Bionik w przyrodzie widzi swego mistrza

O tym czym jest bionika, jakie ma osiągnięcia oraz jak wygląda jej sytuacja w Polsce rozmawiamy ze specjalistą w tej dziedzinie, profesorem Andrzejem Samkiem z Akademii Górniczo-Hutniczej.

Źródło:

http://www.teberia.pl/bionik-w-przyrodzie-widzi-swego-mistrza/

Bionika nie jest zwykłym naśladowaniem przyrody. To raczej twórcza inspiracja jej rozwiązaniami. Z osiągnięciami bioniki spotykamy się na każdym kroku, począwszy od zapinania rzepa w naszej kurtce, lecąc samolotem, zwiedzając najwyższe drapacze chmur, czy drżąc przed szczerzącym do nas zęby na ekranie dinozaurem z Jurajskiego Parku.

Bionik nie zachwyca się pięknem przyrody, lecz patrzy na nią instrumentalnie?

Bionika pokazuje obszar przyrody ożywionej jako zbiór niezwykle doskonałych systemów biologicznych, które można rozpatrywać jako systemy techniczne. Na przykład owada można analizować jako mobilnego robota. Bionik patrzy na przyrodę jako na źródło nieprzeliczalnego zbioru różnorodnych rozwiązań.

Jeśli chodzi o samą nazwę, bionika jest stosunkowo młodą nauką, ma raptem nieco ponad 50 lat.

Jeśli chodzi o samą nazwę to owszem, jest to młoda nauka. Ma ona jednak dwa rodowody. Pierwszy, opierający się na obserwacji i naśladowaniu przyrody sięga właściwie momentu, w którym człowiek wziął do ręki kamień i użył go jako narzędzia. W historii ludzkości pasjonatów naśladujących przyrodę było wielu. Najbardziej znany jest oczywiście Leonardo da Vinci, ale byli też inni, jak Matthew Baker, George Cayley, James Bell Pettigrew, Clement Ader, czy Ignaz i Igo Etrich. Ci ostatni zbudowali w 1910 roku samolot Etrich-Taube, oparty na sylwetce gołębia, bardzo popularny w początkach I Wojny Światowej.

Druga ścieżka bioniki została zapoczątkowana w latach 50.-60. w USA. Rozpoczęto wówczas badania nad wykorzystaniem właściwości systemów biologicznych przetwarzających sygnały i informację. I tak to się zaczęło. Wówczas wprowadzono dla nowej dziedziny nazwę bionika. Używana jest czasem nazwa biomimetyka, ale biomimetyka to naśladowanie, a tu zupełnie nie chodzi o naśladownictwo. Bionika jest poszukiwaniem w przyrodzie wzorca, znajdowanie zasady działania, czyli funkcji organizmu i transformowanie jej na rozwiązanie techniczne.

Jakie osiągnięcia bioniczne należą do tych najbardziej przełomowych?

Chociażby zmiana kształtu i właściwości okrętów podwodnych. Zmiana kształtu wzorowana na ssakach morskich, spowodowała przyrost prędkości z 7-14 węzłów na 35. Innym wzorcem było zachowanie się ryb morskich o wysokiej sprawności hydrodynamicznej, np. tuńczyka. Wzorując się na nich, jednostki podwodne stały się bardziej sprawne, i mobilne.

Bionika ma duże osiągnięcia w dziedzinie zastosowania nowych materiałów. Należy pamiętać, że w przyrodzie nie ma metali krystalicznych, z których my budujemy większość maszyn i urządzeń. Przyroda stosuje materiały przekładkowe, materiały warstwowe i materiały z wypełniaczami. Właściwości pajęczyny pod względem mechanicznym wielokrotnie przewyższają właściwości stali. Ogromna odporność pajęczyny na uderzenia spowodowała, że są stosowane kamizelki kuloodporne wzmacniane włóknami ze sztucznej pajęczyny. Nowym odkryciem są materiały przekładkowe, z wkładkami z metali. Takie rozwiązanie występuje w muszlach pewnych morskich mięczaków głębinowych. Może być to inspiracją do zbudowania materiałów doskonale tłumiących energię uderzenia.

