A LOKÁTOR IS A TERMÉSZETBEN SZÜLETETT Dömötör Csaba okleveles gépészmérnök, egyetemi tanársegéd Miskolci Egyetem, Gépelemek Tanszéke ABSTRACT In the methodical machine designing basically there are guidelines of discursive and intuitive planning. The point of discursive planning is the conscious design process. On the other hand the intuitive work is like a sudden invention, which is built on preexistent acquirements and experiences. The largest ”experiencecollection” is accumulated in the nature. These practical configurations which have stood the test of time represent a great knowledge. But we can transform it to practice only with complex function-analysis. Many instances illustrate the operation of this principle. This article will show some of these interesting examples from the subject of communication. BEVEZETÉS A módszeres géptervezésben alapvetően megkülönböztetjük a diszkurzív és az intuitív tervezés irányvonalát. A diszkurzív tervezés egy bebizonyítás elvű folyamat, egymásra épülő irányelvekkel és feltételrendszerrel. Ezzel szemben az intuitív munka inkább hasonlít a feltaláláshoz, mint a tudatos fejlesztéshez. A diszkurzív tervezés előnye, hogy aránylag könnyen elsajátítható technikájával lépésről lépésre juthatunk el akár a kész konstrukcióig. Valóban eredeti ötlet viszont szinte kizárólag az intuíció keskeny ösvényén születhet, de ehhez nagymennyiségű felhalmozott tudásra és tapasztalatra van szükség. Joggal merül fel a kérdés: Hol találhatjuk a legátfogóbb „tapasztalat-gyűjteményt” felhalmozva? Azt hiszem, a válasz egyszerű: A természetben! A hosszú évmilliók során a természetben számtalan műszaki probléma merült fel, melyekre - szükségszerűen - valamilyen megoldás is mindig kialakult. Ezek mindegyike gyakorlatias és legtöbbször igen frappáns. Megfigyelték, hogy az élővilág a környezettel való kölcsönhatás útján, - mely mint nyílt visszacsatolásos rendszer működik -, egyfajta optimálással jut el az ideális megoldásig. A mérnökök számára tehát nem haszontalan, hogy a természetben így összegyűjtött információhalmaz valamilyen módon hozzáférhetővé váljék. A természeti adaptációra számos területen találhatunk példákat, úgymint: − szerszámok és eszközök, − hely és helyzetváltoztatási elvek, − áramvonalas testek, − építészeti megoldások, könnyített konstrukciók, − formatervezési szabályok, − tervezési algoritmusok, − kommunikációs és információszerzési módszerek, stb. ADAPTÁCIÓ A TERMÉSZETBŐL
Egyértelmű, hogy a természetben található kész megoldások bármilyen csábítóak legyenek is, legtöbbször módosítás nélkül nem vihetők át a műszaki alkalmazások területére. Felhasználásukhoz átalakítás szükséges. Effajta adaptáció útján viszont lehetőségünk nyílik a hosszú idők óta működőképes és jól bevált hatáselvek illetve hatáshordozók széleskörű felhasználására. Nyilvánvaló, hogy műszaki elvek nem teremthetők egyszerűen a természet analógiájára. Meg kell találnunk tehát azt a módszert, amivel összekapcsolhatjuk a természeti és műszaki feladatokat illetve azok megoldásait. Hasonló temészeti probléma
Hasonló temészeti megoldás
Saját probléma
Saját megoldás
1. ábra A problémamegoldás általános modellje INFORMÁCIÓSZERZÉS A TERMÉSZETBEN Az állatvilágban az információcsere elsősorban az öt alapvető érzékszerv segítségével valósulhat meg. Így történhet látás, hallás, tapintás, szaglás vagy ízlelés útján. Speciális esetei lehetnek még például a nyomásváltozás vagy az elektromosság érzékelése - ez utóbbit a kacsacsőrű emlősnél illetve a pörölycápánál figyelték meg-, nagyfrekvenciás rezgések felfogása - mely a denevérek, madarak és delfinek tulajdonsága -, vagy a hőlátás, ami a kígyókra jellemző. FÉNY ÉRZÉKELÉSE Vizsgáljunk meg ismert példákat, melyek jól mutatják, hogy analógiák és elvek keresésével valós műszaki feladatok oldhatók meg. A látás kapcsán az első említésre méltó dolog a szem és a fényképezőgépek képalkotó részeinek hasonlósága. A szemben megtalálható szaruhártya, szivárványhártya és retina együttese megfelel az fényképezőgépekbe beépített lencse, fényrekesz és film összességének. (2. ábra) Mindkét esetben a fókuszált fény, erősségének szabályozása után, egy fényérzékeny felfogó felületre kerül. A természetben még az előre-hátra mozgatható lencsékre is találhatunk példát a lábasfejűek között. Ilyenek a polipok, szépiák, óriáskalmárok. Általában az élőlények a fókuszálást a szaruhártya görbületének változtatásával érik el, de ezek a mélytengeri állatok óriási szemeikben előre és visszarántják a lencsét, mint a diavetítő.
