Αποτελεί ο παραδοσιακός μηχανικός σχεδιασμός το σωστό τρόπο με τον οποίο μπορούμε να διαχειριστούμε τον κόσμο μας? Understand article

Μετάφραση Αλίκη Ροντογιάννη (Aliki Rontoyianni). Είμαστε σχετικά πρόσφατα αφιχθέντες στη Γη και σίγουρα έχουμε ακόμηπολλά να μάθουμε. Ο Julian Vincent από το Πανεπιστήμιο του…

Πιγκουίνος Gentoo
(Pygoscelis papua)

Η εικόνα αναδημοσιεύεται με
την άδεια του Pismire; πηγή
Wikimedia Commons

Ο μηχανικός σχεδιασμός αποτελεί αναμφισβήτητα ένα μεγάλο ανθρώπινο επίτευγμα. Όπως όμως όλες οι υψηλού επιπέδου ανθρώπινες δραστηριότητες, εμπεριέχει σοβαρούς κινδύνους. Αυτό κυρίως οφείλεται όχι στο ότι δεν είμαστε τόσο ικανοί, αλλά στο ότι δύσκολα αντιλαμβανόμαστε ότι υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις. Μια πρόσφατη μελέτη (Vincent et al., 2006), η οποία συγκρίνει τον μηχανικό με το φυσικό σχεδιασμό ως συστήματα επίλυσης προβλημάτων, έδειξε ότι αν και διαθέτουμε τα εργαλεία για μια βιώσιμη ανάπτυξη, δε τα χρησιμοποιούμε με το σωστό τρόπο. Αυτό δε σημαίνει ότι πρέπει να επιστρέψουμε σε αναχρονιστικές πρακτικές, αλλά ότι πρέπει να επαναξιολογήσουμε τις τρέχουσες τεχνικές.

Ο μηχανικός σχεδιασμός αποτελεί κομμάτι της ανθρώπινης συμπεριφοράς. Μας διευκολύνει να επιβιώνουμε, κυρίως κάτω από αντίξοες συνθήκες όπως οι ακραίες θερμοκρασίες. Τα ζώα και τα φυτά μπορούν να επιβιώνουν κάτω από δύσκολες συνθήκες επειδή έχουν δυνατότητα προσαρμογής. Για παράδειγμα, τα πούπουλα του πιγκουΐνου gentoo (Pygoscelis papua) προσφέρουν θερμοκρασιακή σταθερότητα ακόμη και για διαφορά θερμοκρασίας 60οC (Dawson et al., 1999). Ο πιγκουΐνος έχει θερμοκρασία σώματος 38οC και μπορεί να επιβιώσει σε θερμοκρασίες μεταξύ -30 και -60°C. Η κατσαρίδα της ερήμου (Arenivaga investigata) μπορεί να συλλέξει νερό από τον προφανώς ξηρό αέρα (O’Donnell, 1982).

Παρ’ όλα αυτά, τα διάφορα είδη ζώων και φυτών, έχοντας περιορισμένες ικανότητες προσαρμογής, ζουν σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα, ενώ ο άνθρωπος μπορεί να ζει σε ποικίλες συνθήκες χρησιμοποιώντας μια μεγάλη ποικιλία μηχανισμών επιβίωσης. Έτσι πρακτικά ο άνθρωπος δε περιορίζεται και ως εκ τούτου κατοικεί σε όλα τα μήκη και τα πλάτη της γης. Όμως οι ειδικές κατασκευές που απαιτούνται για προστασία και μόνωση των σπιτιών, όπως η θέρμανση, ο κλιματισμός, η στεγανοποίηση είναι ενεργοβόρες και ευθύνονται για τη μισή περίπου ενεργειακή μας κατανάλωση.

