دانش Biomimicry چيست؟
از«آلبرت اينشتين» نقل شده است که: به طبيعت با دقت نگاه کنيد! آنگاه جواب پرسش هاي خود را خواهيد يافت. کلمه Biomimicry از دو واژه Bio به معني طبيعت و Mimicry به معني الگوبرداري تشکيل شده است که معناي کلي آن الگو برداري از طبيعت و يا مهندسي الهام گرفته از طبيعت است. دانش Biomimicry يکي از علومي است که به طور روز افزون در حال پيشرفت است و در واقع به اين امر مي پردازد که چه چيز را مي توان از طبيعت آموخت. اين دانش اگر چه جديد نيست و از ديرباز پيشينيان همواره از طبيعت الهام گرفته اند، اما در عصر حاضر سعي اين دانش بر اين است تا آنچه طبيعت به ما مي آموزد را براي حل مشکلات و معضلات موجود در کليه شاخه هاي علمي و در همه سطوح آن به کار ببريم. يک ويژگي که در طبيعت وجود دارد اين است که روش هاي آن از ميلياردها سال پيش آزمايش و اجرا شده اند و به جرأت مي توان گفت هميشه راه حل هايي کامل و پايدار بوده اند.
کلاسي به بزرگي آفرينش
در اين دانش قديمي اما نو ظهور همواره طبيعت مورد سوال قرار مي گيرد. در اين راستا جهان آفرينش از سه طريق براي مشکلات و مسائل راه حل خود را ارائه مي کند: روش اول طبيعت به عنوان يک راهنما (Mentor) در نظر گرفته مي شود به اين ترتيب مسير دستيابي به هدف را روشن مي سازد. در شيوه دوم طبيعت به عنوان مدل در نظر گرفته مي شود و دقيقاً مورد الگوبرداري قرار مي گيرد. در آخرين روش راه حل طبيعت به عنوان راه حل معيار (Measure) در نظر گرفته شده و از آن براي محک زدن راه هاي ديگر استفاده مي شود. در اينجا به برخي نوآوري هاي متنوع، که همگي از طبيعت الهام گرفته شده اند، اشاره اي گذرا خواهيم داشت. شايد توربين هاي بادي را ديده باشيد که پره هاي آنها لبه مواجي دارند. اين تيغه ها با الهام گيري از بال وال ها طراحي و ساخته شده اند. براي توليد مه از روشي استفاده مي شود که زنبورهاي صحرايي از آن بهره مي برند. برگ درختان نيز الهام بخش مهندسين براي توليد سلول هاي خورشيدي هست. بال پروانه ها نيز الهام بخش شيوه اي نوين در رنگ آميزي شده است: رنگ آميزي بدون استفاده از رنگ دانه. توليد لباسهاي شنا با قابليت کم کردن اصطکاک نيز از پوست کوسه الگوبرداري شده اند. شفاف کننده هاي عينک ها و عدسي ها از نوعي سوسک الگوبرداري شده اند و صدها مثال ريز و درشت ديگر مانند چسبندگي بدون استفاده از چسب! و شيشه هاي خود ترميم شونده که از اسفنج دريايي الهام گرفته شده است.
دانش Biomimicry و علوم هوافضا
اولين و مهم ترين جرقه هاي اين دانش در صنعت هوايي را مي توان در دست نوشته هاي «لئوناردو داوينچي» نابغه قرن 16 ميلادي و سال هاي اوليه پرواز در ايده هاي «برادران رايت» جستجو کرد. داوينچي پي برده بود که مرکز نيروهاي آيروديناميکي و مرکز جرم در پرندگان هم مرکز نيستند و برادران رايت نيز در سال 1903 به اين نتيجه رسيدند که با استفاده از ايجاد تغيير شکل در بال ها مي توانند جهت پرواز را کنترل کنند، درست مانند آنچه پرندگان در شکل بال هاي خود اعمال مي کردند. يکي از مهم ترين دستاوردهاي بزرگ در طراحي هواپيما به کارگيري بالک در انتهاي بال هواپيما است اين مهم نيز با الگوبرداري از بال پرندگان در حال پرواز ميسر شد و سير تحولي آن از بالکهاي سر بال يا Wingtip Fence منجر به توليد winglet و در نهايت sharklet شد. اثر اين بالک حذف جريان هاي گردابي ايجاد شده در انتهاي بال و متعاقب آن کاهش نيروي پسا و در نتيجه کاهش مصرف سوخت هواپيما است. لازم به ذکر است که سير تحولي اين عضو از بال نيز در ساليان متمادي متاثر از پيشرفت علوم آيروديناميک و همچنين پيشرفت هاي صورت گرفته در روشهاي ساخت و توليد مواد مختلف از جمله کامپوزيت ها بوده است.
