Biomimikri

Nahkhiire tiiva põhjal kujundatud Leonardo da Vinci joonis lennumasina tiivast 15. sajandil

Biomimikri (ka biomimeetika) on looduse mudelite, süsteemide ja elementide jäljendamine keerukate inimprobleemide lahendamise eesmärgil. Mõisted "biomimeetika" ja "biomimikri" on tuletatud vanakreeka sõnadest (bios) elu ja μίμησις (mīmēsis) jäljendamine. Sellega seotud valdkond on bioonika.

Elusorganismid on loodusliku valiku kaudu arendanud hästi kohanenud struktuurid ja materjalid. Biomimikri on toonud kaasa uued tehnoloogiad, mis on loodud makro- ja nanotasandi bioloogilistest lahenduste põhjal. Inimesed on kogu oma eksistentsi vältel otsinud loodusest vastuseid probleemidele. Loodust jäljendades on lahendatud inseneriprobleeme, nagu iseparanemisvõime, keskkonnamõjude taluvus ja vastupidavus, robootika, hüdrofoobsus, iseseisev kokkupanek ja päikeseenergia kasutamine.

Ajalugu

Jäälinnu nokka ja pead jäljendav Shikanseni kiirrongi vedur

Üks esimesi biomimikri näiteid oli lindude uurimine, et võimaldada inimeste lendamist. Kuigi Leonardo da Vinci (1452–1519) pole kunagi lendava masina loomisel edukas olnud, oli ta lindude anatoomia ja lennu innukas vaatleja ning tegi oma tähelepanekute kohta arvukalt märkmeid ja visandeid ning jooniseid "lendavatest masinatest". Vennad Wrightid, kellel õnnestus 1903. aastal luua esimene õhust raskem lennuk, ammutasid väidetavalt inspiratsiooni tuvide lennust.

1950. aastatel töötas Ameerika biofüüsik ja polümaat Otto Schmitt välja "biomimeetika" kontseptsiooni. Uurides doktoritöö käigus kalmaari närve ja püüdes luua seadet, mis jäljendaks närviimpulsi bioloogilist süsteemi, töötas ta välja Schmitti päästiku. Ta keskendus ka edaspidi seadmetele, mis jäljendavad looduslikke süsteeme ja 1957. aastaks oli ta loonud vastandi tolleaegsele biofüüsikale, mida ta hakkas nimetama biomimeetikaks.

1960. aastal võttis Jack E. Steele kasutusele sarnase mõiste "bioonika" Wright-Pattersoni õhuväebaasis Daytonis (USA Ohio osariigis), kus töötas ka Otto Schmitt. Steele määratles bioonikat kui "teadust süsteemidest, millel on mõni loodusest kopeeritud funktsioon või mis esindavad looduslike süsteemide või nende analoogide omadusi".

Taimede takja sarnaste konksjate osade järgi on tehtud rõivatööstuses ja mujal levinud takjakinnitused

1969. aastal kasutas Schmitt ühe oma artikli pealkirjas mõistet "biomimeetiline" ja 1974. aastaks oli see jõudnud Websteri sõnaraamatusse. Bioonika jõudis samasse sõnastikku varem, 1960. aastal kui "teadus, mis tegeleb bioloogiliste süsteemide toimimist käsitlevate andmete rakendamisega inseneriprobleemide lahendamisel". Bioonika sai teistsuguse tähenduse, kui Martin Caidin viitas Jack Steele'ile ja tema tööle romaanis "Küborg", mille tulemuseks oli hiljem 1974. aasta telesari "Kuue miljoni dollari mees" ja selle sarnased filmid. Seejärel hakati mõistet "biooniline" seostama "elektrooniliselt juhitavate kunstlike kehaosade kasutamisega" ja "tavaliste inimvõimete suurendamisega selliste seadmete abil või justkui nende abil". Kuna mõiste "biooniline" omandas üleloomuliku jõu tähenduse, loobus inglise keelt kõnelevate maade teadlaskond sellest suures osas.