Innym przykładem może być rozwój mikro robotów latających. Dotychczasowe osiągnięcia bazowały zwykle na aerodynamice profilu skrzydła stałego, co nie dawało zadawalających rezultatów przy tych rozmiarach. Natomiast odkrycia, które doprowadziły do poznania zasady lotu owadów, były przełomowe. Owady z punktu widzenia klasycznej aerodynamiki nie mają prawa latać. Ani kształt nie jest odpowiedni, duża masa, słabe skrzydło – to nie powinno unieść się w powietrze. A tymczasem latają lepiej niż nasze konstrukcje. Jest to spowodowane wykorzystaniem zupełnie innej metody latania, wykorzystującej turbulencję. I na tej zasadzie zaczyna się w tej chwili budować mini roboty latające, które nie przekraczają 30 mm, a większe, bardziej sprawne mają od 20-30 cm. To jest nowszy kierunek, który niedawno się pojawił.

Nie ma też co ukrywać, że głównym motorem napędowym odkryć tego rodzaju są prace związane z obronnością. Ogromne programy wojskowe realizujące projekty badawcze z dziedziny bioniki posiadają zasoby liczące się w dziesiątkach milionów dolarów. My do tych programów może kiedyś dotrzemy jako pomocnicy-specjaliści.

Bionika jest nauką interdyscyplinarną, konieczna jest współpraca naukowców z różnych dziedzin. Jak się to sprawdza w praktyce?

Współpraca jest koniecznym warunkiem zwłaszcza przy projektowaniu złożonych konstrukcji. Im bardziej złożony jest obiekt, tym więcej musi przy nim twórczo pracować inżynierów z różnych specjalności. Dużą rolę zaczynają również odgrywać przyrodnicy. Oni mogą podsunąć zespół wzorców, który inżynier może następnie zbadać i wykorzystać. Mogą też pomóc w przeprowadzeniu badań i analiz przyrodniczych. W ten sposób nawiązuje się współpraca między inżynierami, a przyrodnikami, której wcześniej nie było. W całkiem niedawnej przeszłości dyscypliny te były ściśle zamknięte. Przyrodnicy, to przyrodnicy, inżynierowie to inżynierowie, nie można było w zasadzie wymieniać informacji. To właśnie bionika sprawiła, że te dziedziny otworzyły się wzajemnie. Ona jest tym ogniwem które wszystko łączy i wykorzystuje badania zoologów, botaników, paleontologów dla celów technicznych.

Jakie mamy ostatnie, interesujące osiągniecia, które wynikły z tej współpracy?

Chociażby kwestia łusek rekina. Przyrodnicy długo zastanawiali się, dlaczego ta ryba tak dobrze pływa? Okazuje się, że łuski rekina mają właściwości tłumiące turbulencję i powodują lepszy przepływ dookoła ciała zwierzęcia. W związku z tym odkryciem inżynierowie zastanawiają się nad osłoną, wzorowaną na łuskach rekina którą można by pokrywać kadłuby samolotów. Na razie jest wielki sprzeciw, no bo jak umieścić napisy, kadłub już nie będzie taki piękny i błyszczący. W każdym razie pracy nad tą koncepcją trwają.

Znaną inspiracją zaczerpniętą z natury jest liść lotosu. Otóż liść lotosu ma tak ukształtowaną powierzchnię, że spadająca kropla wody nie rozpływa się, lecz zachowuje kulisty kształt. Staczając się, usuwa zanieczyszczenia jakie występują na powierzchni liścia. Na tej podstawie stworzono już samoczyszczące farby, które mogą służyć do pokrycia ścian budynków. Dzięki swoim właściwościom farba taka zapobiega rozprzestrzenianiu się glonów. Teraz często na świeżo otynkowanym bloku od południa mamy piękny różowy kolor, a od północy zielony. Dzięki nowym pokryciom możemy się przed tym zabezpieczyć.

Bionika jednak to nie tylko wielkie i odległe wynalazki, ale także osiągnięcia, które ułatwiają nam życie na co dzień.

Oczywiście, najpopularniejszym osiągnięciem tego typu jest rzep, który zresztą nie było tak łatwo stworzyć. Do tego my stosujemy tylko jeden rodzaj rzepu, natomiast przyroda dysponuje niezliczoną ilością rozwiązań zaczepów haczykowych, począwszy od zaczepów które łączącą parę skrzydeł motyla, a skończywszy na wyrafinowanych systemach zabezpieczających połączenie odwłoków kopulujących owadów.

