Bionika, biomimetika, biomiomimikri



Yüklə 33,49 Kb.
tarix03.05.2018
ölçüsü33,49 Kb.
#41238

Bionika, biomimetika, biomimikri

A bionika fogalmát az Egyesült Államok légierejénél dolgozó Dr. Jack E. Steele alkotta meg 1960-ban. Eredeti jelentése „biológiai minták (prototípusok) alkalmazása emberi készítésű mesterséges rendszerek megtervezésére”. A biomimetika terminus 1974-ben szerepelt először szócikként a Webster’s Dictionary lapjain, de a kifejezést a kalmárok ingerületvezetését modellező amerikai polihisztor-biofizikus, Otto Herbert Schmitt 1950-60-as években közölt publikációiban már használta annak a tudományágnak a megjelölésére, „melynek célja a működő biológiai rendszerekből származó adatok/szabályszerűségek // szerkezetek/funkciók felhasználása mérnöki problémák megoldására – első sorban hasonló/analóg szerkezetek létrehozása révén”. A biomimikri fogalma újabb keletű, 1982-ben szerepelt először Janine Benyus könyvének címében (Biomimicry: Innovation Inspired by Nature), jelentése „egy olyan új tudományág, amely a természet modelljeit vizsgálja, majd utánozza (vagy kiinduló pontul használja) azok szerkezetét, folyamatait emberi problémák megoldása során”. Benyus alapelve az volt, hogy ezért érdemes tanulnunk a természettől, mert annak szerkezet-felépítési és funkcionális szabályszerűségeinek hasznosításával a lehető legkevesebb energia árán érhetők el az emberi célok, s így válhat az ipar igazán fenntarthatóvá. Mivel az 1970-es évek filmipara a bionika kifejezést tévesen használta „elektromos működtetésű mesterséges testrészek alkalmazása” jelentéssel, ezért napjainkra ez a kifejezés kiszorult az angolszász szakirodalomból, s helyette inkább az utóbbi két kifejezés használatos (egyéb szinonimáik pl. biomimézis, biognózis).

Bár a fogalmak megszületése a 20. századhoz kötődik, nem újkeletű, hogy az emberek a természethez fordulnak, ha mérnöki vagy egyéb problémák megoldásáról van szó. 3000 évvel ezelőtt a kínaiak már megpróbálkoztak a mesterséges selyem előállításával, de a reneszánsz polihisztor, Leonardo da Vinci is a madarak repülésének tanulmányozásával, illetve modellezésével tervezett repülő szerkezeteket. (Az első levegőnél nehezebb röpképes eszközt 1903-ban elkészítő Wright fivérek munkáit is a repülő galambok tanulmányozása inspirálta.)

A biomimetikai fejlesztések alapfeltevése, hogy az evolúció során a természetes szelekció olyan hatékony megoldásokat alakított ki az élővilágban a különböző környezeti hatásokhoz történő alkalmazkodás céljából, melyek lemodellezése segítheti az emberiséget a hasonló alkalmazást igénylő problémák megoldásában. Az általános metódus szerint a kutató biológusok elemzik és részletes strukturális-funkcionális leírást adnak a természeti objektumokról, rendszerekről. Ezt követően az elemzésből kiindulva mérnökök dolgoznak ki olyan modellrendszereket, amelyek a természetből vett mintán alapulva segítik a kitűzött cél elérését. Ez nem feltétlenül jelenti a természet másolását, gyakran csak inspirációként szolgálnak a már meglévő találmányok továbbfejlesztéséhez. Amennyiben a modell a későbbi tesztek során is sikeresnek illetve a mesterséges rendszer előállítása gazdaságosnak bizonyul, az ipar is átveszi azt.

A biomimetika felhasználási területei igen változatosak. Az építészet vagy a digitális technológiák (pl. kijelzők fejlesztése) mellett ide tartozik az embert próbáló (veszélyes, monoton vagy rejtőzködést igénylő) feladatok elvégzésére alkalmas robotok előállítása vagy a biomedicina. A vírusok, illetve fehérjék felépülési és működési alapelveinek mérnöki alkalmazása nyitotta meg az utat a nanocsövek, kvantumpontok fejlesztésével is foglalkozó nanobiomimetika felé. E terület része az ún. biomorfikus mineralizáció, amely során a mérnökök a természetes szerkezetekhez hasonló morfológiájú struktúrákat hoznak létre, méghozzá a természetes folyamatokat idéző módon, amelyek így egyszerűbbek, kedvezőbbek és gazdaságosabbak az egyéb lehetőségeknél. Az ökológiai funkcióhoz (lebontó szervezetek, különféle életmódot folytató baktériumok anyagcseréje, ökoszisztémák) kötődő természetes folyamatok (szaprotrófia, nitrifikáció, denitrifikáció, fermentációs technikák) kiaknázása a természetvédelem és az élelmiszeripar felé egyaránt jelenthet potenciális kimenetet.