Mõiste "biomimikri" võeti kasutusele 1982. aastal. Biomimikri populariseeris teadlane ja kirjanik Janine Benyus oma 1997. aasta raamatus "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature". Biomimikri on raamatus määratletud kui "uus teadus, mis uurib looduse mudeleid ja seejärel jäljendab või ammutab neist inspiratsiooni inimprobleemide lahendamiseks". Benyus soovitab vaadata loodust kui "mudelit, mõõdupuud ja õpetajat" ning rõhutab jätkusuutlikkust kui biomimikri eesmärki.

Loodust jäljendavad tehnoloogiad

Kala jäljendav robot

Biomimikrit saab rakendada paljudes valdkondades. Bioloogiliste süsteemide mitmekesisuse ja keerukuse tõttu on imiteeritavate tunnuste arv suur. Biomimikri rakendused on erinevates arenguetappides alates tehnoloogiatest, mis võivad muutuda kaubanduslikult kasutatavaks, kuni prototüüpideni. Murray seadus, mis tavapärasel kujul määras kindlaks veresoonte optimaalse läbimõõdu, on uuesti sõnastatud, et pakkuda lihtsaid võrrandeid toru või toru läbimõõdu jaoks, mis annab minimaalse massi süsteemi.

Liikumine

Lennuki tiibade disain ja lennutehnikad on inspireeritud lindudest ja nahkhiirtest. Jaapani täiustatud kiirrongi Shinkansen 500 seeria voolujoonelise disaini aerodünaamika modelleeriti jäälinnu noka järgi.

Loomade füsioloogial ja liikumismeetoditel põhinevate biorobotite hulka kuulub BionicKangaroo, mis liigub nagu känguru, säästes energiat maandumiselt ja rakendades seda hüppel; Kamigami Robots, laste mänguasi, jäljendab prussaka liikumist, et joosta kiiresti ja tõhusalt üle toas ja õues.

Biomimikrilised lendavad robotid (BLR)

Linnu tiibade lehvitamist jäljendav robot

BLR-id jäljendavad lendavaid imetajaid, linde või putukaid. BLR-idel võivad olla lehvivad tiivad, mis tekitavad tõste- ja tõukejõu, või neid liigutab propeller. Lehvitatavate tiibadega BLR-idel on võrreldes propelleriga juhitavate BLR-idega suurem tööefektiivsus, suurem manööverdusvõime ja väiksem energiakulu. Imetajatest ja lindudest inspireeritud BLR-idel on sarnased lennuomadused ja disain.

Imetajatel põhinevad BLR-id saavad tavaliselt inspiratsiooni nahkhiirtelt, kuid ka lendorava põhjal on loodud prototüüp. Nahkhiirtest BLR-ide näidete hulka kuuluvad Bat Bot ja DALER. Imetajatest BLR-id saab kujundada multimodaalseteks; seetõttu on nad võimelised nii lendama kui ka maas liikuma. Maandumise põrutuse vähendamiseks saab tiibadele paigaldada amortisaatorid. Rakendada saab ka erinevaid kõnnimustreid.

Biomimikriarhitektuur

Termiidipesade loomulikku ventilatsiooni jäljendava kõrghoone jahutamine

Elusolendid on evolutsiooni käigus kohanenud pidevalt muutuva keskkonnaga mutatsiooni, rekombinatsiooni ja loodusliku valiku kaudu. Biomimikri filosoofia põhiidee seisneb selles, et elusolenditel, sealhulgas loomadel, taimedel ja mikroobidel, on kõige rohkem kogemusi probleemide lahendamisel ja nad on juba leidnud kõige sobivamad viisid planeedil Maa elus püsimiseks. Samamoodi otsib biomimikri arhitektuur lahendusi looduses esineva jätkusuutlikkuse jäljendamiseks.

