Człowiek może się wiele nauczyć od natury (przygotowała firma MANN+HUMMEL)

, 15 lutego 2006, 0:00

Mądrość natury
Człowiek zawsze czerpał wiedzę z natury. Samolot, zapięcie na rzepy, czy minimalizujący opory kombinezon nurka oraz inne rozwiązania techniczne to chrzestne dzieci natury. Także w MANN+HUMMEL od lat trwają prace nad wykorzystaniem biologii w rozwiązaniach technicznych.
Kiedy Leonardo da Vinci ok. roku 1500 prowadził badania nad odwieczną tęsknotą człowieka – możliwością latania, przeniósł na papier szkice pierwszych konstrukcji latających – śmigłowców i spadochronów. Ten malarz i naukowiec czerpał inspiracje ze studiowania lotu ptaków.
Nie inaczej było w przypadku niemieckiego konstruktora maszyn Otto Lilienthala, który cztery wieki później skonstruował swój ślizgowy statek powietrzny, który w roku 1891 zapisał się w historii jako pierwszy szybowiec.
Lilienthal najpierw dokładnie obserwował naturę, studiował aerodynamikę skrzydeł bocianów i naśladował ich rozstawienie, zanim zastosował je odpowiednio w skrzydłach szybowca, przyczyniając się do rozwoju lotnictwa.

Pionierzy bioniki
Dzisiaj Leonardo da Vinci i Lilienthal uważani są za pionierów nowej dyscypliny naukowej, która postawiła sobie za zadanie systematyczne rozwiązywanie tajemnic natury i wykorzystywanie ich dla tworzenia technicznie lepszych konstrukcji.
Ponieważ nauka ta łączy dwie dyscypliny biologię i technikę, stąd powstała nazwa bionika.
Biologia dostarcza wiadomości o systemach biologicznych, technika zaś pozwala przekształcić je w wiedzę na temat praktycznych rozwiązań.


Profesor Werner Nachtigall, jeden z najbardziej znanych bioników w Niemczech tak podsumował zadania tej nowej dyscypliny: „Zajmować się bioniką, to czerpać wiedzę z zasad konstrukcyjno-technologicznych i ewolucyjnych pochodzących z natury, dla pozytywnego wykorzystania jej dla człowieka, natury i otoczenia”.
Aktualne znaczenie tej dziedziny nauki dla przyszłości miało swoje odzwierciedlenie w motto niemieckiego stoiska na Expo 2005 w Japonii: „Mądrość natury.”


Wielostronnie korzystny efekt kwiatu lotosu
Wskazówką potencjału kryjącego się w bionice jest już wielość rozwiązań, które w ostatnich latach pojawiły się w naszym codziennym życiu. Do najbardziej znanych efektów bioniki należy efekt kwiatu lotosu, który niektórzy znają z reklamy.
Lotos jest w Azji symbolem czystości, ponieważ płatki jego kwiatu wyłaniają się z mułu akwenu wodnego i rozkwitają w nieskazitelnie czysty sposób.

 ]1P[
„Samooczyszczanie optymalnie mikrostrukturalnych powierzchni znacznie ogranicza powierzchnię kontaktową tak, że brud i zarodki nie przyczepiają się i są stale usuwane przez deszcz” – wyjaśnia dr inż. Matthias Teschner, który zajmuje się w MANN+HUMME bioniką. Efekt ten wykorzystywany jest między innymi w samooczyszczających się farbach fasadowych. Również wysoko lepkie płyny jak np. miód mogą oczyszczać antyprzyczepne powierzchnie bez pozostawiania jakichkolwiek resztek zanieczyszczeń.
Można wyobrazić sobie wykorzystanie tego efektu w MANN+HUMMEL, np. do tego, aby wzorcowe pokrywy lub obudowy filtrów powietrza w obrębie silnika nie brudziły się tak mocno lub pozwoliły się łatwo czyścić podczas mycia silnika. Tego rodzaju możliwości zastosowań są w tej chwili w fazie projektu badawczego razem z Instytutem Tworzyw Sztucznych w Ludenscheid.

Nić pajęcza – lekka, elastyczna i odporna na rozerwanie
Z największą uwagą bionicy badają sztukę budowy nici pajęczych. Jej włókna są elastyczne i odporne na zrywanie i mają właściwości, które są niezbędne w technice. Włókna pajęczyny przy uwzględnieniu wagi mają pięciokrotnie wyższą wytrzymałość, aniżeli stal i to przy wydłużeniu do 40%.
„To jest zdumiewające” – ocenia dr Teschner. „Mamy tu do czynienia z kombinacją właściwości, które są ekstremalnie interesujące dla techniki. Wysoka wytrzymałość przy wysokiej podatności i rozciągliwości.”
Dodatkowo naukowcy z zakresu techniki materiałowej pracują obecnie nad tym, aby te składające się z protein nici, produkować sztucznie. Jeżeli ten punkt zostanie dopracowany, to efektem będą niepojęte możliwości wykorzystania ich w medycynie, czy też produkcji nowych tworzyw.


