TECHNIKA, GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA, AUTOMATIZÁLÁS, ELEKTRONIKA Bionika a karbantartásban Biológiai megfigyelések hasznosítása műszaki rendszerek karbantartásában Tárgyszavak: biológiai rendszerek utánzása; bionika; adaptronika; biológiai javítási mechanizmusok.
A természet évmilliárdok alatt, a természetes kiválasztódás révén legtöbbször a legéletképesebb megoldást hagyta továbbfejlődni. Jogos tehát az a törekvés, hogy a legkülönbözőbb műszaki megoldásokban is megpróbáljuk a természet „tapasztalatait” hasznosítani.
Bionika Már az ősi mítoszokban is felvetődik a biológiai megfigyelések eredményeinek hasznosítását célzó törekvés. Egyik legközismertebb példája ennek az irányzatnak az Ikarosz-legenda. Az egyik legzseniálisabb művész és egyúttal a műszaki fejlesztés előfutása, Leonardo da Vinci, a XVI. század első felében olyan repülőgép-konstrukciót dolgozott ki, amelynek mintájaként a madarak repülésének megfigyelési eredményei szolgáltak. Lényegében a fenti példa teszi érthetővé a bionika alapelgondolását. Ez a tudományág rendszeresen foglalkozik biológiai rendszerek műszaki felhasználásával, konstrukciós megoldásokban való alkalmazásával, új fejlesztési irányzatok kijelölésével. A biológiai rendszerek viselkedését megfigyelve, a biológiai javítási mechanizmusokat leutánozva, műszaki rendszerek karbantartási módszerei is tökéletesíthetők.
Természetes javítási mechanizmusok A biológiai struktúrákban a fejlődés, az evolúció több javítási mechanizmust hozott felszínre. Ennek legismertebb példája a bőrsérülést követő „csodazár”. Ezek a javítási mechanizmusok a legkülönbözőbb szinteken érvénye
sülnek. Az 1. ábra teszi áttekinthetővé a biológiai rendszerek strukturálását és rendszerezését.
az organizmusok szintjei
szervek és szövetek szintje
sejtek szintje
molekuláris szint
növénytan
állattan
szövetek
szervek
prokarióta sejt
aminosavak
eukarióta sejt
DNS
protein
1. ábra Biológiai rendszerek strukturálása Az evolúció folyamán mindegyik szinten sajátos javítási mechanizmusok alakultak ki. Az 1. táblázat tüntet fel néhány ilyen biológiai javítási mechanizmust. Ezekre a mechanizmusokra alapozva újszerű karbantartási megoldások születtek.
Bionika a karbantartásban – javítási mechanizmusok Minden anyag építőelemeként szerepel, a szervezet legkisebb funkcionális egységeként, a DNS-molekula. A természet már ezen a szinten kifejlesztette a javítási mechanizmusokat. A szervezet építőelemeit az enzimek ellenőrzik és elvégzik a javítást. Tehát már elemi szinten megakadályozzák,
hogy a hibák továbbterjedésével károsodhasson a teljes szervezet. Ez a mechanizmus a sejtek és szervek regenerálásának alapja. Amennyiben sikerülne egy ilyen regenerálási mechanizmust a technikába átvinni, messzemenő hatást gyakorolna minden műszaki rendszerre. A DNS-szinten végbemenő természetes regeneráláshoz hasonlóan a gépek és berendezések legkisebb szerkezeti építőegységei számára is ki kellene fejleszteni a javítási mechanizmusokat. Ezeknek magában az anyagban, automatikusan kellene érvényesülniük és az anyag regenerálását kellene, hogy eredményezzék. A terhelés következtében létrejövő vagy már meglevő strukturális hibáknak kellene aktiválni ezt a mechanizmust és így megakadályozhatnák az anyagi tulajdonságok kedvezőtlen alakulását. Ennek a fantáziában gyökerező elképzelésnek érdekes gyakorlati megvalósítását célozza az adaptronika kutatási területe, amelyik többek között multifunkcionális anyagokkal foglalkozik. 1. táblázat Biológiai javítási mechanizmusok Az organizmusok szintjei
• Pókhálók helyrehozása
Szövetek és szervek szintje
• Elhasználódó szövetek regenerálódása • Az emberi szervezet sebének gyógyulása • Javítás helyreállítással – növények sebének gyógyulása – férgek regenerálása – testfelosztódás állatoknál – csonttörések gyógyulása
Sejtek szintje
• Az emberi immunrendszer mint biológiai karbantartás • A növények védelmi mechanizmusa a szervezet karbantartása
Molekulák szintje
• Genetikai információ javítása/DNS javítása – javítás visszamutálással – közvetlen javítás – sebjavítás – hibapárosodás javítása
Az egészen kis zavaroknak közvetlenül az anyagban való kiegyenlítésére elképzelhető megoldást mutat be a 2. ábra. Ezen kívül a jövőben a nanotechnológia is hozzájárulhat a javítási lehetőségekhez. Tudományos szakemberek szerint megjósolható, hogy atomszinten fognak szerszámokat, sőt teljes megmunkálógépeket kidolgozni. Ezek alkalmazhatók lennének az egészen kicsiny anyaghibák kiküszöbölésére.