Τα αγκίστρια στις κεφαλές
του σπόρου του burdock

Η εικόνα αναδημοσιεύεται με
την άδεια του Pethan; πηγή:
Wikimedia Commons

Κάποιοι από τους μηχανισμούς αυτούς έχουν αντιγραφεί από τη φύση και αποτελούν αντικείμενο της βιομημιτικής (η οποία αναφέρεται επίσης ως βιομίμηση, βιονική ή βιο-εμπνεόμενος σχεδιασμός) . Το γνωστό υλικό Velcro αποτελεί αρχέτυπο. Πηγή έμπνευσης για το Velcro αποτέλεσε ένα είδος αγκαθιού (burdock, Arctium minus) του οποίου οι σπόροι είναι εφοδιασμένοι με «αγκίστρια» προκειμένου να προσκολλώνται στα ζώα ή σε ρούχα και έτσι να διασπείρονται εύκολα (βλέπε τις σχετικές εικόνες). Παρατηρώντας τα φύλα του λωτού (Nelumbo nucifera), στα οποία δε μπορεί να προσκολληθεί κανένα υλικό που έχει ως βάση το νερό και τα οποία μπορούν να καθαρισθούν απλά ρίχνοντας πάνω τους νερό, έχουμε ένα ακραίο παράδειγμα υδροφοβικότητας (βλέπε εικόνα; Barthlott & Neinhuis, 1997).

Άλλο παράδειγμα είναι οι μη κολλώδεις συγκολλητικές τρίχες στην επιφάνεια του ποδιού ενός είδους σαύρας gecko (για παράδειγμα Hemidactylusgarnotii) χάρη στις οποίες μπορεί να αναρριχηθεί σε κατακόρυφους τοίχους (Autumn et al., 2001). Οι δικές μας συγκολλητικές ταινίες, χάνουν κάποια στιγμή την αποτελεσματικότητά τους λόγω της συσσώρευσης σκόνης, ενώ τα πόδια του gecko έχουν την ιδιότητα να αυτοκαθαρίζονται (Hansen & Autumn, 2005). Τα δένδρα τα οποία διαμορφώνουν το σχήμα τους ώστε να ελαχιστοποιούν τα αδύνατα σημεία τους, αποτελούν πηγή έμπνευσης στο σχεδιασμό, ενώ φυτά που ζουν σε σκιερά μέρη, επειδή δεν τους επιτρέπεται να χάνουν καθόλου από το λιγοστό φως, καλύπτουν τα φύλα τους με ειδικές μεμβράνες ώστε να μην ανακλούν το φως.

Πρόσφατα, ορισμένα μέλη της ερευνητικής μας ομάδας προσπάθησαν να διερευνήσουν αν τα βιολογικά συστήματα χρησιμοποιούν καλύτερες από τον άνθρωπο ή απλώς διαφορετικές στρατηγικές επιβίωσης. Χρησιμοποιήθηκε μια σειρά 40 αρχών που διέπουν τις εφευρέσεις, οι οποίες θεμελιώθηκαν από τον Ρώσο εφευρέτη και διανοητή Genrich Altshuller.Οι αρχές αυτές προέκυψαν από τη μελέτη επιτυχημένων πατέντων, τις οποίες ο Altshuller και οι συνεργάτες του κατηγοριοποίησαν με βάση το πρόβλημα το οποίο επέλυναν καθώς και τον τρόπο επίλυσης. Αυτός ο κατάλογος αποτελεί μέρος μιας μεθόδου αντιμετώπισης προβλημάτων ονομαζόμενης TRIZ (Altshuller, 1988).

¨Ένα πρόβλημα εμφανίζεται όταν θέτουμε κάποιο στόχο και συναντούμε εμπόδια στην επίτευξή του. Ο Πλάτων είχε επισημάνει αυτό περισσότερο από δυο χιλιάδες χρόνια πριν. Ο Altshuller επέκτεινε την ιδέα, καταστρώνοντας μια λίστα κατηγοριών, οι οποίες καλύπτουν όλα τα πιθανά προβλήματα και τις δυσκολίες επίλυσής τους. Στη συνέχεια έδειξε ότι μια εφεύρεση είναι επιτυχημένη όταν επιλύει ένα πρόβλημα με μια νέα θεώρηση, παρά με ένα μη ικανοποιητικό, συμβιβαστικό τρόπο. Και το σημαντικότερο, διατύπωσε τις αρχές που διέπουν τις εφευρέσεις, μέσω των οποίων ένα πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπισθεί και να λυθεί.

