SPOZNAJME BIONIKU | TECHNICKÉ INOVÁCIE INŠPIROVANÉ PRÍRODOU

BIONIKA

Inovácie inšpirované prírodou

Odjakživa sa ľudia učia z prírody. Je to ten najprirodzenejší zdroj inšpirácií a teda aj inovácií. Keď sa pozrieme prírode hlboko do očí, vyrazí nám to dych. Uvedomíme si, že všetky naše vynálezy sa už v prírode objavili v oveľa elegantnejšej forme, ktorá je navyše prírode neškodiaca. Naše najšikovnejšie a najdômyselnejšie architektonické skvosty, nosníky a piliere sú dávno súčasťou klenby ľalie a bambusových kmeňov. Naše ústredné kúrenie a klimatizácia sa nachádzajú v termitích vežiach , kde udržujú presných 30°C. Náš najcitlivejší radar sotva počuje oproti netopierím multifrekvenčným vysielačom a prijímačom. A naše nové „inteligentné materiály“ sa nemôžu porovnávať s kožou delfína alebo sosákom motýľa [1].

Pýtame sa ako je to možné, však my ľudia sme už tak vyspelí a schopní... Naše inovácie, ktoré intenzívne prinášame posledných asi 100 rokov, však nemôžu konkurovať 3,8 miliarde rokov trvajúcemu výskumu a vývoju, ktoré má za sebou príroda. Aj keď, ako vidno z úvodu tejto práce, väčšinu času strávila príroda na bakteriálnej úrovni. Za posledné milióny rokov sa však prepracovala až k tým najkomplexnejším štruktúram. Na otázku Ako? existuje jediná odpoveď. Príroda použila tú najjednoduchšiu a najprimitívnejšiu metódu pokus – omyl . Táto metóda je osvedčená pri objavovaní najzávažnejších vynálezov. Jej najväčšou nevýhodou je časová náročnosť, ktorú príroda iba potvrdzuje. Preto jej použitie v súčasnej priemyselnej praxi je takmer vylúčené. Prišli by sme ku stavu, kedy by nás obklopovalo množstvo nepodarkov a chybných rozhodnutí, ktoré sú typické pre túto metódu a reálnych riešení by bolo žalostne málo.

Ako sa s tým vysporiadala príroda? Mala na to milióny rokov času, za ktorý sú z nepodarkov skameneliny a to čo nás obklopuje je tajomstvo prežitia, odladené systémy, presne nasmerované na jednu jedinú schopnosť, prežiť. Za čas, ktorý boli organizmy vyvíjané došlo k množstvu omylov, podľa [2] žije na Zemi v súčasnosti ani nie jedno percento živočíchov z celkového množstva, ktoré Zem počas jej života obývali. Zo stratégií, z medziproduktov ako aj zo súčasných výsledkov evolúcie sa môžeme učiť. Tak vznikla disciplína zvaná BIONIKA . [1]

Werner Nachtigal, jej najznámejší priekopník, definuje bioniku v [3] nasledovne: „Je to spôsob pozorovania a zároveň ohraničiteľný vedný odbor s vlastnými problematikami". Pokúša sa používať konštrukcie a postupy prírody ako podnet, vzor a výzvu pre samostatné technické konštruovanie. Ako interdisciplinárny vedný odbor zjednocuje odvetvia. Zakladá sa na technickej biológii a spracováva jej výsledky pre technické rozširovanie. Odmieta kopírovanie prírody. Jej konečným cieľom sú technicky samostatné konštrukcie, zariadenia a postupy. Na začiatku však stále stoja, predbežne bezcenné, analógové rozpory. Tieto môžu, ale nemusia viesť k odhaleniu funkčných spoločných znakov. Okrem toho je bionika ideálnym tréningom tvorivosti pre inžinierov.“

Bionika ako vedný odbor sa delí na nasledujúce časti:

História - zaoberá sa vývojom oboru.

Bionika štruktúry – zaoberá sa skúmaním, popisovaním a porovnávaním rôznych biologických štruktúr a nekonvenčných materiálov.

Stavebná bionika – prírodné stavby, od používania klasických materiálov (hlina) cez štruktúry ľahkých konštrukcií (pavúčie siete), cez membránové a škrupinové konštrukcie (ulity a mušle), ochranné (panciere), variabilné, recyklovateľné konštrukcie s dokonalým pokrytím plochy (prekrývanie listov, medové plásty), až po ideálne vyladenie smerovania plôch (voči slnku, vetru).