sérült alapanyag
sértetlen alapanyag
javító folyadékot tartalmazó mikrocsövek
széttört mikrocsövek
összeragadt repedéscsúcs
2. ábra Egy „önjavító” komplex anyag modellje Részecskeleválasztás elve Műszaki hasznosításra ösztönöznek az emberi immunrendszer védekezési mechanizmusai is. Az antigéneket a falósejtek aktívan megtámadják és feloldják. Így a szervezet mentesül a károsító hatástól. Ezt a mechanizmust párhuzamba lehet állítani műszaki feladatokkal is. Így lehet például folyadékrendszereket idegen anyagoktól mentes állapotban tartani. Hagyományosan ezt a feladatot, a részecskék leválasztását, passzív tisztítórendszerekkel, szűrőkkel oldják meg. A szűrők azonban azzal a negatív hatással rendelkeznek, hogy növelik az áramlási ellenállást és folyamatosan csökken szűrési teljesítményük. Ezért a szűrőket időszakonként tisztítani kell. Ezt a hátrányt a falósejtek mintájára felépített aktív tisztítórendszer kiküszöbölhetné. Az ilyen rendszer a folyadékban jelenlévő idegen anyagokat felismerhetné és azonnal feloldhatná vagy ártalmatlan struktúrává alakíthatná át. Például lehetőség van arra, hogy erre a célra baktériumokat tenyésszenek, amelyek a károsító anyagokat célratörően lekötnék vagy lebontanák. Ezt az elvet már a környezeti károk megelőzése érdekében, olajmaradványok eltávolítására hasznosítják. Hasonló módszerrel lehetne például elkerülni, hogy aktív szerves szennyezők károsíthassák a csőrendszereket, vagy így lehetne a módszer szempontjából nemkívánatos közegeket bizonyos rendszerekből eltávolítani. Az aktív tisztítórendszereket többek között gépi berendezések kenő- és hűtőrendszereiben lehetne felhasználni. Alakra emlékezés elve Az immunrendszer egyik mechanizmusát lehetne hasznosítani a karbantartás egyik-másik területén is. Ennek lényege, hogy a vérben emlékező sejtek
vannak jelen. Ezek a már leküzdött antigének felismerési kulcsait tárolják. Egy második esetben ily módon a szervezet felismeri az antitestet és gyorsabban reagálhat. Ilyen jellegű hibákra műszaki berendezésekben is gyakrabban sor kerül és ezáltal a berendezés károsodik. Ezek jelentős mértékben alakváltozási károsodások. Így például vezérlési hibák vagy kezelési tévedések a szerelőberendezések gyors javítására az emlékező sejtek elvét hasznosítanák, az alakemlékezési, memóriajellegű megoldás is elképzelhető. Ennek a memóriának a feladata lehetne, hogy a szerkezeti elem funkcionális alakját tárolja. Alakváltozást követőleg mindössze aktiválni kellene, hogy a tárolt alakot regenerálja. Feleslegessé válna a szerkezeti elem munkaigényes egyengetése, az ismételt beállítgatás vagy a deformált elem cseréje. Az „emlékezetaktiválás” révén megoldott gyors üzembe helyezés lerövidíthetné a gépek állásidejét, és ezzel karbantartási kapacitás szabadulna fel. Az ilyen javító mechanizmusok megvalósítására alakemlékező fémek jöhetnének szóba. Ezek elvileg megfelelnek a fenti követelményeknek. Az ilyen alakemlékező fémek nagymérvű képlékeny alakváltozását hőmérséklet-növeléssel vissza lehet állítani az eredeti állapotnak megfelelően. Tisztázni kell ennek érdekében például a mechanikai terhelhetőséget, a regenerálási hőmérsékletet, ennek hatását a szerkezeti elem környezetére, a regenerálási hőmérséklet létrehozásának és érvényesítésének módját, a regenerálási pontosságot, az anyag megmunkálhatóságát, a gazdaságosságot, valamint az ebből eredő felhasználási lehetőségeket. Az alakra emlékező fémek felhasználhatók lehetnek még berendezések túlterhelés elleni védelméül szolgáló, kombinált detektáló/aktiváló egységként. Meg kellene vizsgálni ezzel kapcsolatban többek között, hogy alakra emlékező fémeket mechanikus kötőelemként használjanak fel. Ezek lehetővé tennék, hogy termikus túlterhelés esetében, az alakra emlékezés aktiválása következtében automatikusan oldják a kötést. Azt is meg kellene vizsgálni, hogy egy ilyen ötvözetből készült kötőelemnek a túlterhelés következtében megváltozott mechanikai tulajdonságai szintén regenerálhatók-e. Ebben az esetben az is elképzelhető lenne, hogy az előzetes alakváltozás következtében oldódott kötés a hőmérséklet növelésével önmagát „meghúzná” ismét. Optikai jelek észlelésének elve A vér piros színe egy sérülés esetében erős optikai jelet szolgáltat, amelyik lehetővé teszi a sérülés helyének gyors megtalálását. Ezzel analóg módon ellenőrizni kellene, hogy berendezések kritikus állapotát lehetne-e optikai jelek révén észlelhetővé tenni. Ebben az esetben a túlterhelést vagy a meghibásodást a berendezés kezelője időben felismerhetné és elháríthatná. Alkalmazása esetében folyadékok megszínezésére kerülhetne sor. Ha például olajokat és hűtő–kenő anyagokat neonfestékkel színeznének, gyorsabban lehetne a