Όλα αυτά ήταν βέβαια αρκετά περίπλοκα για μας στην προσπάθειά μας να συγκρίνουμε τη βιολογία με την τεχνολογία. Ο Altshuller και οι συνεργάτες του ανάλυσαν περίπου 3 εκατομμύρια πατέντες. Εμείς διαθέταμε περιορισμένο χρόνο και λιγοστό ανθρώπινο δυναμικό, έτσι για να απλοποιήσουμε το θέμα επιλέξαμε μόνο έξι βασικά σημεία στα οποία μπορούμε να επέμβουμε προκειμένου να επιλύσουμε ένα πρόβλημα. Αυτά τα σημεία είναι:

  • To υλικό (από το οποίο κάτι είναι φτιαγμένο)
     
  • Η δομή (ο τρόπος που τα υλικά συναρμολογούνται)
     
  • Η ενέργεια (η πηγή ενέργειας ή το ποσό ενέργειας που απαιτείται)
     
  • Ο χώρος (που καταλαμβάνει το σύστημα ή που χρειάζεται για να λειτουργήσει)
     
  • Ο χρόνος (η χρονική σειρά με την οποία τα πράγματα συμβαίνουν ή χρόνος που απαιτείται για να γίνει κάτι)
     
  • Η πληροφορία (ο μηχανισμός ελέγχου και αυτά που επηρεάζει).

Ένα από τα ευρήματά μας ήταν ότι τα βιολογικά συστήματα επιλύουν προβλήματα ανάλογα με τα δικά μας, αλλά με μεθόδους οι οποίες εμφανίζουν ομοιότητες μόνο στο 12% των περιπτώσεων. Για παράδειγμα στα αρθρόποδα οι δυνάμεις στο κέλυφος, οι οποίες προέρχονται από το σώμα ή από το εξωτερικό, ανιχνεύονται από την αλλαγή στο σχήμα οπών, οι οποίες εντοπίζονται στις πιο επιβαρημένες περιοχές του κελύφους. Στη μηχανική, μια οπή θεωρείται επικίνδυνη μια και μπορεί να αποτελέσει την αρχή ενός σπασίματος, έτσι οι δυνάμεις μετρούνται με μετρητές τάσεως. Όμως οι οπές στο κέλυφος των αρθρόποδων είναι πολύ καλά σχεδιασμένες, με μεγάλη σημασία στη λεπτομέρεια, απολύτως ασφαλείς και πολύ πιο ευαίσθητες από ένα μετρητή τάσης. Θα μπορούσαμε να μιμηθούμε τέτοιες συσκευές, όμως οι κατασκευαστικοί μας κανόνες και οι προκαταλήψεις μας δεν το επιτρέπουν.

Είχαμε ένα ακόμη πιο σημαντικό αποτέλεσμα (βλέπε τα γραφήματα). Ταξινομήσαμε τις λύσεις σε σχέση με το μέγεθος του συστήματος, διατρέχοντας 12 τάξεις μεγέθους, από νανόμετρα έως χιλιόμετρα. Οι διαφορές μεταξύ βιολογικών και τεχνολογικών συστημάτων ήταν ακόμη μεγαλύτερες. Τεχνολογικά, σε επίπεδο από μικρόμετρο έως εκατοστόμετρο, επιλύουμε το 70% των προβλημάτων με ενεργειακούς χειρισμούς (χωρίς να αναφερόμαστε στο απαιτούμενο ποσό ενέργειας). Για παράδειγμα αυξάνουμε την ταχύτητα μιας αντίδρασης αυξάνοντας τη θερμοκρασία, χρησιμοποιούμε υδραυλικό ή πνευματικό τρόπο μεταφοράς ή ελέγχου της ενέργειας, ή μειώνουμε τις ενεργειακές απαιτήσεις, επιτρέποντας το συντονισμό ενός εξαρτήματος.