Filtry powietrza z płynnego drewna
Temat, który może być interesujący dla MANN+HUMMEL to płynne drewno. To termoplastyczne tworzywo ma tę zaletę, że składa się z całkowicie odbudowującego się surowca –ligniny. Jako produkt uboczny przemysłu papierniczego gromadzi się go rocznie na świecie w ilości ok. 50 milionów ton. W niektórych właściwościach tworzywo to porównywalne jest z termoplastycznymi tworzywami sztucznymi jak np. polipropylen i może być wykorzystywane w samochodach do okładzin lub w zmodyfikowanej formie do systemów filtracji powietrza. Jednak problem stwarza jeszcze odporność na materiały robocze i wysokie temperatury w obrębie silnika.
„Z pewnością nie jest już daleka droga do produkcji filtrów powietrza z płynnego drewna. Musimy jednak zająć się tym tematem bliżej i zbadać, jak w przyszłości przy nowo pojawiających się surowcach odejść od olejów mineralnych” – uważa dr Teschner.
Przez kopiowanie i śledzenie zasad natury udało się bionice znaleźć kilka robiących wrażenie rozwiązań. Jednak natura ma o wiele więcej do zaoferowania – wykorzystanie zasad samej ewolucji.

Ewolucja w postępie minutowym
Przy optymalizacji części sami doświadczeni konstruktorzy wiedzieni intuicją nie są w stanie opracować możliwie najlepszego wzoru części. Od pewnego czasu MANN+HUMMEL sięga do cenionego od milionów lat wzoru ewolucji i osiąga tym samym zadziwiające efekty.
Kiedy technicy w MANN+HUMMEL konstruują systemy ssawne powietrza stają przed zadaniem takiego ukształtowania kanału ssawnego w obrębie silnika, aby ograniczyć utratę ciśnienia. W tym wypadku inżynierowie mogą czerpać rozwiązania z doświadczeń w budowie podobnych części, powoływać się na obliczenia lub wykorzystać intuicję.


Siły ochronne bioniki
Od kilku lat bionika jako młoda dziedzina nauki dostarcza biologicznych wzorów do przystosowań w technice. Przy konstrukcji systemów ssawnych nie przenosi się jednak mądrej zasady budowy z natury – efektu kwiatu lotosu – na produkt.
Technicy stosują metody natury, aby zoptymalizować daną część. Symulacji podlegają tutaj trzy zasadnicze filary biologicznej ewolucji, które w 1859 roku sformułował Charles Darwin: mutacja, rekombinacja oraz selekcja.
Za pomocą wysoko wydajnych komputerów nie jest już dzisiaj problemem  zastosowanie tych zasad w ramach strategii ewolucji i wykorzystanie ich w rozwiązaniu i optymalizacji zadań – wyjaśnia dr Matthias Teschner.

„Pytanie tylko, co jest najlepsze?”
Zadaniem rury ssawnej jest m.in. takie ukształtowanie różnie przyporządkowanych kanałów, aby mimo ograniczonej powierzchni zabudowy utrata ciśnienia była ograniczona, ponieważ im wyższa utrata ciśnienia, tym mniej powietrza dopływa do silnika i tym mniejsza jest jego wydajność. Na początku ewolucyjnych obliczeń do komputera wprowadza się dane wyjściowe odnośnie: wielkości powierzchni zabudowy, przekroju i stopni zakrzywień rury ssawnej. Po tym następuje „ewolucja” rury ssawnej w takcie sekundowym lub minutowym. Przy tej części optimum osiągnięto po blisko 500 generacjach: utrata ciśnienia była o ok. 35% niższa.
Innym wysoce aktualnym przykładem jest opracowany przez MANN+HUMMEL jednopłaszczyznowy wysokowęglowy adsorber znany w firmie jako wysokowęglowy obwód absorpcyjny, który zapobiega wypływie oparów paliwa z samochodu. Żeby zbiornik węglowodorów mógł wychwycić możliwie dużo molekuł, przeprowadza się próby umieszczenia w obudowie możliwie dużej powierzchni filtracyjnej. Jednak w miarę wzrostu ilości medium filtracyjnego wzrasta również wartość traconego ciśnienia.
„Mamy tu ponownie typowe zadanie optymalizacyjne” – stwierdza szef zespołu symulacji. „Można zmieniać odstęp, długość i ilość fałd, pytanie tylko co jest najlepsze?”
Przy wykorzystaniu strategii ewolucji można dosyć precyzyjnie odpowiedzieć na to pytanie. Komputer tym razem po ok. stu wirtualnych generacjach doszedł do optimum: do o 60% zredukowanej wartości utraty ciśnienia przy wystarczającej powierzchni adsorbującej.


