Bionika Učíme se od přírody - České vysoké učení technické v Praze

Bionika Učíme se od přírody - České vysoké učení technické v Praze

České vysoké učení technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
Bionika
Učíme se od přírody
Lenka Lhotská
[email protected]
http://bio.felk.cvut.cz
1
Co je bionika?
• biologie + technika
• interdisciplinární oblast výzkumu
cíl
• řešit problémy v oblasti techniky podobným
způsobem, jakým se to děje v přírodě
2
Tlapka kočky vs. pneumatika
• tlapka kočky při doskoku roztáhne se při kontaktu s
podložkou
• využití při konstrukci pláště
pneumatiky
• při brzdění se podstatně
rozšíři stopa pneumatiky
• důsledek - zkrácení brzdné
dráhy, lepší adheze na
mokré vozovce
3
Kytovci vs letadla a lodě
• výrůstky na tělech
kytovců
účel
• snížení tření ( cca o
10%)
• nadlehčování těla
(cca o 5%)
využití
• povrch letadel a lodí
4
Žraloci vs letadla
• povrch žraločí kůže
- podélné
drážkování
účel
• snížení tření ( cca o
10-11%)
využití
• povrch letadel
důsledek
• úspora pohonných
hmot
5
Ptáci vs letadla
• studium vztlaku při vzletu
• pera s různými funkcemi
analogie u letadel
• klapky slotů, výstupky,
zakřivení křídel
6
Termitiště vs klimatizace
• přirozená cirkulacevzduchu
• ochlazování v létě pomocí
odpařované spodní vody
7
Čelisti mravkolva vs
kombinované kleště
• příklad vývoje
nezávislého na
přírodě
• stejné funkční
využití
podobná analogie
• pilořitka a
nebozez
8
Měkkýši vs superlepidla
• Přírodní tmely – bílkoviny podobné pryskyřicím +
složitá směs látek = lepidlo zatvrdlé za 5 minut
podobné dvousložkovému epoxidovému lepidlu
• Nátěr karoserie aut před stříkáním barvy – nátěr
lépe drží
9
Rostliny - samočistící efekt
listy lotosu
• zdrsnělý povrch nesmáčivý
důsledek
• neudrží se na něm
ani voda ani špína
10
Lotos
11
Lotos
12
Chobotnice - přísavky
•
Přísavky na spodní straně
chapadel – schopnost
udržet předměty drobnější
než přísavka
•
Povrch přísavek není
hladký – mikroskopické
výběžky – dokonalý kontakt
s povrchem uchopeného
předmětu
•
Dosud vyráběné přísavky hladké
13
Bílkoviny
• Pružnost – resilin, elastin – uvolní kolem 90%
energie
• Pavučina – méně pružná (vrací cca 35% energie),
ale pevná (3x větší zátěž než kevlar užívaný k
výrobě neprůstřelných vest)
• Pavoučí vlákno o průměru zahradní hadice –
udrželo by na každém konci plně naložený letoun
Boeing 747
• Deriváty elastinu uměle vyrobené – pohlcují
vibrace – zvuková izolace (např. ponorky)
14
Rostliny - inspirace
pro stavební konstrukce
Trávy
• ultralehká a přesto ve
větru pevná stébla
Stromy
• rozdvojení kmene
• nasazení větví ke
kmeni
15
Kostry zvířat – inspirace
pro stavební konstrukce
Lebka slona
• sendvičová
konstrukce
Lastura loděnky
Schodiště
Sagrada Familia
Barcelona
16
Lidské svaly vs pneumatické svaly
•
•
•
•
inspirace konstrukcí i funkcí
vícekomponentové
kapalinotěsná pružná hadice
pevná vlákna kosočtvercového tvaru trojrozměrná křížová struktura
17
18
Náhradní díly pro člověka
•
•
•
•
•
•
•
•
srdce - kardiostimulátor, ventrikulární asistent
ledviny - umělá ledvina
umělá pokožka
paže - protéza
sluch - kochleární neuroprotéza
zrak - zrakový implantát
hmat - tlakové senzory
klouby - kloubní náhrady
19
Srdce
ventrikulární asistent
kardiostimulátor
20
Ledviny
• v současnosti - umělá
ledvina - velké složité
zařízení
• NASA - výzkum a vývoj
osobní umělé
přenosné ledviny
21
Pokožka
• lidská pokožka schopnost regenerace
• umělá pokožka dočasná náhrada
• 2 typy
• kombinace silikónové
fólie a vrstvy pocházející
z hovězího masa a
žraločích chrupavek
• nylon
22
Paže
protéza
• paže a prsty z plastické hmoty
• uvnitř elektřinou poháněný
mechanismus
• citlivé elektrody napojené na
funkční nervy v pahýlu
končetiny
• prsty citlivé, ale i silné nerozbijí vejce, ale rozdrtí
ořech
23
Sluch
• kochleární neuroprotéza
• přijímač - převod zvuku
na elektrický signál
• v čipu upraven
• veden do vnitřního ucha
• elektrody napojené na
nervové buňky
24
Zrak
• implantát umístěný na
sítnici
• kamera v brýlích změna obrazu v
laserové signály
• vstup do oka - na
implantát - převod
signálu v elektrické
impulsy - do očního
nervu (tato část je
zatím nedořešena)
25
Hmat
• tlakové senzory
• zpětná transformace
signálu ze senzorů pocit svrbění,
mravenčení - rozeznání
kvality povrchu
• využití - NASA astronauti ve vesmíru
při práci v rukavicích umístění senzorů na
rukavice
26
Klouby
• umělé klouby
• největší problém - tření
• kluzný systém kov polyetylen
• kovové součásti ocelové slitiny, titan
• kloubní hlavice - kov,
keramika, zirkonium
27
Klouby
28
Budoucnost
• otevřené oči, fantazie, tvůrčí přístup
aplikace
• robotika
• medicína
– další náhradní díly
– využití mikrorobotů
– využití nanotechnologií
• stavební konstrukce
• konstrukce různých zařízení
• konstrukce dopravních prostředků
29