Εν τούτοις, όταν βλέπουμε ότι τα βιολογικά συστήματα στηρίζονται σε ανάλογους ενεργειακούς χειρισμούς μόνο στο 5% των περιπτώσεων, αντιλαμβανόμαστε ότι αυτό αποτελεί μια ουσιαστική διαφορά. Στη βιολογία οι αλλαγές πραγματοποιούνται επειδή τα συστήματα «διαποτίζονται» από την πληροφορία, ξεκινώντας από το μόριο του DNA. Οι πρωτεΐνες οι οποίες κωδικοποιούνται από το DNA περιέχουν αυτή την πληροφορία και επιτρέπουν στους οργανισμούς να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους, πράγμα το οποίο σηματοδοτεί ένα άλλο είδος πληροφορίας. Οι πρωτεΐνες και τα παράγωγά τους αλληλεπιδρούν και αυτοοργανώνονται με διάφορους τρόπους σχηματίζοντας οργανίδια, ιστούς, όργανα και τέλος οργανισμούς. Όλα αυτά τα επίπεδα οργάνωσης, καθώς και η συμπεριφορά των οργανισμών που προκύπτουν τελικά, βασίζονται στην εγγενή πληροφορία που περιέχουν. Κάτι τέτοιο δε συμβαίνει στις τρέχουσες μεθόδους τεχνολογικού σχεδιασμού αν και η ιδέα μηχανών που μπορούν να αυτοαναπαράγονται δεν είναι άγνωστη. Ένα μέλος της ομάδας μας, ο Adrian Bowyer, ασχολείται με την ιδέα της κατασκευής μηχανών οι οποίες θα μπορούν, κατεβάζοντας ένα πρόγραμμα από το Internet και διαβάζοντάς το, να αυτοαντιγράφονται. Περισσότερες λεπτομέρειες αυτής της πραγματικά ανατρεπτικής ιδέας μπορείτε να βρείτε στο RepRap websitew1. Εν τούτοις, μέχρι στιγμής, όλα τα μηχανολογικά συστήματα λειτουργούν με τη μικρή ή τη μεγάλη συμμετοχή ενός μηχανικού.

Λύνοντας τα προβλήματα της τεχνολογίας. Για να αντιμετωπίσουμε μια δυσκολία πρέπει να διαχειριστούμε μια ή περισσότερες από τις έξι κατηγορίες λειτουργιών. Η κατάλληλη λειτουργία εξαρτάται από το μέγεθος.
Η εικόνα αναδημοσιεύεται με την άδεια του Julian Vincent

 

Λύνοντας τα προβλήματα της βιολογίας. Για να αντιμετωπίσουμε μια δυσκολία πρέπει να διαχειριστούμε μια ή περισσότερες από τις έξι κατηγορίες λειτουργιών. Φαίνεται ότι η κατάλληλη λειτουργία είναι ανεξάρτητη από το μέγεθος του συστήματος, το οποίο υποδεικνύει ότι η κατανομή περιέχει ένα στοιχείο fractal.
Η εικόνα αναδημοσιεύεται με την άδεια του Julian Vincent