21. sajandil on toimunud energia raiskamine ehitiste mitmetes etappides. Samal ajal on hiljutised edusammud valmistamistehnikate, arvutusliku pildistamise ja simulatsioonitööriistade vallas avanud uusi võimalusi looduse jäljendamiseks erinevates arhitektuuriskaalades. Selle tulemusena on energiaprobleemide lahendamiseks uuenduslike disainilahenduste ja lahenduste väljatöötamine kiiresti kasvanud. Biomimikriarhitektuur on üks neist multidistsiplinaarsetest säästva disaini lähenemisviisidest, mis järgib pigem põhimõtete kui stiilikoodide kogumit, ulatudes kaugemale looduse kasutamisest ehitatud vormi esteetiliste komponentide loomiseks ning püüab kasutada looduse eeskuju hoone toimimisega seotud probleemide lahendamiseks ja energia säästmist.

Näited

Teadlased uurisid termiitide võimet säilitada Aafrika termiidiküngastes pea ühtlast temperatuuri ja niiskust vaatamata välistemperatuurile, mis varieerub vahemikus 1,5–40 °C. Teadlased skaneerisid algselt termiitide küngast ja lõid sellest kolmemõõtmelised kujutised, mis näitasid ehitust, mis võib mõjutada inimeste hoonete disaini. Zimbabwes Harares asuv bürookompleks Eastgate Center püsib jahedana passiivse jahutusarhitektuuri kaudu, mis kasutab vaid 10% sama suurusega tavapärase hoone energiast.

Rooma Sapienza ülikooli teadlased said inspiratsiooni termiitide küngaste loomulikust ventilatsioonist ja kavandasid topeltfassaadi, mis vähendab oluliselt hoone päiksest ülevalgustatud alasid. Teadlased on jäljendanud küngaste seinte poorsust, kujundades topeltpaneelidega fassaadi, mis suutis vähendada kiirgusest saadavat soojust ja suurendada soojuskadu konvektsiooni kaudu kahe paneeli vahelises tühimikus. Üldine jahutuskoormus hoone energiatarbimisele vähenes 15%.

Sarnast inspiratsiooni ammutati termiidiküngaste poorsetest seintest, et kujundada väikese tuulutusvahega loomuliku ventilatsiooniga fassaad. Selline fassaadikujundus on võimeline õhuvoolu tekitama tänu Venturi efektile ja tsirkuleerib pidevalt tõusvat õhku ventilatsiooniavas. Täheldati olulist soojusülekannet hoone välisseinapinna ja sellest üle voolava õhu vahel. Disain on ühendatud fassaadi haljastamisega. Roheline sein hõlbustab täiendavat loomulikku jahutamist taimedes aurustamise, hingamise ja transpiratsiooni kaudu. Niiske taimne substraat toetab veelgi jahutavat toimet.

Ehitustehnikas on Šveitsi Föderaalne Tehnoloogiainstituut ( EPFL ) lisanud biomimikri omadused adaptiivsesse kasutuselevõetavasse silda. Sild võib teha enesediagnostikat ja -remonti. Taimede lehtede paigutust on jäljendatud päikeseenergia paremaks kogumiseks.

Materjalid

Taimelehe mikroskoopilised ebatasasused loovad vee ja lehepinna vahel õhutaskud, muutes selle vett hülgavaks

On suur vajadus uute materjalide järele, mis on kerged, kuid pakuvad erakordseid jäikuse, tugevuse ja sitkuse kombinatsioone.