Osiągnięcia bioniki mogą być prostym zastosowaniem jednego rozwiązania jak właśnie rzep, ale też mogą to być złożone konstrukcje, oparte na koncepcji zaczerpniętej od przyrody. Na przykład jest już dostępny w sprzedaży pojazd pływający, wzorowany na delfinie. Jest dwuosobowy, pływa na i pod wodą, może wyskoczyć z wody i obrócić się o 180 stopni. Kosztuje około 75 tys. dolarów.

Bionika jest też popularna w architekturze?

Architekci w dziedzinie zastosowań bioniki mają ogromne osiągnięcia. Na przykład super wieżowce sięgające do wysokości jednego kilometra są wzorowane na strukturach drzewa, sekwoi i cedru. Architektura nawet w większym stopniu niż budowa maszyn wykorzystuje przyrodę do tworzenia nowatorskich koncepcji budynków.

I w medycynie.

Oczywiście w medycynie też, można powiedzieć, że bioinżynieria medyczna rozwinęła się gwałtownie w wyniku powstania bioniki. O ile bionika ma charakter bardziej ogólny, zajmuje się w ogóle światem organizmów żywych, to inżynieria medyczna stosuje rozwiązania techniczne do człowieka. Mamy tu protezy, implanty, zastawki, wiele inteligentnych, automatycznie działających urządzeń.

Jest jeszcze jedna dziedzina bioniczna, o której niewiele się mówi, a ona również wpisuje się w to, czym się zajmujemy. Mowa tu o animatronice, dziedzinie której efektem jest to, że trzęsiemy się ze strachu gdy nam Spielberg pokazuje dinozaury. Jest to wynik animacji, która powstaje we współpracy z przyrodnikami. Musimy przecież znać szkielet, układ mięśniowy, a także sposób poruszania się i zachowanie zwierzęcia które chcemy pokazać. Na tej podstawie buduje się model rzeczywisty albo wirtualny. To ma także szerszy, edukacyjny aspekt. Można bowiem odtwarzać zagrożone lub wymarłe gatunki dla celów dydaktycznych. Na przykład japońska firma Mitsubishi wprowadziła na rynek ruchomy model latimerii, ryby, będącej żywą skamienieliną. Dzięki czemu uczniowie mogą zobaczyć latimerię, której bardzo niewielka populacja (zaledwie kilkaset osobników) żyje w pobliżu Komorów. Jest to niewątpliwie ciekawa koncepcja, dzięki której w przyszłości będziemy mogli dużo łatwiej zapoznać społeczeństwo z gatunkami, które już wyginęły lub są zagrożone.

W jaki sposób dochodzi się do konkretnych rozwiązań technicznych w bionice? Zaczynamy od obserwacji przyrody, czy od tworzenia koncepcji danego urządzenia, a w przyrodzie szukamy odpowiedzi na konkretne pytania?

Obie drogi są stosowane. Można najpierw zapoznać się z danym osiągnięciem przyrodniczym, a potem zastanowić się czy można tę wiedzę jakoś wykorzystać w technice. Można też wyjść od konkretnego problemu technicznego. Na przykład chcemy zaprojektować specjalny chwytak robota. Szukamy wówczas w przyrodzie odpowiedniego wzorca w postaci spełniających żądaną funkcje kończyn chwytnych. Wtedy przyrodnicy przychodzą z pomocą, pokazując działanie łap gekona czy kameleona.

Bionika w Polsce wciąż brzmi dosyć tajemniczo. Jak wygląda jej sytuacja w naszym kraju?

Nie wesoło. Przez wiele lat byłem w pewnym sensie samotnym wilkiem, który zajmował się bioniką. Wszyscy porządni konstruktorzy słysząc o tym czym się interesuję, kiwali głową z politowaniem – zwariował, przyrodą się zajmuje, zamiast projektować porządną maszynę! Ale teraz ta sytuacja na szczęście się zmienia, postęp techniczny na świecie jest ogromny, w dużej mierze zawdzięcza on swoje osiągnięcia właśnie rozwiązaniom występującym w przyrodzie. Nie sugeruję oczywiście, że w przyszłości wszystkie rozwiązania będą oparte na przyrodzie, ale jest to dodatkowe źródło, niezwykle bogate i inspirujące dla twórczej działalności inżynierskiej.