Μια άλλη διαφορά είναι το ότι η τεχνολογία στηρίζεται πολύ στα διάφορα υλικά, για παράδειγμα, στις κατασκευές, χρησιμοποιούμε περισσότερα από 350 είδη πολυμερών. Η βιολογία διαθέτει μόνο δύο για τις δικές της κατασκευές: τις πρωτεΐνες και τους πολυσακχαρίτες. Αυτά τα δύο όμως υλικά εμφανίζουν τέτοια ποικιλομορφία, χάρη στη πληροφορία την οποία περιέχουν, ώστε με αυτά να μπορούν να συντεθούν πολύ περισσότερα πολυμερή από αυτά που μπορεί να συνθέσει ο άνθρωπος. Αυτή η πληροφορία τους επιτρέπει να αυτοοργανώνονται σε δομές, όπως το κυτταρικό τοίχωμα ενός φυτού ή το κέλυφος ενός εντόμου ή του αστακού, τα οποία εμφανίζουν μεγάλη λειτουργική ποικιλομορφία. Επιπλέον, η ανακύκλωση δύο μόνο πολυμερών είναι σχετικά ευκολότερη. Οι τρέχουσες μέθοδοι ανακύκλωσης των σκουπιδιών, μας επιτρέπει να διαχωρίζουμε μόνο 6 διαφορετικά πολυμερή (Πίνακας 1) τα οποία αντιπροσωπεύουν και το μεγαλύτερο μέρος των χρησιμοποιούμενων πλαστικών. Γιατί όμως πρέπει να χρησιμοποιούμε τόσα πολλά διαφορετικά πολυμερή; Δε θα ήταν σκόπιμο να επιλέγουμε τα υλικά μας με κριτήριο το πόσο εύκολα αυτά μπορούν να ανακυκλωθούν; Ακόμη, η λειτουργικότητα τους θα μπορούσε να αυξηθεί, αν αντιγράφοντας τη φύση, δημιουργούσαμε με αυτά δομές, όπως αφρούς ή κερήθρες ή διάφορους συνδυασμούς και παραλλαγές φυσικών δομών.

Όνομα

Συντομογραφία

Ευκαμψία

Χρήση

Σχόλια

Πίνακας 1: Τα έξη διαχωριζόμενα πλαστικά

Χαμηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο

LDPE

Εύκαμπτο

Μεμβράνες, τσάντες

 

Υψηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο

HDPE

Δύσκαμπτο

Μεμβράνες, φιάλες

 

Πολυπροπυλένιο

PP

Δύσκαμπτο

Μεμβράνες, φύλλα, φιάλες

Σκληρό, ελαφρύ, φτηνό

Τεραφθαλικό πολυαιθυλένιοΤεραφθαλικό πολυαιθυλένιο

PET

Δύσκαμπτο

Μεμβράνες, φύλλα, φιάλες

 

Πολυστυρένιο

PS

Δύσκαμπτο

Μεμβράνες, δύσκαμπτα φύλλα

Αντικαθίσταται εύκολα

Πολυβινυλοχλωρίδιο

PVC

Δύσκαμπτο και εύκαμπτο

Μεμβράνες, φύλλα, φιάλες

Αντικαθίσταται εύκολα

Αν και έχουμε ανακαλύψει πολλούς από τους μηχανισμούς τους οποίους οι ζωντανοί οργανισμοί χρησιμοποιούν για την επιβίωσή τους, εν τούτοις είμαστε μόνο στην αρχή, όσον αφορά στη μεταφορά αυτής της γνώσης στην πράξη. Είναι όμως απαραίτητο, προκειμένου να διασφαλίσουμε την επιβίωσή μας σ’ αυτόν τον πλανήτη, να προχωρήσουμε σε δραστικές αλλαγές της τεχνολογίας που χρησιμοποιούμε. Ο άνθρωπος, σε αντίθεση με οποιοδήποτε άλλο είδος, έχει καταφέρει να επιβιώνει σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα αυτό όμως έχει επιτευχθεί με ανορθόδοξους τρόπους και τεράστιο περιβαλλοντικό κόστος.
 

Δραστηριότητα στην τάξη: Μια βιομιμητική πρόκληση

Ενθαρρύνετε τους μαθητές σας να ασχοληθούν με τη βιομιμητική. Παραθέτουμε δύο προτάσεις του εκδότη του Science in School:

  1. Μπορείτε να σκεφθείτε ένα φυτό, ζώο ή μικροοργανισμό που να έχει επιλύσει ένα πρόβλημα επιβίωσης το οποίο παραμένει ακόμη άλυτο για τον άνθρωπο; Γνωρίζετε ποια είναι η βιολογική λύση αυτού του προβλήματος; Πως νομίζετε ότι ο άνθρωπος θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει αυτή τη λύση?
  2. Σχεδιάστε ή ζωγραφίστε μια εικόνα στην οποία να φαίνεται πως ένα φυτό, ζώο ή μικροοργανισμός έχει εξελιχθεί ώστε να επιβιώνει σε εχθρικό περιβάλλον.