Sellised materjalid tuleks toota suure mahu ja madala hinnaga keeruka kujuga puistematerjalideks ning neid võiks kasutada mitmesugustes valdkondades, nagu ehitus, transport, energia salvestamine ja selle muundamine. Klassikalise disainiprobleemi korral on tugevus ja sitkus tõenäolisemalt üksteist välistavad, st tugevad materjalid on rabedad ja sitked materjalid nõrgad. Kuid looduslikud materjalid, millel on keerukad ja hierarhilised materjaligradiendid, mis ulatuvad nanostmakroskaaladeni, on nii tugevad kui ka sitked. Üldiselt kasutavad enamik looduslikke materjale piiratud keemilisi komponente, kuid keerukaid materjaliarhitektuure, mis annavad erakordsed mehaanilised omadused. Väga mitmekesiste ja mitmeotstarbeliste bioloogiliste materjalide mõistmine ja selliste struktuuride kopeerimiseks kasutatavate lähenemisviiside avastamine viivad arenenud ja tõhusamate tehnoloogiateni. Luu, pärlmutter, hambad ja bambus on näited kahjustust taluvatest materjalidest. Erakordne resistentsus luumurdude suhtes on tingitud keerukatest deformatsiooni- ja tugevdusmehhanismidest, mis toimivad eri suurusega skaalal - valgumolekulide nanomõõtmeline struktuur kuni makroskoopilise füsioloogilise skaala.

Pärlmutteri murtud pind

Ämbliku siid on sitkem kui kuulivestides kasutatav kevlar. Põhimõtteliselt võiksid insenerid sellist materjali kasutada langevarjude, rippsildade kaablite, meditsiiniliste tehissidemete ja muu loomisel, kui seda saaks jäljendada nii, et see kestaks piisavalt kaua. Paljude loomade iseterituvad hambad on paremate lõikeriistade valmistamiseks kopeeritud.