Normál fókusz
Közellátás
Távollátás
2. ábra [3] Látás a természetben és a műszaki gyakorlatban Mind a természetben mind pedig a műszaki gyakorlatban megtalálhatjuk a látás speciális eseteit, mint például a hőlátást vagy az éjjellátást. Egyes kígyók szeme alatt úgynevezett gödörszervek vannak, amelyekben infravörös sugárzásra vagy hőre érzékeny membránok helyezkednek el. Már 0,005 °C hőmérséklet-változást is érzékelnek, bár csak 15 cm-en belül. [2]
3. ábra [2] A pápaszemes maki nagy szemeivel éjjel is jól lát REZGÉSEK ÉRZÉKELÉSE A hallás területén is sok hasonlóságot fedezhetünk fel. Kezdjük mindjárt a fülkagyló tölcsérszerű alakjával, mely a hangot a hallójáratba vezeti. Hasonló elven, csak éppen visszafelé működik az amfiteátrum alakja vagy éppen a gramofon tölcsérje. (4. ábra) De fülünk belsejében is nagy a hasonlóság a mikrofonhoz, melynek membránja a dobhártyát utánozza.
4. ábra [3] A tölcsér és egyik műszaki megfelelője A hallás különleges esetei közé soroljuk azon frekvenciatartományok érzékelését, melyekre például az ember már képtelen. A siketfajd kommunikációra az alacsony frekvenciatartományba eső infrahangokat használja, de ugyanígy a fajon belüli információcsere ezen formája jellemző még a bálnákra és elefántokra is. Műszaki kommunikáció terén egyik legelterjedtebb a rezgésérzékelésen alapuló információszerzés. Erre jól kifejlesztett lokátor rendszereink vannak, de mindegyikre találhatunk példát a természetben. A radar, mely a levegőben mikrohullámú frekvencia használatával működik, alkalmas hajók és repülőgépek irányítására és légvédelmi célokra. Ilyen visszhangradarra az állatvilágból egyik legjobb példát a denevérek szolgáltatják. További különlegesség, hogy „ismerik” és használják az úgynevezett Doppler-effektust, mely a mozgó tárgyakról visszaverődő jel frekvenciájának a kibocsátott jelétől való kismértékű eltérését írja le. (5. ábra) Ezt az okozza, hogy a közeledő tárgyról visszaverődő rádióhullámok torlódnak, míg a távolról visszaverődők széthúzódnak. A denevér a nagy fülein lévő redők segítségével fogja fel a zsákmányállatairól visszaérkező rezgéseket és állapítja meg ezek frekvenciáját, majd ennek megfelelően változtatja repülési útvonalát.
5. ábra [3] A denevér alkalmazza a Doppler-effektust
Persze nem csupán a levegőben, de a víz alatti világban is szükség van kommunikációra. Az óriás ámbráscet és a delfin is érzékeli a tárgyakról visszaérkező hangot, és ezen visszhangok elemzése révén találja meg zsákmányát és kommunikál fajtársaival. Ennek megfelelője az aktív szonár a melyet a II. világháború alatt még a tengeralattjárókon is használtak, de mivel itt az egyik fő cél a rejtőzködés lett, felhagytak a könnyen bemérhető hangok kibocsátásával. Pedig természetesen mind a vízben, mind pedig a levegőben vannak passzív hanglokátorok is, melyek a környezetből érkező neszeket észlelik. Az állatvilágból jó példa erre a cápák füle, mely alacsonyfrekvenciájú rezgésekre van hangolva, amilyeneket a sebesült hal bocsát ki. Így a cápa már több mint 2 km távolságból észleli leendő áldozatát. A tengeralattjárók is kihasználják, hogy az alacsony frekvenciájú hangok a víz alatt nagyon jól terjednek. Ezáltal már messziről be tudják mérni az ellenséges hajók hajócsavarjai által keltett zajokat és időben fel tudnak készülni egy esetleges támadásra. Ennek kiküszöbölésére a tengeralattjárók le szokták állítani a motort, hogy teljesen elrejtőzhessenek. Ezen módszer megkerülésére az USA a japánok ellen már hőérzékelést is bevetett, így hiába volt a csendes motor, ha meleget bocsátott ki. Nem esett még szó, a másik három alapvető érzékelési módról, de ezekre eddig még nem találtam igazán jó példákat. A tapintásra a 3D-s letapogató szkenner vagy éppen a végállás kapcsolók mutathatnak jó példát. Az ízlelés és szaglás pedig egyfajta vegyi anyagok jelenlétének érzékelésére vezethető vissza. Így az indikátor papírok vagy éppen a füstérzékelők hasonlóságot mutatnak ezen érzékelési módokkal, de ennek bővebb elemzése már egy másik cikk témája lehet. ÖSSZEFOGLALÁS Az élővilágban számtalan elv kínálja magát, melyek a mérnökök számára igen nagy segítséget nyújthatnak a műszaki problémák megoldásaiban. Fontos, hogy az idő próbáját kiállt célszerű megoldásokat csak komplex funkció analízissel ültethetjük át a gyakorlatba. Ennek több útja is lehet attól függően, hogy a műszaki probléma megfogalmazása megelőzi vagy követi a természeti példa felkutatását. Bármelyik úton haladjunk is, számtalan példa szemlélteti ennek az elvnek a működését, melyek közül néhányat ez a cikk is bemutat. IRODALOMJEGYZÉK [1] G. Pahl - W. Beitz: A géptervezés elmélete és gyakorlata, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981 [2] A természet ezernyi csodája, Reader's Digest Kiadó Kft., Budapest, 2002 [3] Microsoft® Encarta® Encyclopedia 2004. © 1993-2003 Microsoft Corporation