Στείλτε μας τις ιδέες και / ή τις εικόνες σας μέχρι τις 30 Ιουνίου 2007. Οι καλύτερες θα δημοσιευθούν μαζί με τα σχόλια του Καθηγητή Vincent. Μη ξεχάσετε να γράψετε το όνομά, την ηλικία, το σχολείο και τη χώρα σας. Γράψτε ‘Biomimetics challenge’ στη θέση του τίτλου στο email που θα στείλετε στη διεύθυνση: editor@scienceinschool.org

Download

Download this article as a PDF

References

  • Altshuller GS (1988) Creativity as an exact science. New York, NY, USA: Gordon and Breach
  • Autumn K et al. (2001) Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 99: 12252-12256
  • Barthlott W, Neinhuis C (1997) Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 202: 1-8
  • Dawson C et al. (1999) Heat transfer through penguin feathers. Journal of Theoretical Biology 199: 291-295
  • Hansen WR, Autumn K (2005) Evidence for self-cleaning in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102: 385-389
  • O’Donnell MJ (1982) Hydrophilic cuticle – the basis for water vapour absorption by the desert burrowing cockroach, Arenivaga investigata. Journal of Experimental Biology 99: 43-60
  • Vincent JF et al. (2006) Biomimetics: its practice and theory. Journal of the Royal Society Interface 3: 471-482

Web References

Resources

Για τη σύγχρονη έρευνα της βιομιμητικής σχετικά με το νήμα της αράχνης, βλέπε:Cicognani G, Capellas M (2007) Μεταξένιο, ελαστικό, δυνατότερο από ατσάλι! Science in School 4.

Author(s)

Ο καθηγητής Julian F. V. Vincentείναι διευθυντής του Κέντρου Βιομιμητικής και Φυσικής Τεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο του Bath, Η.Β.


Review

Διαβάζοντας αυτό το άρθρο θα γνωρίσεις κάποιους καινούργιους συνώνυμους όρους: βιομιμητική, βιομίμηση, βιονική, βιο-εμπνεόμενος σχεδιασμός. Όλες αυτές οι λέξεις περιγράφουν πως οι ζωντανοί οργανισμοί αποτελούν μοντέλα ή πηγή έμπνευσης για τους μηχανικούς όταν φτιάχνουν νέα υλικά ή κατασκευές. Τα ζώα και τα φυτά είναι πολύ καλά προσαρμοσμένα στο περιβάλλον όπου ζουν, επειδή έχουν λύσει προβλήματα σχετικά με την επιβίωσή τους, όπως για παράδειγμα πώς να αντιμετωπίζουν την υπερβολική ζέστη ή το υπερβολικό κρύο. Είναι εξοπλισμένα με υλικά και στρατηγικές οι οποίες ανταποκρίνονται πολύ καλά σε διάφορους τομείς της ζωής τους όπως η αναπαραγωγή, η διατροφή, ή προστασία κ.α. Ο Καθηγητής Vincent μας δίνει διάφορα παραδείγματα τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στο μηχανικό σχεδιασμό. Συγκρίνοντας βασικές τεχνικές της βιολογίας και τις τεχνολογίας, επιστήμονες και μηχανικοί μπορούν να επιτύχουν καλύτερη κατανόηση των προβλημάτων. Υπάρχουν τόσα πράγματα που μπορούμε να μάθουμε από τη φύση!

Μην παραλείψετε να παρουσιάσετε στους μαθητές σας τις δύο προκλήσεις στο τέλος του άρθρου!


Sølve Marie Tegner Stenmark, Νορβηγία




License

CC-BY-NC-ND