پرواز خاموش
شايد شما نيز شنيده باشيد که جغدها، پروازي آرام و بي سرو صدا دارند. جغد گوش دراز، شکارچي واقعاً خاموش است. بيش از 20 ميليون سال، جغدها با پرهاي دندانه دار و بال و پرهاي کرک دار روي پاهاي خود، تکامل يافته اند. اين نوع پرها سر و صداي آيروديناميکي را به حداقل مي رساند. اين ويژگي باعث شده است تا براي الگوبرداري براي توليد هواپيماهايي با سروصداي آيروديناميکي کمتر جغدها مورد مطالعه قرار بگيرند. در هواپيماهاي بزرگ يکي از مهم ترين منابع توليد آلودگي صوتي و آيروديناميکي ارابه هاي فرود هواپيما هستند که هنگام نشست و برخاست گردابه هايي را توليد مي کنند. در هواپيماي ارباس A340 با بهره گيري از فناوري هايي از قبيل شبيه سازي پرهاي جغد و اتصال آنها به ارابه فرود و يا استفاده از روکش هاي ويژه مخملي شکل که از پاهاي جغد الگوبرداري شده، سعي در کاهش اين آلودگي صوتي دارند. از ديگر ايده ها مي توان به بکارگيري قلم مو مانند جمع شونده در انتهاي بال را ذکر کرد.
کنترل جريان
بال هاي يک هواپيما از سطوح متحرک مختلفي تشکيل شده که براي کنترل جريان روي بال مورد استفاده قرار مي گيرند. همانطور که پرنده ها از پرهاي مختلفي براي تصحيح و تغيير جهت مسير پرواز استفاده مي کنند، در هواپيما نيز سطوح کنترل مختلفي از جمله فلپ ها و الرون ها(شهپرها) براي اين منظور استفاده مي شوند. نکته جالب ديگر توانايي پرندگان براي برخورد با بادهاي ناگهاني است به طوري که پرهاي آنها متناسب با باد روبرو تغيير شکل يافته و خود را براي مقابله با شرايط سخت آماده مي سازند. در آخرين و جديدترين محصول ايرباس هواپيماي ارباس 350A نيز با قرار دادن سنجه هايي در جلوي دماغه هواپيما امکان پيش بيني باد روبرو يا تند بادهاي ناگهاني فراهم آمده و بدين ترتيب بال هاي هواپيما خود را براي مقابله با شرايط آماده مي کنند که اين امر موجب بهبود بازدهي و عملکرد آيروديناميکي هواپيما مي شود که در نهايت کاهش مصرف سوخت و توليد تشعشعات را در پي دارد.
گل لوتوس
اثر لوتوس يک خاصيت موجود در برگ هاي اين گياه است که برگ هاي اين گياه در اثر تماس با آب يا بارش باران خود به خود تميز مي شوند و در محيط هاي مرطوب مانند جنگل هاي استوايي همواره تميزو خشک هستند. با مطالعه و بررسي اين اثر دانشمندان موفق به توليد پوشش هايي شده اند که در ساخت سرويس هاي بهداشتي هواپيما به کار مي رود و موجب مي شود تا محيط هايي که در آنها آب جريان دارد همواره تميز و پاکيزه باشند و همزمان نياز به آب کمتري داشته باشد که به نوبه خود موجب کاهش مصرف سوخت و در نهايت توليد دي اکسيد کربن و ساير آلاينده ها مي شود.
روش شبکه عصبي
شبکه هاي عصبي مغز انسان نيز الهام بخش توليد دانشي نو پا بوده اند. اين دانش به همين نام شبکه عصبي مشهور است و اساس آن مشابه عملکرد مغز انسان است. اين روش براي تجزيه و تحليل اطلاعات در سيستم هاي هوشمند و سيستم هاي کنترل کننده به کار مي رود. به عنوان مثال براي اينکه مغز انسان درک کند که خودرو چيست نياز ندارد تا همه خودروهاي موجود در دنيا را ببيند بلکه به تجزيه و با ديدن چند مدل و سپس فرآيند استنتاج قادر به تشخيص و تميز خودروها خواهد بود. اين شيوه به نام «الگوريتم آموزش» در دانش شبکه عصبي معروف است. کاربرد عمده اين الگوبرداري در پردازش داده است. شايد يک مثال واضح استاده از اين الگو جهت طراحي سامانه هاي راداري است که از طريق اين الگوريتم ها موفق به کشف اهداف مي شوند.
الگوريتم ژنتيک
دانش و علم وراثت يا همان ژنتيک نيز منبع ديگري براي الهام بخشي بوده است همچنانکه در هر مولودي ويژگي هايي را از والد خود به ارث مي برد و اين چرخه از گذشته تا آينده وجود داشته و خواهد داشت. هم اکنون با دانش شبيه سازي نيز مي توان موجوداتي با ويژگي هاي از پيش تعريف شده را به وجود آورد. به کارگيري الگوريتم ژنتيک در شاخه طراحي مفهومي هواپيما نيز چند سالي است که مرسوم شده است. با اين دانش يک طرح مفهومي از مراحل مختلفي عبور مي کند تا در نهايت به يک طرح بهينه و کارآمد برسد در حقيقت طرح نهايي ويژگي هايي از هر کدام از طرح هاي اوليه را به ارث برده است.