Klimatická bionika – sleduje pasívne vetranie, chladenie a kúrenie. Svišť prériový využíva v technike známy bernuliho princíp na vetranie svojej nory. Termitištia a iné stavby slúžia ako príklady pre stavbu tzv. ekologických domov.

Konštrukčná bionika – porovnáva a analyzuje konštrukčné elementy a mechanizmy zo sveta prírody a techniky. Typickým príkladom je analógia bodliak – suchý zips (objavený Georgom de Mestralom v roku 1957 je v súčasnosti predmetom vyše 1700 patentov [4])

Bionika pohybu – beh, plávanie, lietanie sú základnými formami pohybu v prírode. Prúdenie, jeho optimalizácia ako základ pre vysokú energetickú účinnosť pohybu. Líši sa od malých organizmov (hmyz, mikroorganizmy vo vode a.i.) až po velikánov, žralokov a delfínov. Skúma hybné mechanizmy pohonných orgánov, ich prispôsobenie prostrediu a okolitému prúdiacemu médiu.

Bionika zariadení – úzko súvisí s bionikou štruktúry a konštrukčnou bionikou. Zameriava sa na vývoj zostáv, celkových konštrukcií na prírodnej báze. Zaujímavé výsledky sú na poli pohonov, špeciálne pneumatických a hydraulických (pumpa na báze rybieho chvosta a.i.).

Antropo-bionika – zaoberá sa vzájomným pôsobením človeka a vonkajšieho sveta. Plynulý pohyb ruky zabezpečujú svaly. Ako fungujú? Čím zo sveta techniky sa dajú nahradiť? Existuje spôsob akým využiť princíp ich fungovania? Čo šľachy? Ako spojiť pohon s rámom? Ako využiť svaly čo najefektívnejšie? To sú otázky, ktoré si kladie antropo-bionika. Riešenia sú úspešne aplikované do konštrukcie robotov a protéz.

Senzorová bionika – snímanie fyzikálnych a chemických stimulov, lokalizácia a orientácia v priestore, to sú základné úlohy tohto odvetvia bioniky. Ako si s nimi poradili netopiere alebo ako je regulovaný cukor v našom tele je obdivuhodné a stojí za to tieto princípy skúmať a analogicky riešiť technické hlavolamy.

Neurobionika – skúma akým spôsobom analyzujú, rozpoznávajú a spracovávajú informácie prírodné systémy. Neurónové siete už sa udomácnili vo svete techniky a na ďalšie tajomstvá, ktoré skrývajú prírodné systémy ako mozog sa postupne prichádza.

Bionika procesov – skúma procesy a premeny v prírode, ich spôsob fungovania a riadenie. Typickým príkladom je fotosyntéza prebiehajúca v bunkách rastlín, tiež spôsoby recyklácie zbytočných organizmov.
Evolučná bionika – používa evolučné stratégie pre vývoj zariadení. Prirodzený výber založený na metóde pokus – omyl sa snaží jednak simulovať matematickými modelmi, jednak v experimentálnej forme hľadať najschopnejšieho kandidáta na plnenie danej úlohy. Prvý so spomínaných prístupov, zvaný genetické algoritmy, prežíva v súčasnosti boom súvisiaci s prudkým nárastom výpočtových výkonov počítačov. V programoch sú simulované jednotlivé generácie zariadení, výber najlepších a ich ďalšie mutácie.

Predložené rozdelenie naznačuje, že bionika má široký záber a inovácie inšpirované prírodou majú uplatnenie nie len v najrôznejších odvetviach techniky, ale aj v manažérskych prístupoch a prírodných vedách. Pritom je dôležité, že pri tomto type inovácií sa jedná o ekologické riešenia, ktoré neškodia prírode. Autorka Janine M. Beynus v [1] toto vyjadruje nasledovne:

„V spoločnosti, ktorá si zvykla vládnuť alebo ‘vylepšovať’ prírodu je táto inšpirácia radikálne novým prístupom, revolúciou. Na rozdiel od priemyselnej revolúcie, bionická revolúcia predstavuje obdobie založené nie na tom, čo môžme vyťažiť z prírody, ale čo sa od nej môžme naučiť.“

Zoznam použitej literatúry

1. BENYUS, J.: Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. New York, 1998
2. DARWIN, CH.: On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life, London, 1859, http://www.literature.org/authors/darwin-charles/the-origin-of-species
3. NACHTIGAL, W.: Bionik, Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1998
4. VINCENT, J. a kol.: Systematic technology transfer from biology to engineering, University of Bath, published online, http://www.bath.ac.uk/mech-eng//biomimetics/TRIZ.pdf