Ma a biomimetika tudománya saját szaklapokkal rendelkezik (pl. Bioinspiration & Biomimetics, Journal of Biomimetics, Biomaterials and Tissue Engineering, Robotics and Biomimetics – tartalmuk online követhető!), s külön kutatóintézetek, illetve egyetemi kutatócsoportok (pl. Sarikaya Research Group – University of Washington; The Aizenberg Biomineralization and Biomimetics Lab – Harvard) igyekeznek minél több inspirációt meríteni a természet eszköztárából.

Néhány példa a biomimetika vívmányai közül

  • A csörgőkígyók hőérzékelő szervének működési elvén alapuló hőkövető lövedékek

  • A denevérek, illetve delfinek echolokációs tájékozódásának alapján készült tengeri szonárok, illetve szárazföldi radarrendszerek, valamint látássérültek számára kifejlesztett segédeszközök (pl. kibocsátott lézerfény visszaverődését érzékelő bot).

  • A bogáncs, illetve a bojtorjánfajok akaszkodó szőreinek elvén működő tépőzár.

  • A pókfonál (mely az acélnál ötször nagyobb szakítószilárdsággal rendelkezik) alkalmazása ellenálló, mégis könnyű szövetszálak (pl. golyóálló mellényekhez, ejtőernyőzsinórok), hidakat tartó szuszpenziós kábelek vagy műtétek során használatos fonalak előállítása során.

  • A denevérek, illetve madarak szárnyszerkezetének (minimális légellenállás, optimális turbulencia) és repülési módjának felhasználása repülőgépek tervezésekor.

  • A gekkó lábának finom mintázata lényegében molekuláris kölcsönhatások (Van der Waals-erők) révén rögzíti az állatot akár az üveglapon is. E szerkezet mimézisével falmászó robotok, száraz ragasztószalagok, illetve megfelelő tapadást biztosító lábbelik kifejlesztésével kísérleteznek.

  • Az idegsejt-hálózatok kapcsolatrendszerének és működésének modellezése és alkalmazása az információ-átvitelben, számítástechnikában.

  • Famászó levelibéka-fajok ujjfelületi mintázatának alkalmazása megfelelő tapadású futófelületek kialakításához autógumik felületén.

  • Különböző állatfajok (pl. rágcsálók) „önélező” tulajdonságú fogazatának modellezése révén nehezen csorbuló vágóeszközök készítése.

  • A protein-feltekeredés (folding), illetve a vírusok összeállásának vizsgálata és modellrendszer kidolgozása ön-összeszerelődő nanorészecskék gyártásához.

  • A Morpho lepkék szárnyának fizikai színezetét adó reflektáló felszíni struktúra felhasználása digitális kijelzők és nem fakuló, ám briliáns színnel rendelkező felületek (pl. festékek) fejlesztéséhez vagy akár kozmetikai célokra.

  • A dobozhal alakja alapján fejlesztett áramvonalas és tágas autók.

  • A
    (459191431)
    tengeri csigák és kagylók héjának vizsgálatával fejlesztett jobb tulajdonságú kerámiák előállítása.

  • A jegesmedve szőrszálainak és bundájának modellezésével hőkollektorok és ruhadarabok tervezése.

  • A levelek növényen megfigyelhető elrendeződésének utánzásával hatékonyabb napkollektorok fejlesztése.

  • Egyes rovar- és lepkefajok szemének, szárnyának, illetve trópusi esőerdők aljnövényzetében élő növények levélfelszínének fényvisszaverő tulajdonságainak hátterében álló felszíni struktúrák alkalmazása alacsony reflexiójú (antireflexáns) napelemek gyártásához.

  • Az öngyógyító tulajdonságú biológiai rendszerek tanulmányozása révén olyan polimerek és polimer-összetevők fejlesztése, melyek képesek a sérülések, repedések kijavítására.

  • A termeszvárak kialakítása folyamatos légáramlást biztosít a rovarállam számára, ami biztosítja az állandó oxigénszintet, szellőzést és a vár állandó hőmérsékletét a sivatagban. Ennek a rendszernek modellezése és alkalmazása az építészet számára rejt lehetőségeket.

  • Egyes tengeri kagylók váladéka rögzíti az állatokat a sziklákhoz, melynek tulajdonságai hatékony ragasztók fejlesztéséhez szolgálhatnak alapul.

  • A cápák bőrének mintázatát hajók, illetve úszók ruháinak tervezéséhez használják a közegellenállás csökkentését célozva.

  • A pöfögőfutrinkák (Brachinus sp., ’Bombardier beetle’) forgatható „porlasztóiból” távozó finom eloszlású riasztó váladéka adta az ötletet egy „mikroköd” nevű diszpergáló technika kifejlesztéséhez, ami a hajtógázas termékeknél (dezodorok, illatosítók) kevésbé terheli a környezetet.

  • A legelő állatcsordák táplálkozási viselkedésének és területhasznosításának tanulmányozása alapján kidolgozott „biomimetikus legeltetés” módszere segíti az állattartással érintett területek talajának megőrzését és a biodiverzitás növelését.