Na obecnym etapie i stanie wiedzy o bionice w Polsce, podstawowe znaczenie ma działalność dydaktyczna. Wprowadzenie tego przedmiotu na uczelnie ma na celu poszerzenie wiedzy o przyrodzie i zmianę postawy młodego inżyniera z biernej na aktywną. Dotychczasowe formy studiów dają małe pole popisu dla samodzielnej twórczości studentów, a młodzi ludzie są pełni zapału, są bardzo chętni tylko mało się robi aby ułatwić im realizację ich twórczych aspiracji.

Jak wyglądają studia bioniczne?

Studia mają trzy zadania, po pierwsze poszerzenie ogólnej wiedzy przyrodniczej, niezbędnej do takiej działalności. Po drugie, mają nauczyć nowego spojrzenia na przyrodę jako źródło rozwiązań technicznych. Po trzecie, stwarza się możliwość samodzielnej realizacji koncepcji technicznej, będącej wynikiem studiów bionicznych. W efekcie powstają bardzo ciekawe rozwiązania. Oczywiście zdajemy sobie sprawę, że prace dyplomowe bardzo rzadko kończą się jakimś szerszym rozwiązaniem przemysłowym. Do tego daleka droga. Ale sama przygoda, budowa rzeczywistego modelu daje studentom ogromną satysfakcję sprawdzenie się jako inżyniera. Jak już mówiłem, to jest dominująca roli bioniki, aktywizować twórczą postawę inżynierską. A przecież my właśnie takich właśnie inżynierów potrzebujemy, zwykłych wykonawców mamy aż za dużo.

Zajęcia z przedmiotu Bionika na Akademii Górniczo-Hutniczej realizujemy w sposób nietypowy. Każdy student na wstępie dostaje ulotkę, w której podana jest szczegółowa tematyka zajęć, a także wyjaśnienie czym jest bionika i jaki jest cel tego przedmiotu. Nie jesteśmy zamknięci także co do literatury. Po omówieniu określonego tematu przekazujemy studentom spis poszerzających go lektur. Same studia zależnie od kierunku składają się z 15-30 godzin wykładów, oraz 30 godzin laboratorium. Laboratorium obejmuje zarówno pokazy makro i mikroskopowe, jak i wspomagane komputerowo projektowanie konstrukcji. Omawiane są rozwiązania jakie istnieją w naturze, dotyczące pływania, kroczenia czy pełzania organizmów. Następnie studenci opracowują własny pomysł w postaci projektu koncepcyjnego, który jest podstawą zaliczenia. Zainspirowanie studentów do samodzielnej pracy jest podstawowym celem.

Czy młodzi inżynierowie, chcący zajmować się bioniką muszą mieć jakieś specjalne predyspozycje?

Trzeba mieć otwartą głowę i nie obojętnym na przyrodę. Są tylko te dwa wymagania.

Nie ma możliwości stworzenia kierunku studiów bionika?

Kierunek to za daleko, ale już w tej chwili jest to przedmiot na kilku wydziałach w Polsce. Na AGH bionika jest przedmiotem obowiązkowym na kierunku Automatyka i Robotyka i Inżynieria Medyczna. Nie ma zresztą w Polsce zbyt wielu ośrodków badawczych zajmujących się bioniką. Poza Krakowem, wykłady prowadzone są też we Wrocławiu, Warszawie i Poznaniu.

Jakie mamy polskie sukcesy w badaniach bionicznych?

Ja bym powiedział… porażki. Przykładowo, absolwent Politechniki Krakowskiej zaprojektował w współpracy ze mną pojazd pływający. Minęło prawie 10 lat i nikt poważnie się tym nie zainteresował. Podobnie CyberRyba, którą wykonali studenci Politechniki, pozostała na etapie modelu. Nie dziwię się temu, bo każda inwestycja, obciążona ryzykiem, jest trudna do podjęcia dla przedsiębiorcy, który nie ma dużego zasobu kapitałowego. Jeżeli rowery pedałowe pływają po wszystkich jeziorach, to nikt nie będzie zmieniał tego roweru na pływający na innej zasadzie pojazd, inwestując w to duże pieniądze. Owszem, wojsko jest zainteresowane tym pojazdem, ponieważ ma on interesujące właściwości, ale samo zainteresowanie to za mało. W zasadzie nie ma więc sponsorów, których celem byłby niekonwencjonalny rozwój nowych, innowacyjnych rozwiązań konstrukcyjnych. Tego w Polsce bardzo brakuje.