berendezéseken a szivárgásokat felismerni. Egy megfelelő színkódolás egyidejűleg az anyag azonosítását is megkönnyíthetné. Optikai jelek alkalmazásának további lehetősége a túlterhelési állapotok közvetlen jelzése. Felhasználásra kerülnek például olyan termoanyagok, amelyek egy kritikus hőmérséklet átléptekor megszíneződnek. Közvetlenül szerkezeti elemekben felhasználva, ily módon termikus túlterhelést jelezhetnének. A kritikus feszültségi állapotok, vagy az ezekkel együtt járó alakváltozások jelzése is elképzelhető. Bizonyos hőre lágyuló műanyagok tulajdonsága a fehértörés, azaz képlékeny alakváltozás esetében kifehérednek. Ha ezeket kritikus szerkezeti elemre vinnék fel, akkor jeleznék a színváltozással az alakváltozást. Részletesen kellene megvizsgálni a műanyagtípus, a műanyag elszíneződése és alakváltozása, érzékenysége és mérési tartománya között az összefüggéseket. Az optikai jeleket ezen túlmenőleg optoelektronikus detektorok révén információs rendszerekbe lehetne juttatni, hogy ott további intézkedések kezdeményezésére nyíljon lehetőség. Illatanyagok kommunikációs felhasználása A pókhálók a rovarfogáson kívül kommunikációs feladatokat is ellátnak. A pók ehhez illatanyagokat használ fel (feromonokat), amelyeket a háló szálain leköt. A fajhoz tartozók regisztrálják ezeket a kémiai információkat és reagálnak rájuk. Ezeket az összefüggéseket elemezve vetődött fel az ötlet, hogy megvizsgálják, van-e lehetőség illatanyagok felhasználására csővezeték- és tartályrendszerek szivárgási helyeinek meghatározásához. Az illatanyagok élelmiszeripari felhasználása is elképzelhető, valamint a feromonok szintetikusan előállított változatait ugyancsak lehetne alkalmazni. A sajátos szag és annak felszabadulásakor a környezetére gyakorolt hatás figyelmeztethet a szivárgásra. Az illatanyag koncentrációváltozása alapján végezhető el a szivárgás helyének megállapítása. A láthatatlan gázok, például a földgáz esetében a szagosító anyagokat már alkalmazzák a műszaki gyakorlatban. A felvetés abban az értelemben érdekes, amennyiben normális üzemi feltételek között nem veszik céltudatosan igénybe az emberi szaglóérzéket, hanem általában akusztikai és optikai jelekre hagyatkoznak. Az emberi szaglóérzék kihasználásán túl feromonokra reagáló állatok fajazonosítása is megoldható. Egyes állatfajok, például lepkék, olyan feromonkoncentrációt is képesek érzékelni, amelyik lényegesen alatta van a műszakilag érzékelhető koncentrációnak. Elképzelhető, hogy nagy technológiai berendezések esetében ezeket a feromonokat az ellenőrzéshez felhasznált vagy a szállításra kerülő gázokhoz keverik és lepkéket használhatnának fel a szivárgás kimutatására.
Összefoglalás Ennek az összeállításnak nem az a célja, hogy részletesen kidolgozott koncepciókat és intézkedéseket ismertessen a karbantartók számára. Azt kívánta bizonyítani, hogy biológiai javítási mechanizmusoknak műszaki rendszerek karbantartására való átvitelével újszerű megoldási ötletek hasznosíthatók. Itt csak néhány elképzelés felvetésére került sor. Ahhoz, hogy ezeket a gyakorlatba át lehessen ültetni, további kutatások szükségesek. (Dr. Barna Györgyné) Redeket, H.; Brüggemann, H. stb.: Bionik in der Instandhaltung. = Zeitschrift für Wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 96. k. 4. sz. 2001. p. 186–189. Barthlott, W.; Neinhuis, C.: Lotus-Effekt und Autolack: Die Selbstreinigungsfähigkeit mikrostrukturierter Oberflächen. = Biologie in unserer Zeit, 28. k. 5. sz. 1998. p. 314–322.
