Povezanost prirodne i umjetne tehnike

Povezanost prirodne i umjetne tehnike

(Slika 2b: Biomimetička rješenja mišića i tetiva: Elektroaktivni plastični mišić [10])

Mogućnosti korištenja ideja u prirodi za tehnička rješenja su ogromne. Zato je nužno budućim stručnjacima ukazati na širi pogled neiscrpnog spremnika rješenja u prirodi i dati im sposobnost da inovacije kreiraju na temelju već provjerenih rješenja

prof. dr. Gojko Nikolić

Gojko Nikolić

Priroda je ogromni »inženjerski ured«. Prepun je rješenja problema, koji osiguravaju optimalnu funkcionalnost. Sve se u prirodi odvija na funkcionalno optimalni način. Rješenja se stalno »ispituju« u smislu efikasnosti i optimalnosti. To ispitivanje provodi se od nastanka planeta Zemlja. Najbolja rješenja ostaju i dalje se razvijaju. Sva ostala nestaju.

Nikola Tesla smatrao je da se sve što nam treba postoji u prirodi, samo nju treba razumjeti, treba aktivirati mozak, svoje znanje, svoju domišljatost pa i intuiciju. Svaka ideja »primljena iz vanjskog svijeta« ima neku poruku koju valja odgonetnuti i razumjeti. Neke od njih su ga dovele do novih izuma. Uživao je u novim otkrićima i spoznaji da jedno otkriće povlači za sobom drugo: »Najljepše od svega je to što otkrićem jedne tajne u prirodi, otkrivate i ostale. One se ne kriju, tu su oko nas, ali mi smo slijepi i gluhi za njih. Ako se emotivno vežemo za njih, one nam same dolaze.«

Leonardo da Vinci je također osjećao veliko strahopoštovanje prema kreativnosti prirode. Želio je proniknuti u tajne prirode te je istraživao procese, zakonitosti i njeno funkcioniranje. Donosio je zaključke koje je neumorno crtao i zapisivao u svojim bilješkama.[1]

Tehnička rješenja nadahnuta prirodom

Kod projektiranja raznih tehničkih rješenja, bez obzira jesu li to građevine, mehanički ili električki uređaji, senzori, roboti i sl. uređaji, tekstilni i drugi materijali, u prirodi se mogu naći uzori ili ideje za njihovo rješavanje. Za takva tehnička rješenja, inspirirana onima u prirodi, skovana je riječ Bionika kao kovanica dviju riječi: BIOlogija i tehNIKA. Osmislio ju je Jack E. Steele u kolovozu 1958. godine. Na savjetovanju Analiza i procjena budućih tehnika (VDI) 1993. uvedena je njena sljedeća definicija: »Bionika kao znanstvena disciplina bavi se tehničkom pretvorbom i primjenom načela konstruiranja, postupaka i razvoja bioloških sustava.« [2]

Značenje pojma bionike nije jednoznačan. Već je navedeno kako ga smatra tehnička struka. Medicinska struka pod bionikom podrazumijeva zamjenu ili poboljšanje organa ili drugih dijelova tijela mehaničkim rješenjima. Koriste implantate koji se razlikuju se od proteza ali dobro imitiraju izvornu funkciju ili je čak nadmašuju. [3] Već ranije je osmišljen izraz kiborg za osobu s tehničkim nadomjescima (protezama), ali on ne bi bio prikladan za osobe s većim brojem implantata.

Stručnjaci, koji se bave materijalima, predlažu umjesto bionike druge slične specifične nazive biomimetika, biognoza, biomimikrija ili bionička kreativna tehnika. Preferiraju se nazivi biomimetika i biomimikrija, da bi se izbjegla pomutnja s nazivom bionika u medicini. [4]

Područja koja pronalaze inspiraciju u prirodi su: tvarna ili materijska bionika, bionička protetika, bionička robotika (bioroboti), energijska bionika, građevinska bionika, senzorska bionika (biosenzorika), bionička kinematika i dinamika (biomehatronika), neurobionika (bioinformatika), evolucijska bionika, procesna bionika i organizacijska bionika.

Tehničko rješenje nije kopija prirodnog rješenja, ono je samo njime inspirirano. Radi prepoznatljivosti pojedinih područja bioničkih tehničkih rješenja često se koriste i posebni izvedeni nazivi poput onih navedenih u zagradama. Svi su ovi nazivi vezani za tehnička područja.