  • Az Alsomitra macrocarpa nevű trópusi liánnövény magjainak repítőszárnya alapján tervezett Ignaz és Igo Etrich merev szárnyú repülő szerkezeteket.

  • Jeronimidis a növényi sejtfal szilárdságát adó nyújthatatlan cellulózszálaknak a szilárd másodlagos falrétegekben megfigyelhető elrendeződése alapján tervezett igen ellenálló műgyantát, amelyet meghatározott orientációjú üvegszálakkal merevítenek.

  • A lótuszfajok levelének felülete olyan mikromintázatot hordoz, ami minden szennyeződést leperget. Ennek segítségével öntisztító felületek tervezhetők, illetve megalkották a Lotusan nevű szennyeződés-lepergető festéket.

  • Egy parazita légyfaj (Ormia ochracea) speciális elhelyezkedésű és szerkezetű hallószervei alapján terveztek nagyon nagy érzékenységű mikrofont.

  • A ragadozó szitakötők viselkedése alapján katonai repülők pilótái számára dolgoztak ki olyan manőverezési technikákat, amelynek segítségével észrevétlenül közelíthetik meg célpontjukat. (A szitakötők úgy közelítik meg áldozatukat, hogy eközben annak látóterében ugyanazt a pontot foglalják el, ezért lassabb mozgásúnak vagy akár mozdulatlannak tűnnek.)

  • Az ásó életmódot folytató állatok testfelépítése alapján hatékonyabb vájatok, fogak alakíthatók ki bulldózereken vagy a mezőgazdasági gépeken.

  • A halak úszóinak felépítése és mozgása hatékony propellerek kifejlesztését tette lehetővé.

  • A bálnák uszonyainak szerkezetét szélerőművek forgólapátjainak fejlesztése során modellezték.

  • A pingvinek extrém áramvonalas alakjának mimézisével minimalizálható a vízbe merülő járművekre ható közegellenállás.

  • A sivatagban élő rovarok (pl. gyászbogarak) kitinpáncéljának, valamint egyes sivatagi hüllők (tüskés ördög) bőrének, pikkelyeinek mikromintázata olyan áramlási rendszert hoz létre az állatok felületén, ami segíti a víz összegyűjtését a hajnali párából. Ennek megértése segítheti hasonló környezetekben az ivóvíz összegyűjtését.

  • A tukánok csőrének szerkezete egyszerre rendkívül könnyű, belső gerendázatának köszönhetően azonban igen ellenálló. Modellezésével hasonló tulajdonságú, de kis nyersanyagigényű anyagok tervezhetők.

  • A könnyű, ugyanakkor merev és szívós szarvasagancs szerkezetének utánzásával hasonló tulajdonságú anyagokat fejlesztenek.

  • A cápák szaglószervének tanulmányozása alapján készült modellek lehetnek az alapjai a jövő vegyianyag-szenzorainak.

  • Egy rucaöröm faj (Salvinia molesta) levélfonákának felszíni struktúráinak köszönhetően a növény rendkívül víztaszító (levelét lényegében egy levegőréteg választja el a víztől). Ennek mimetizálásával szuper-hidrofób felületek fejleszthetők akár a textilipar számára gyorsan száradó ruhák előállítására, akár a hajógyártás számára, ahol ezzel a módszerrel hatékonyan csökkenthetnénk a járművek üzemanyag-fogyasztását.

Források / ajánlott oldalak

Magyar nyelven

http://www.mernokbazis.hu/hirek/robotika-es-bionika



http://sg.hu/cikkek/104084/a-bionika-lehet-a-jovo-sikeragazata

http://ujsag.szie.hu/node/274

http://index.hu/tudomany/egeszseg/2012/08/23/a_bionika_segithet_a_latasserulteken/

http://mindentudas.hu/elodasok-cikkek/item/61-info-bionika-%C3%A9s-%C3%A9rz%C3%A9kel%C5%91-sz%C3%A1m%C3%ADt%C3%B3g%C3%A9pek.html

http://www.origo.hu/tudomany/20100220-e.html

http://www.origo.hu/tudomany/20100120-biomimikri-az-elovilag-ihlette-talalmanyok.html

http://alag3.mfa.kfki.hu/mfa/nyariiskola/01h_Biomimetika_Szuperhidrofob/index.htm

http://www.autodeskforum.hu/?p=2801

Angol nyelven

http://ngm.nationalgeographic.com/2008/04/biomimetics/tom-mueller-text

http://www.csa.com/discoveryguides/design/review4.php

http://www.merriam-webster.com/dictionary/biomimetics

http://mvbiotech.weebly.com/uploads/5/4/2/1/5421669/biomimetics_research_startups.pdf

http://biomimetics.mit.edu/

http://web.stanford.edu/group/mota/education/Physics%2087N%20Final%20Projects/Group%20Gamma/index.htm

http://robotics.eecs.berkeley.edu/~ronf/papers.html

http://www.appliedbiomimetic.com/?page_id=696



http://www.nyu.edu/gsas/program/biomaterials/

http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/3/9/471.full.pdf+html

Yüklə 33,49 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2023
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə