دانش Biomimicry چیست؟

از«آلبرت اینشتین» نقل شده است که: به طبیعت با دقت نگاه کنید! آنگاه جواب پرسش های خود را خواهید یافت. کلمه Biomimicry از دو واژه Bio به معنی طبیعت و Mimicry به معنی الگوبرداری تشکیل شده است که معنای کلی آن الگو برداری از طبیعت و یا مهندسی الهام گرفته از طبیعت است. دانش Biomimicry یکی از علومی است که به طور روز افزون در حال پیشرفت است و در واقع به این امر می پردازد که چه چیز را می توان از طبیعت آموخت. این دانش اگر چه جدید نیست و از دیرباز پیشینیان همواره از طبیعت الهام گرفته اند، اما در عصر حاضر سعی این دانش بر این است تا آنچه طبیعت به ما می آموزد را برای حل مشکلات و معضلات موجود در کلیه شاخه های علمی و در همه سطوح آن به کار ببریم. یک ویژگی که در طبیعت وجود دارد این است که روش های آن از میلیاردها سال پیش آزمایش و اجرا شده اند و به جرأت می توان گفت همیشه راه حل هایی کامل و پایدار بوده اند.

کلاسی به بزرگی آفرینش

در این دانش قدیمی اما نو ظهور همواره طبیعت مورد سوال قرار می گیرد. در این راستا جهان آفرینش از سه طریق برای مشکلات و مسائل راه حل خود را ارائه می کند: روش اول طبیعت به عنوان یک راهنما (Mentor) در نظر گرفته می شود به این ترتیب مسیر دستیابی به هدف را روشن می سازد. در شیوه دوم طبیعت به عنوان مدل در نظر گرفته می شود و دقیقاً مورد الگوبرداری قرار می گیرد. در آخرین روش راه حل طبیعت به عنوان راه حل معیار (Measure) در نظر گرفته شده و از آن برای محک زدن راه های دیگر استفاده می شود. در اینجا به برخی نوآوری های متنوع، که همگی از طبیعت الهام گرفته شده اند، اشاره ای گذرا خواهیم داشت. شاید توربین های بادی را دیده باشید که پره های آنها لبه مواجی دارند. این تیغه ها با الهام گیری از بال وال ها طراحی و ساخته شده اند. برای تولید مه از روشی استفاده می شود که زنبورهای صحرایی از آن بهره می برند. برگ درختان نیز الهام بخش مهندسین برای تولید سلول های خورشیدی هست. بال پروانه ها نیز الهام بخش شیوه ای نوین در رنگ آمیزی شده است: رنگ آمیزی بدون استفاده از رنگ دانه. تولید لباسهای شنا با قابلیت کم کردن اصطکاک نیز از پوست کوسه الگوبرداری شده اند. شفاف کننده های عینک ها و عدسی ها از نوعی سوسک الگوبرداری شده اند و صدها مثال ریز و درشت دیگر مانند چسبندگی بدون استفاده از چسب! و شیشه های خود ترمیم شونده که از اسفنج دریایی الهام گرفته شده است.

دانش Biomimicry و علوم هوافضا

اولین و مهم ترین جرقه های این دانش در صنعت هوایی را می توان در دست نوشته های «لئوناردو داوینچی» نابغه قرن 16 میلادی و سال های اولیه پرواز در ایده های «برادران رایت» جستجو کرد. داوینچی پی برده بود که مرکز نیروهای آیرودینامیکی و مرکز جرم در پرندگان هم مرکز نیستند و برادران رایت نیز در سال 1903 به این نتیجه رسیدند که با استفاده از ایجاد تغییر شکل در بال ها می توانند جهت پرواز را کنترل کنند، درست مانند آنچه پرندگان در شکل بال های خود اعمال می کردند. یکی از مهم ترین دستاوردهای بزرگ در طراحی هواپیما به کارگیری بالک در انتهای بال هواپیما است این مهم نیز با الگوبرداری از بال پرندگان در حال پرواز میسر شد و سیر تحولی آن از بالکهای سر بال یا Wingtip Fence منجر به تولید winglet و در نهایت sharklet شد. اثر این بالک حذف جریان های گردابی ایجاد شده در انتهای بال و متعاقب آن کاهش نیروی پسا و در نتیجه کاهش مصرف سوخت هواپیما است. لازم به ذکر است که سیر تحولی این عضو از بال نیز در سالیان متمادی متاثر از پیشرفت علوم آیرودینامیک و همچنین پیشرفت های صورت گرفته در روشهای ساخت و تولید مواد مختلف از جمله کامپوزیت ها بوده است.