Efekt lotosa

Postoje mnogobrojna rješenja, a kao ilustracija navesti će se samo nekoliko primjera. U području tvarne bionike, odnosno tvari, materijala ili proizvoda načinjenih prema uzorima iz prirode, su i neki koji se svakodnevno koriste poput čičak trake (slika 1). Među tehničke materijale inspirirane u prirodi efektom lotosovog lista su posebni tekstilni materijali i razni premazi koji štiti drvo od vlage i prodornih nečistoća. Efekt lotosa nije biološki već fizikalno-kemijski iskazan kutom dodira vode (kapi kišnice) s materijalom. Voda se skuplja u kuglice, površina ostaje suha, a one sa sobom odnose nečistoće te je ostvaren i efekt čišćenja. [3, 5]

Načinjeni su materijali po uzoru na kožu morskog psa koji omogućuju manje otpore strujanju fluida (zraka, tekućina), što se koriste u avioindustriji ili za kupaće kostime naziva Fastskin (Speedo). [6]

Slika 1. Ideja prirodnih kukica za učvršćenje, a) Biljka čičak, b) Tehničko rješenje [7], c) Čičak traka

U području robotike kretanje humanoidnih robota sve se više približava onom biološkom. Umjesto mehaničkih pogona, s polugama, zupčanicima i motorima, koriste se »pneumatski (fluidički) mišići«, a kostur izrađuje od lakih metala ili određene vrste plastike (poput poliamida PA) postupcima aditivne proizvodnje, popularnog 3D tiska (slika 2a). Ti »mišići« su gumene cijevi opletene metalnom mrežicom koja se pod pritiskom stlačenog zraka širi i na taj način skraćuje poput rada mišića. [8]

Slika 2b: Biomimetička rješenja mišića i tetiva: S pneumatskim (fluidičkim) mišićima [9]

Sintetski mišić izuzetnih sposobnosti

Razvijaju se »mišići« od elektroaktivnih polimera (EAP) (slika 2b). Na sveučilištu Columbia razvijen je sintetički mišić koji može podići tisuću puta vlastitu težinu, ostvariti guranje, povlačenje, savijanje i uvijanje. Mišić je 3D tiskana smjesa matrice silikonskog kaučuka s etanolom raspodijeljenim u mikro-mjehurićima. Ne zahtijeva kompresor ili visokonaponsku električnu opremu za rad. Mišić se električki pomiče pomoću tanke otporničke žice i s malim naponom (svega 8 V). [10]

Kod minijaturnih letećih robota ideja stabilnog letenja preuzeta je od vretenca (vilin konjic) koji ima 4 krila, a kretanje po tlu od kukaca sa šest nogu tzv. pravilom trokuta. To pravilo traži da su uvijek naizmjenično tri noge na tlu, a tri u zraku. Isto tako minijaturni roboti koji se mogu penjati po glatkim plohama imaju tanka polimerna vlakna poput guštera gekona. [11] Na istom načelu izrađena su i medicinska ljepila. Uređaji koji koriste ultrazvuk poput sonara, u medicini za snimanja, oponašaju eholokaciju životinja. [3]

Temeljem funkcioniranja prirodnog bubrega izrađen je umjetni bubreg, jednako tako i umjetno srce, pejsmejker, pužnica u uhu i mnogo drugih tehničkih rješenja inspiriranih prirodom. Ovo je samo vrlo mali broj navedenih primjera koji su do sada realizirani.

Sve više se počinju koristiti kombinacije tehničkih elemenata s biološkim organizmima ili njihovim dijelovima te se stvaraju hibridni bioroboti. To se najviše odnosi na razne vrste bakterija (bakterioboti). [12] Probe se rade s biološkim receptorima kao senzorima za robote. Primjer je korištenje uha skakavca kao senzora zvuka za minijaturne robote.

Misaono upravljanje protezama

Proteze ne samo da u pokretima imitiraju živi organ kojeg zamjenjuju, već je njihovo upravljanje izravno povezano sa signalima završetaka živaca. Moguće je s protezama upravljati izravno i mislima (moždanim valovima) poput nedavno razvijenog implantanta N1.

Ogroman je broj drugih tehničkih rješenja inspiriranih prirodom poput mrežaste strukture kostiju kojom je zadržana čvrstoća, a smanjena težina. Rabe se konstrukcija ploha poput pčelinjeg saća. Istražuju se način funkcioniranja sustava kolektivne inteligencije jata koja bi se primijenila kod masovnog korištenja minijaturnih robota.

Daljnja su istraživanja odvijaju na razini atoma i molekula. Proučavaju se raznovrsni mehanizmi kretanja proteinskog motora kinesina i transportiranje bjelančevina, pretvorba kemijske energije u mehanički rad, funkcioniranje kemijskih receptora i niz drugih bioloških rješenja koji mogu dati ideju za tehnička rješenja. Interesantna su izuzetna svojstva prirodnih materijala kao i njihovo stvaranje uz visoku iskoristivost uložene energije, bez zagađivanja okoline. [6]

Bionika – temelj tehnike sutrašnjosti

Na mnogim fakultetima u svijetu izučava se Bionika kao poseban kolegij. Postoje i usmjerenja s kojima se stječe diploma stupnja magistra inženjera bionike i robotike, te inženjera bionike ili inženjera info-bionike. Ne ulazeći u njihove stečene kompetencije, indikativno je da su ovim nazivima željeli istaknuti značaj bionike u osposobljenosti i pristupu u njihovom budućem radu i djelovanju.