Od pięciu do dziesięciu połączonych komputerów
Jak szybko przebiegają takie obliczenia, zależy od obostrzeń w zakresie postawionych zadań. Opisana optymalizacja rury ssawnej czy adsorbera trwa z reguły nie dłużej niż kilka minut, o ile zadanie uda się zapisać w matematycznym równaniu. Przy bardziej kompleksowych problemach może jednak zdarzyć się, że rząd połączonych od pięciu do dziesięciu komputerów będzie pracował całą noc lub nawet kilka dni. Konstruktorzy MANN+HUMMEL mogą przy optymalizacji mechanicznych części odnosić korzyści również w zakresie symulacji biologicznego wzrostu. Designerzy produktów mogą wykorzystywać doświadczenia związane ze wzrostem drzew lub kości, aby produkować możliwie lekkie i przy tym trwałe technicznie części.
Dla przemysłu samochodowego i samolotowego ważnym problemem jest waga, ponieważ pozostaje ona w bezpośrednim związku ze zużyciem paliwa. Przy próbach projektowania lekkiej konstrukcji nośnej samolotów w konwencjonalny sposób, często napotyka się na pewne ograniczenia. Za pomocą symulacji komputerowej można szybko wyliczyć optimum z uwzględnieniem ograniczonej wagi, przy zachowaniu takiej samej wytrzymałości.

Nie tylko optymalnie, ale i ładnie
Metodę symulacji wykorzystali np. inżynierowie z BMW przy konstrukcji lekkich szprych w tylnym kole motocykla K1200.
„ Dla mnie jest to szczególnie fascynujące” – uważa dr Teschner, „ że struktury, które powstały według naturalnych strategii wzrostu, w większości przypadków mają również estetyczny wygląd”.

 ]2L[
Obok wzrostu kości inną możliwością ulepszania części jest optymalizacja kształtu. W tym wypadku zmianie podlega nie wewnętrzna struktura, ale zewnętrzna forma. Np. tygrysi pazur  podobny do logarytmicznej spirali ( spirala jednorodnie przebiegająca od wewnątrz na zewnątrz, np. skorupa ślimaka) posiada optymalnie obciążeniową formę, która również przy dużych obciążeniach nie pęka.


Przy technicznych częściach są z reguły obszary, które lokalnie podlegają wysokim obciążeniom, które muszą wytrzymać ekstremalnie wysokie napięcia.
„O ile uda się ulepszyć te obszary, o tyle uda się wyraźnie zwiększyć trwałość części” – mówi dr Teschner. Tak jak drzewo wzmacnia konary, tak w określonych miejscach należy wzmocnić część określoną ilością materiału.
Bionice udało się skopiować ten naturalny mechanizm adaptacji wzrostu i przenieść na dowolne części techniczne tak, ze komputer może określić miejsca wymagające wzmocnienia. MANN+HUMMEL stosuje już tę metodę komputerowo wspomaganej optymalizacji (CAO) właśnie w optymalizacji swoich produktów.

30 milionów zmian obciążeń – to żaden problem
Przykładem zastosowania tej metody jest ożebrowanie rury ssawnej. Przy przepisowej kontroli zmęczeniowej dopiero po 600.000 zmian obciążenia pojawiło się lekkie pęknięcie. Przy ograniczonych zmianach ożebrowania za pomocą metody CAO, wytrzymało ono ponad 30 milionów zmian obciążenia.


Również przy powstawaniu rury ssawnej do 3-litrowego Audi V6 w Ludwigsburgu, przy wykorzystaniu metody CAO usunięte zostały słabe punkty, a ciśnienie rozrywające (osiągnięcie jego górnych wartości powoduje pękanie węży, eksplozję szklanych opakowań i rozerwanie rur ssawnych oraz filtrów) zostało zoptymalizowane. Ograniczona szczelinowo zmiana geometrii zmniejszyła napięcia w części o 31%, a statystyczne ciśnienie rozrywające wzrosło o 70%.
„Dla wielu części istnieją optymalne formy, które można wyliczyć za pomocą strategii optymalizacji” – reasumuje ekspert w dziedzinie symulacji dr Teschner.

Komentarze

Brak komentarzy