Biomimikri

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.
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".
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.
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).
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.
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.
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.
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.