Kod nas se izučava kolegij bioinformatike koji predstavlja kombinaciju računalne znanosti, informatike i genetike u svrhu determiniranja i analize genetičkih informacija. Ona je integracija matematičkih, statističkih i računalnih metoda u cilju analize molekularno–bioloških, biokemijskih i biofizičkih podataka. [13]

Bionika integrira u jedinstveni sustav tri čimbenika: čovjek, okoliš i tehnika. Uvođenje bioničkog znanja može utjecati na promjenu odnosa ljudi prema prirodi i osigurati strategiju preživljavanja čovječanstva. [14] Često se ističe da je bionika temelj tehnike sutrašnjosti.

Mogućnosti korištenja ideja u prirodi za tehnička rješenja su ogromne, a tek su se počela koristiti. Zato je nužno, osim obrazovanja iz struke, budućim stručnjacima, inženjerima ukazati na širi pogled neiscrpnog spremnika rješenja u prirodi i time im dati sposobnost šireg pristupa kreacijama i inovacijama temeljenih na tim već provjerenim prirodnim rješenjima. To ukazuje na potrebu da se na tehničkim fakultetima predaju kolegiji koji proučavaju primjere rješenja u prirodi interesantna za tehničko područje osnovne struke. Taj se kolegij ne smije pretvoriti u kolegij opće biologije.


*Reference:

[1] Nikolić G.: Sličnost genija i vizionara Leonarda da Vincija i Nikole Tesle, Simpozij Povijest tehnike i filozofije, Simpozij Povijest tehnike i filozofije, Zagreb, 2020. dostupno na http://www.hro-cigre.hr/CMS/content/1/2393/06_Nikolic_Slicnost%20genija%20i%20vizionara%20Leonarda%20da%20Vincija%20i%20Nikole%20Tesle.pdf

[2] Španiček Đ.: Bionika – granično područje biologije i tehnike, priredila prema W. Nachtigalla: Bionik – ein Grenzgebiet zwischen Biologie und Technik, Polimeri 4 (1983.).

[3] Bionics, Wikipedia, dostupno na https://en.wikipedia.org/wiki/Bionics, objavljeno 24.12.2020.

[4] Čatić I.: Prirodna tehnika uzor je umjetnoj, čovjekovoj tehnici, Polimeri 29 (2008) 3 Stajalište, 175-177

[5] Kako se postiže efekt lotosa?, dostupno na https://nanotime.com.hr/web_pages.php?r=7, pristup 31.3.2021.

[6] Žmak I., Filetin T., Ivanković H.: Biomimetički materijali i proizvodi, Suvremeni materijali i postupci, Hrvatsko društvo za materijale i tribologiju – HDMT, siječanj 2005., 141-166.

[7] Čičak traka. Izumi koji su nam olakšali život, dostupno na https://klubwife.ru/hr/relationship/lenta-lipuchka-velcro-izobreteniya-oblegchivshie-nashu-zhizn-lenta-lipuchka/, pristup 31.3.2021.

[8] Nikolić G.: Razvoj kretanja robota, Polytehnic&Design, Vol. 7, No. 3, 2019, 206 -210.

[9] Andrikopoulos G., Nikolakopoulos G.: Humanoid Robotic Leg via pneumatic muscle actuators: implementation and control, dostupno na https://link.springer.com/article/10.1007/s11012-017-0738-6, objavljeno12.8.2018.

[10] Evarts H.: One Step Closer to Lifelike Robots, dostupno na https://www.engineering.columbia.edu/one-step-closer-lifelike-robots, objavljeno 19.9.2017.

[11] Nikolić G., Alić-Kostešić V.: Minijaturni roboti, udžbenik, u postupku odobravanja (2021.)

[12] Nikolić G.: Biološki nanoroboti, ZG-magazin, Znanost, dostupno na https://zg-magazin.com.hr/bioloski-nanoroboti/, objavljeno 21.1.2021.

[13] Bioinformatika, Wikipedia, dostupno na https://bs.wikipedia.org/wiki/Bioinformatika, objavljeno 29.2.2020.

[14] Nachtigall W.: BIONIK – was ist das? Laufener Seminarbeitr. 2/02, Bayer. Akad.f. Naturschutz u. Landschaftspflege – Laufen/Salzach 2002., 91-97.

Komentiraj

*