Vaata ka

Viited

  1. ↑ Vincent, Julian F. V. (22. august 2006). "Biomimetics: its practice and theory". Journal of the Royal Society Interface. 3 (9): 471–482. DOI:10.1098/rsif.2006.0127. PMC 1664643. PMID 16849244. {{cite journal}}: eiran tundmatut parameetrit |displayauthors=, kasuta parameetrit (|display-authors=) (juhend)
  2. ↑ Võsaste, Sille (30. juuni 2021). "Ragmar Saksing: mustikas trumpab männipalgi ehk kuidas leida tasakaalu rohemajanduses". Sihtasutus Tallinna Teaduspark Tehnopol. Vaadatud 13. mail 2023.
  3. 1 2 Mary McCarty. "Life of bionics founder a fine adventure". Dayton Daily News, 29 January 2009.
  4. ↑ "Pehmerobootikud teevad loodusest inspireeritud teadust". Tartu Ülikool. Vaadatud 13. mail 2023.
  5. ↑ Romei, Francesca (2008). Leonardo Da Vinci. The Oliver Press. Lk 56. ISBN 978-1-934545-00-3.
  6. ↑ Compare: Howard, Fred (1998). Wilbur and Orville: A Biography of the Wright Brothers. Dober Publications. Lk 33. ISBN 978-0-486-40297-0. According to Wilbur, he and his brother discovered the birds' method of lateral control one day while observing a flight of pigeons. [...] 'Although we intently watched birds fly in a hope of learning something from them,' [Orville] wrote in 1941, 'I cannot think of anything that was first learned in that way.'
  7. 1 2 Vincent, Julian F.V.; Bogatyreva, Olga A.; Bogatyrev, Nikolaj R.; Bowyer, Adrian; Pahl, Anja-Karina (21. august 2006). "Biomimetics: its practice and theory". Journal of the Royal Society Interface. 3 (9): 471–482. DOI:10.1098/rsif.2006.0127. PMC 1664643. PMID 16849244.
  8. ↑ "Otto H. Schmitt, Como People of the Past". Connie Sullivan, Como History Article. Originaali arhiivikoopia seisuga 7. oktoober 2013. Vaadatud 13. mail 2023. He developed the trigger by studying the nerves in squid and trying to engineer a device that replicated the natural system by which squid nerves propagate.
  9. ↑ Vincent, Julian F. V. (november 2009). "Biomimetics — a review". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 223 (8): 919–939. DOI:10.1243/09544119JEIM561. PMID 20092091.
  10. ↑ Schmitt O. Third Int. Biophysics Congress. 1969. Some interesting and useful biomimetic transforms. p. 297.
  11. ↑ Soanes, Catherine; Hawker, Sara (2008). Compact Oxford English Dictionary. ISBN 978-0-19-953296-4.
  12. ↑ Vincent, JFV (2009). "Biomimetics — a review". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 223 (8): 919–939. DOI:10.1243/09544119JEIM561. PMID 20092091.
  13. 1 2 Benyus, Janine (1997). Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. New York, USA: William Morrow & Company. ISBN 978-0-688-16099-9.
  14. ↑ Bhushan, Bharat (15. märts 2009). "Biomimetics: lessons from nature-an overview". Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 367 (1893): 1445–1486. Bibcode:2009RSPTA.367.1445B. DOI:10.1098/rsta.2009.0011. PMID 19324719.
  15. ↑ Williams, Hugo R.; Trask, Richard S.; Weaver, Paul M.; Bond, Ian P. (2008). "Minimum mass vascular networks in multifunctional materials". Journal of the Royal Society Interface. 5 (18): 55–65. DOI:10.1098/rsif.2007.1022. PMC 2605499. PMID 17426011.
  16. ↑ The Engineer (31. märts 2017). "The evolution of the aircraft wing". Vaadatud 10. detsembril 2018.
  17. ↑ "Drone with legs can perch, watch and walk like a bird". Tech. New Scientist. 27. jaanuar 2014. Vaadatud 17. juulil 2014.
  18. ↑ "How a kingfisher helped reshape Japan's bullet train". BBC. 26. märts 2019. Vaadatud 20. juunil 2020.
  19. ↑ Ackerman, Evan (2. aprill 2014). "Festo's Newest Robot Is a Hopping Bionic Kangaroo". spectrum.ieee.org. IEEE Spectrum. Vaadatud 17. aprillil 2014.
  20. ↑ "Revolutsioonilised robotid, mis on inspireeritud loodusest ja loomadest". OSKA. Vaadatud 13. mail 2023.
  21. ↑ "Robotics Highlight: Kamigami Cockroach Inspired Robotics". CRA. 18. juuli 2016. Originaali arhiivikoopia seisuga 17. mai 2017. Vaadatud 16. mail 2017.
  22. ↑ Zhang, Jun; Zhao, Ning; Qu, Feiyang (15. november 2022). "Bio-inspired flapping wing robots with foldable or deformable wings: a review". Bioinspiration & Biomimetics. 18 (1): 011002. DOI:10.1088/1748-3190/ac9ef5. ISSN 1748-3182. PMID 36317380.