پرواز خاموش

شاید شما نیز شنیده باشید که جغدها، پروازی آرام و بی سرو صدا دارند. جغد گوش دراز، شکارچی واقعاً خاموش است. بیش از 20 میلیون سال، جغدها با پرهای دندانه دار و بال و پرهای کرک دار روی پاهای خود، تکامل یافته اند. این نوع پرها سر و صدای آیرودینامیکی را به حداقل می رساند. این ویژگی باعث شده است تا برای الگوبرداری برای تولید هواپیماهایی با سروصدای آیرودینامیکی کمتر جغدها مورد مطالعه قرار بگیرند. در هواپیماهای بزرگ یکی از مهم ترین منابع تولید آلودگی صوتی و آیرودینامیکی ارابه های فرود هواپیما هستند که هنگام نشست و برخاست گردابه هایی را تولید می کنند. در هواپیمای ارباس A340 با بهره گیری از فناوری هایی از قبیل شبیه سازی پرهای جغد و اتصال آنها به ارابه فرود و یا استفاده از روکش های ویژه مخملی شکل که از پاهای جغد الگوبرداری شده، سعی در کاهش این آلودگی صوتی دارند. از دیگر ایده ها می توان به بکارگیری قلم مو مانند جمع شونده در انتهای بال را ذکر کرد.

کنترل جریان

بال های یک هواپیما از سطوح متحرک مختلفی تشکیل شده که برای کنترل جریان روی بال مورد استفاده قرار می گیرند. همانطور که پرنده ها از پرهای مختلفی برای تصحیح و تغییر جهت مسیر پرواز استفاده می کنند، در هواپیما نیز سطوح کنترل مختلفی از جمله فلپ ها و الرون ها(شهپرها) برای این منظور استفاده می شوند. نکته جالب دیگر توانایی پرندگان برای برخورد با بادهای ناگهانی است به طوری که پرهای آنها متناسب با باد روبرو تغییر شکل یافته و خود را برای مقابله با شرایط سخت آماده می سازند. در آخرین و جدیدترین محصول ایرباس هواپیمای ارباس 350A نیز با قرار دادن سنجه هایی در جلوی دماغه هواپیما امکان پیش بینی باد روبرو یا تند بادهای ناگهانی فراهم آمده و بدین ترتیب بال های هواپیما خود را برای مقابله با شرایط آماده می کنند که این امر موجب بهبود بازدهی و عملکرد آیرودینامیکی هواپیما می شود که در نهایت کاهش مصرف سوخت و تولید تشعشعات را در پی دارد.

گل لوتوس

اثر لوتوس یک خاصیت موجود در برگ های این گیاه است که برگ های این گیاه در اثر تماس با آب یا بارش باران خود به خود تمیز می شوند و در محیط های مرطوب مانند جنگل های استوایی همواره تمیزو خشک هستند. با مطالعه و بررسی این اثر دانشمندان موفق به تولید پوشش هایی شده اند که در ساخت سرویس های بهداشتی هواپیما به کار می رود و موجب می شود تا محیط هایی که در آنها آب جریان دارد همواره تمیز و پاکیزه باشند و همزمان نیاز به آب کمتری داشته باشد که به نوبه خود موجب کاهش مصرف سوخت و در نهایت تولید دی اکسید کربن و سایر آلاینده ها می شود.

روش شبکه عصبی

شبکه های عصبی مغز انسان نیز الهام بخش تولید دانشی نو پا بوده اند. این دانش به همین نام شبکه عصبی مشهور است و اساس آن مشابه عملکرد مغز انسان است. این روش برای تجزیه و تحلیل اطلاعات در سیستم های هوشمند و سیستم های کنترل کننده به کار می رود. به عنوان مثال برای اینکه مغز انسان درک کند که خودرو چیست نیاز ندارد تا همه خودروهای موجود در دنیا را ببیند بلکه به تجزیه و با دیدن چند مدل و سپس فرآیند استنتاج قادر به تشخیص و تمیز خودروها خواهد بود. این شیوه به نام «الگوریتم آموزش» در دانش شبکه عصبی معروف است. کاربرد عمده این الگوبرداری در پردازش داده است. شاید یک مثال واضح استاده از این الگو جهت طراحی سامانه های راداری است که از طریق این الگوریتم ها موفق به کشف اهداف می شوند.

الگوریتم ژنتیک

دانش و علم وراثت یا همان ژنتیک نیز منبع دیگری برای الهام بخشی بوده است همچنانکه در هر مولودی ویژگی هایی را از والد خود به ارث می برد و این چرخه از گذشته تا آینده وجود داشته و خواهد داشت. هم اکنون با دانش شبیه سازی نیز می توان موجوداتی با ویژگی های از پیش تعریف شده را به وجود آورد. به کارگیری الگوریتم ژنتیک در شاخه طراحی مفهومی هواپیما نیز چند سالی است که مرسوم شده است. با این دانش یک طرح مفهومی از مراحل مختلفی عبور می کند تا در نهایت به یک طرح بهینه و کارآمد برسد در حقیقت طرح نهایی ویژگی هایی از هر کدام از طرح های اولیه را به ارث برده است.