Nie mamy chyba jednak wyjścia, jeżeli chcemy być konkurencyjni na rynku, musimy chociaż próbować dogonić resztę świata, także w bionice?

To prawdopodobnie daleka przyszłość, którą zrealizuje nowa generacja inżynierów, którzy będą sugerować rozwiązania bioniczne. Dopiero ta generacja zmusi przemysł do nowoczesności.

Czy już teraz dzieje się coś w Polsce, co pomoże tę przyszłość zrealizować?

Cały czas działamy w tym kierunku. Obecnie jest pomysł aby tych kilkunastu ludzi, którzy zajmują się bioniką w kraju, spotkało się i ustaliło dalszy wspólny program działań. Kończymy także grant, którego celem jest program przedmiotu Bionika w szkolnictwie wyższym. Nauczyciel akademicki dostanie w ten sposób komplet materiałów, które umożliwią mu prowadzenie przedmiotu, na uczelni, może także w kooperacji z przyrodnikami.

Zupełnie na innym etapie przebiegają te działania u naszych zachodnich sąsiadów. Funkcjonują tam zarówno specjalności, jak i wydziały, które kształcą inżynierów bioników. Co więcej, w Niemczech pojawił się pomysł aby inaczej niż dotąd prowadzić zajęcia z nauk przyrodniczych w szkołach średnich. Nie tylko w ujęciu systematycznym, lecz z uwzględnieniem możliwości zastosowań technicznych. Pionierem w tej dziedzinie jest znany botanik prof. Claus Mattheck, autor kilku książek dla młodzieży opisujących podstawowe zjawiska mechaniki na przykładzie budowy drzewa Już dzieci można więc nauczyć inżynierskiego spojrzenia na rozwiązania występujące w przyrodzie.

Daleko nam więc do Niemiec, gdzie działa ponad 20 ośrodków, w których uczy się bioniki. Nie mówiąc już o Francji, Anglii i USA. U nas jednak też nareszcie pojawiły się szanse na rozwój bioniki, przede wszystkim została bowiem przełamana bariera obojętności środowisk naukowych i inżynierskich.

Obojętności? Czyżby dokonania bioniki nie były dla nich ewidentne?

Jeśli ktoś przez wiele lat siedzi w biurze projektowym i zajmuje się tylko tradycyjną metodą projektowania, to niechętnie słucha o czymkolwiek innym. Staramy się jednak przełamać ten opór, przede wszystkim wśród młodych inżynierów. W nich jest przyszłość i nadzieja rozwoju bioniki w Polsce.

Rozmawiała: Aneta Żukowska

–—–

Prof. dr hab. inż. Andrzej Samek (ur. 1924 w Krakowie) w latach 1945-50 studiował na Wydziałach Politechnicznych Akademii Górniczo-Hutniczej uzyskując dyplom inżyniera mechanika oraz stopień magistra inżyniera nauk technicznych. Działalność naukową rozpoczął w 1956 r., przyjęty na stanowisko starszego asystenta w b. Katedrze Obrabiarek Politechniki Krakowskiej, w 1967 roku uzyskał stopień doktora habilitowanego z zakresu technologii maszyn. W 1983 r. otrzymał tytuł profesora nadzwyczajnego i rozpoczął kolejny etap swej działalności naukowo-dydaktycznej. W 1987 r. przyczynił się do utworzenia nowego kierunku studiów „automatyka i robotyka” na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej. W 1991 r. został powołany na stanowisko profesora zwyczajnego. Obecnie prof. Andrzej Samek pracuje na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii Górniczo-Hutniczej, prowadzi dla studentów zajęcia z bioniki.

Jest autorem szeregu artykułów i monografii na temat bioniki oraz pierwszego w Polsce akademickiego podręcznika z tej dziedziny nauki – „Bionika nauki przyrodnicze dla inżynierów”. Pod kierownictwem profesora powstał opatentowany projekt robota przemieszczającego się wewnątrz rur.

Skomentuj

Please log in using one of these methods to post your comment:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s