  23. 1 2 Shin, Won Dong; Park, Jaejun; Park, Hae-Won (1. september 2019). "Development and experiments of a bio-inspired robot with multi-mode in aerial and terrestrial locomotion". Bioinspiration & Biomimetics. 14 (5): 056009. Bibcode:2019BiBi...14e6009S. DOI:10.1088/1748-3190/ab2ab7. ISSN 1748-3182. PMID 31212268.
  24. ↑ Ramezani, Alireza; Shi, Xichen; Chung, Soon-Jo; Hutchinson, Seth (mai 2016). "Bat Bot (B2), a biologically inspired flying machine". 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Stockholm, Sweden: IEEE: 3219–3226. DOI:10.1109/ICRA.2016.7487491. ISBN 978-1-4673-8026-3.
  25. 1 2 Daler, Ludovic; Mintchev, Stefano; Stefanini, Cesare; Floreano, Dario (19. jaanuar 2015). "A bioinspired multi-modal flying and walking robot". Bioinspiration & Biomimetics. 10 (1): 016005. Bibcode:2015BiBi...10a6005D. DOI:10.1088/1748-3190/10/1/016005. ISSN 1748-3190. PMID 25599118.
  26. 1 2 Knippers, Jan; Nickel, Klaus G.; Speck, Thomas, toim-d (2016). Biomimetic research for architecture and building construction: biological design and integrative structures. Cham: Springer. ISBN 978-3-319-46374-2. OCLC 967523159.
  27. ↑ "Indrek Must – Insener, kelle töö on taimede jäljendamine". Miks.ee. 3. aprill 2023. Vaadatud 13. mail 2023.
  28. ↑ Collins, George R. (1963). "Antonio Gaudi: Structure and Form". Perspecta. 8: 63–90. DOI:10.2307/1566905. ISSN 0079-0958. JSTOR 1566905.
  29. ↑ Radwan, Gehan.A.N.; Osama, Nouran (2016). "Biomimicry, an Approach, for Energy Effecient [sic] Building Skin Design". Procedia Environmental Sciences (inglise). 34: 178–189. DOI:10.1016/j.proenv.2016.04.017.
  30. ↑ "The Biomimicry Institute - Examples of nature-inspired sustainable design". Biomimicry Institute. Originaali arhiivikoopia seisuga 23. jaanuar 2022. Vaadatud 13. mail 2023.
  31. ↑ El Ahmar, Salma & Fioravanti, Antonio. (2015). Biomimetic-Computational Design for Double Facades in Hot Climates: A Porous Folded Façade for Office Buildings.
  32. ↑ Paar, Michael Johann; Petutschnigg, Alexander (8. juuli 2017). "Biomimetic inspired, natural ventilated façade – A conceptual study". Journal of Facade Design and Engineering. 4 (3–4): 131–142. DOI:10.3233/FDE-171645.
  33. ↑ Wong, Nyuk Hien; Kwang Tan, Alex Yong; Chen, Yu; Sekar, Kannagi; Tan, Puay Yok; Chan, Derek; Chiang, Kelly; Wong, Ngian Chung (märts 2010). "Thermal evaluation of vertical greenery systems for building walls". Building and Environment. 45 (3): 663–672. DOI:10.1016/j.buildenv.2009.08.005.
  34. ↑ Korkmaz, Sinan; Bel Hadj Ali, Nizar; Smith, Ian F.C. (juuni 2011). "Determining control strategies for damage tolerance of an active tensegrity structure". Engineering Structures. 33 (6): 1930–1939. Bibcode:2011EngSt..33.1930K. CiteSeerX 10.1.1.370.6243. DOI:10.1016/j.engstruct.2011.02.031.
  35. ↑ "The Secret of the Fibonacci Sequence in Trees". 2011 Winning Essays. American Museum of Natural History. 1. mai 2014. Vaadatud 17. juulil 2014.
  36. ↑ Bio-Synthetic Hybrid Materials and Bionanoparticles, Editors: Alexander Boker, Patrick van Rijn, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2016, https://web.archive.org/web/20210709185232/https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-210-9
  37. ↑ Wegst, Ulrike G. K.; Bai, Hao; Saiz, Eduardo; Tomsia, Antoni P.; Ritchie, Robert O. (26. oktoober 2014). "Bioinspired structural materials". Nature Materials. 14 (1): 23–36. DOI:10.1038/nmat4089. ISSN 1476-1122. PMID 25344782.
  38. ↑ Launey, Maximilien E.; Buehler, Markus J.; Ritchie, Robert O. (juuni 2010). "On the Mechanistic Origins of Toughness in Bone". Annual Review of Materials Research. 40 (1): 25–53. Bibcode:2010AnRMS..40...25L. CiteSeerX 10.1.1.208.4831. DOI:10.1146/annurev-matsci-070909-104427. ISSN 1531-7331.
  39. ↑ Gu, Yunqing; Yu, Lingzhi; Mou, Jiegang; Wu, Denghao; Zhou, Peijian; Xu, Maosen (24. august 2020). "Mechanical properties and application analysis of spider silk bionic material". E-Polymers (inglise). 20 (1): 443–457. DOI:10.1515/epoly-2020-0049. ISSN 2197-4586.
  40. ↑ Killian, Christopher E. (2010). "Self-Sharpening Mechanism of the Sea Urchin Tooth". Advanced Functional Materials. 21 (4): 682–690. DOI:10.1002/adfm.201001546.