پرواز جمعی، الگویی از همکاری در طبیعت

پرواز و مهاجرت دسته جمعی پرندگان شاید یکی از بهترین الگوهای همکاری در طبیعت باشد و همگان نیز حداقل برای یکبار از این تصویر و مشاهده آن لذت برده اند. از مزایای بارز آن می توان به افزایش مسافت پرواز پرندگان و همچنین به وجود آمدن یک سپر دفاعی برای حفاظت در برابر مهاجمان نام برد. آیا همچنانکه پرواز پرندگان انگیزه بخش پرواز بشر بوده است حال پس از گذشت بیش از یک قرن از آغاز تاریخ صنعت هوانوردی می توان از مزایای پرواز جمعی در صنعت حمل و نقل هوایی استفاده کرد؟ سه شکل از پرواز جمعی در طبیعت وجود دارد که در تصویر نمایش داده شده اند. در ذیل به بررسی علمی این شیوه به زبان ساده خواهیم پرداخت. با پرواز پرنده و تولید نیروی بار توسط بال ها که حاصل اختلاف فشار بین سطح رویی و زیرین بال است. در انتهای بال آن جریان های گردابی ایجاد می شود که در راستای عمود بر حرکت یک جریان بالا رونده را ایجاد می کنند. حال اگر پرنده دیگری در پشت این جریان قرار بگیرد برای دستیابی به نیروی «برا»ی مورد نیاز احتیاج به زاویه حمل (زاویه بین خط افق و راستای قرار گیری بال) کمتری دارد و لذا پسای کمتری تولید می کند و موجب صرفه جویی چشمگیری در مصرف انرژی پرنده می شود که به نوبه خود مسافتی که به طور معمول یک پرنده می تواند طی کند را تا 70 درصد افزایش می دهد. به بیان دیگر مسافتی که پرنده ها به صورت دسته جمعی پرواز می کنند تا 70 درصد بیشتر از حالتی است که به تنهایی پرواز کنند.
اگر بنا بود تا پرنده ای که درراس گروه پرواز می کند ثابت بماند نامگذاری همکاری برای این نوع پرواز بیهوده بود، چرا که پرنده ای که در راس است به طور وحشتناکی خسته می شود و آخرین پرنده نیز تقریباً از همگی آسوده تر است اما واقعیت آن است که پرنده ها به صورت بسیار هوشمندانه جای خود را در دسته عوض می کنند تا همگی یکبار در راس قرار بگیرند و بدین ترتیب فرصت استراحت به پرنده جلویی خود می دهند. در آزمایشی که در سال 2001 روی دسته پروازی از پلیکان های انجام شده دیده شد که پرنده هایی که در انتهای دسته قرار می گیرند ریتم ضربان قلبشان نیز کم می شود.

نحوه تغییر مکان پرنده ها در پرواز جمع

این ایده اینجا مطرح می شود که روزانه در حدود 300 پرواز از اروپا به آمریکا شمالی انجام می شود و به نوعی مانند مهاجرت پرندگان است. حال اگر بتوان مشابه آنچه پرندگان انجام می دهند را در این پروازها به کار برد مزایای زیر بدست خواهد آمد: کاهش اثرات زیست محیطی، افزایش حجم فضای عبور و مرور پروازها، کاهش هزینه های عملیاتی و اما چالش های مهمی پیش روی این ایده قرار دارد. چگونگی دستیابی به مزیت های آیرودینامیکی، موقعیت یابی و انجام مانورها، ارتباط بین هواپیماهایی که در حال پرواز هستند، برنامه ریزی و زمان بندی پروازها و مقبولیت طرح برای مسافران هوایی.
بر طبق اطلاعات موجود هنگام پرواز پرنده ها فاصله عرضی بین هر دو پرنده در حدود دو یا سه برابر دهنه بال است. تحقیقات اولیه روی امکان پذیری این طرح صورت گرفته است و در مسابقه ای که در سال 2009 توسط ارباس برگزار شد دو طرح از طرف دانشجویان دانشگاه استانفورد ارائه شد. طرح اول بر مبنای گسترش دادن فاصله طولی بین هواپیماها استوار است و تحت عنوان Extended Formation یا پرواز جمع توسعه یافته یا گسترده از آن یاد می شود. در طرح دوم با الگوگیری از شکل پرواز دسته جمعی V شکل نوع جدیدی به نام V معکوس ارائه شد که در تصویر مشاهده می شود.
در پایان باید اذعان کرد که طبیعت گنجینه ای از راه حل های متنوع برای چالش های پیش روی بشر دارد و منبعی است برای الهام بخشی برای طرح های بکر و نوآورانه گستره وسیع و روز افزون فناوری های نوین علوم هوافضا برگرفته از موجودات زنده و ساختارهای موجود در طبیعت است.. سازه هایی که بارها آزمایش خود را پس داده اند. این الهام بخشی از زمان «لئوناردو داوینچی» تاکنون در این صنعت وجود داشته است و امروزه نیز از طریق دانش biomimicry می توان به شکل گیری دنیایی مقرون به صرفه کمک کرد.
منبع: ماهنامه نوآور شماره 88