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