پرواز جمعي، الگويي از همکاري در طبيعت
پرواز و مهاجرت دسته جمعي پرندگان شايد يکي از بهترين الگوهاي همکاري در طبيعت باشد و همگان نيز حداقل براي يکبار از اين تصوير و مشاهده آن لذت برده اند. از مزاياي بارز آن مي توان به افزايش مسافت پرواز پرندگان و همچنين به وجود آمدن يک سپر دفاعي براي حفاظت در برابر مهاجمان نام برد. آيا همچنانکه پرواز پرندگان انگيزه بخش پرواز بشر بوده است حال پس از گذشت بيش از يک قرن از آغاز تاريخ صنعت هوانوردي مي توان از مزاياي پرواز جمعي در صنعت حمل و نقل هوايي استفاده کرد؟ سه شکل از پرواز جمعي در طبيعت وجود دارد که در تصوير نمايش داده شده اند. در ذيل به بررسي علمي اين شيوه به زبان ساده خواهيم پرداخت. با پرواز پرنده و توليد نيروي بار توسط بال ها که حاصل اختلاف فشار بين سطح رويي و زيرين بال است. در انتهاي بال آن جريان هاي گردابي ايجاد مي شود که در راستاي عمود بر حرکت يک جريان بالا رونده را ايجاد مي کنند. حال اگر پرنده ديگري در پشت اين جريان قرار بگيرد براي دستيابي به نيروي «برا»ي مورد نياز احتياج به زاويه حمل (زاويه بين خط افق و راستاي قرار گيري بال) کمتري دارد و لذا پساي کمتري توليد مي کند و موجب صرفه جويي چشمگيري در مصرف انرژي پرنده مي شود که به نوبه خود مسافتي که به طور معمول يک پرنده مي تواند طي کند را تا 70 درصد افزايش مي دهد. به بيان ديگر مسافتي که پرنده ها به صورت دسته جمعي پرواز مي کنند تا 70 درصد بيشتر از حالتي است که به تنهايي پرواز کنند.
اگر بنا بود تا پرنده اي که درراس گروه پرواز مي کند ثابت بماند نامگذاري همکاري براي اين نوع پرواز بيهوده بود، چرا که پرنده اي که در راس است به طور وحشتناکي خسته مي شود و آخرين پرنده نيز تقريباً از همگي آسوده تر است اما واقعيت آن است که پرنده ها به صورت بسيار هوشمندانه جاي خود را در دسته عوض مي کنند تا همگي يکبار در راس قرار بگيرند و بدين ترتيب فرصت استراحت به پرنده جلويي خود مي دهند. در آزمايشي که در سال 2001 روي دسته پروازي از پليکان هاي انجام شده ديده شد که پرنده هايي که در انتهاي دسته قرار مي گيرند ريتم ضربان قلبشان نيز کم مي شود.
نحوه تغيير مکان پرنده ها در پرواز جمع
اين ايده اينجا مطرح مي شود که روزانه در حدود 300 پرواز از اروپا به آمريکا شمالي انجام مي شود و به نوعي مانند مهاجرت پرندگان است. حال اگر بتوان مشابه آنچه پرندگان انجام مي دهند را در اين پروازها به کار برد مزاياي زير بدست خواهد آمد: کاهش اثرات زيست محيطي، افزايش حجم فضاي عبور و مرور پروازها، کاهش هزينه هاي عملياتي و اما چالش هاي مهمي پيش روي اين ايده قرار دارد. چگونگي دستيابي به مزيت هاي آيروديناميکي، موقعيت يابي و انجام مانورها، ارتباط بين هواپيماهايي که در حال پرواز هستند، برنامه ريزي و زمان بندي پروازها و مقبوليت طرح براي مسافران هوايي.
بر طبق اطلاعات موجود هنگام پرواز پرنده ها فاصله عرضي بين هر دو پرنده در حدود دو يا سه برابر دهنه بال است. تحقيقات اوليه روي امکان پذيري اين طرح صورت گرفته است و در مسابقه اي که در سال 2009 توسط ارباس برگزار شد دو طرح از طرف دانشجويان دانشگاه استانفورد ارائه شد. طرح اول بر مبناي گسترش دادن فاصله طولي بين هواپيماها استوار است و تحت عنوان Extended Formation يا پرواز جمع توسعه يافته يا گسترده از آن ياد مي شود. در طرح دوم با الگوگيري از شکل پرواز دسته جمعي V شکل نوع جديدي به نام V معکوس ارائه شد که در تصوير مشاهده مي شود.
در پايان بايد اذعان کرد که طبيعت گنجينه اي از راه حل هاي متنوع براي چالش هاي پيش روي بشر دارد و منبعي است براي الهام بخشي براي طرح هاي بکر و نوآورانه گستره وسيع و روز افزون فناوري هاي نوين علوم هوافضا برگرفته از موجودات زنده و ساختارهاي موجود در طبيعت است.. سازه هايي که بارها آزمايش خود را پس داده اند. اين الهام بخشي از زمان «لئوناردو داوينچي» تاکنون در اين صنعت وجود داشته است و امروزه نيز از طريق دانش biomimicry مي توان به شکل گيري دنيايي مقرون به صرفه کمک کرد.
منبع: ماهنامه نوآور شماره 88
