Природни структури в строителството, медицината и транспорта

Развитието на нови компютърни програми и приложението им в анализа на структури от живата и неживата природа води до нови открития за естествено възникналите форми и материали. Целенасоченото пресъздаване на тези структури и техните специфични функции може да послужи за подобряване на медицинските технологии и за намаляване на енергийните разходи в строителството, транспорта и промишлеността.

Имитация на природни структури

Биомимикрията е свързана с изучаването на поведението на животните и растенията и на естествените процеси.

Тази практика произлиза от стремежа да се намират технологични решения за функционалните нужди на човека. Чрез биоимитиране се създават нови материали и продукти с извънредна якост, твърдост, гладкост, адхезия, еластичност, прозрачност и аеродинамичност.

В края на 19-ти и по време на 20-ти век се зараждат движения като Ар Нуво, които търсят вдъхновение във формите на природата и се стремят да пресъздават природни структури в архитектурни и мебелни произведения. Тези идеи силно изпъкват в архитектурата на Антони Гауди (1852-1926) и на Виктор Хорта (1861-1947).

Каса Батльо

Хотел “Тасел”

В днешно време имитацията на природни структури се осъществява с помощта на компютърни програми и 3D принтери. Възможността да създаваме виртуални модели с точни координати, които могат да бъдат разчитани от машини с двигателна способност, премахва много от проблемите, с които са се срещали архитектите и инженерите на миналото.

С навлизането на 3D принтерите става възможно пресъздаването на микроструктури в увеличен мащаб и на други комплексни конфигурации. Изобретатели и ентусиасти принтират не само с пластмаса, а и с бетон, стомана и дърво (целулоза). Ресторантьори създават изкуствени пържоли с хранителни принтери, а доктори моделират синтетични органи с био материали.

Анализ на природни структури

Хексагоналната структура на клетките в медените пити е структурен феномен, който е изразен не само във външната природа, но също така и в човешкото тяло. Подобна пространствена структура с характер на микро-фермена конструкция придава якост и твърдост на костите.

Компютърен томограф на тазобедрена кост

С помощта на компютърен томограф се съставя визуална репрезентация на костния обем, който се опростява в система от едноизмерни обекти. Впоследствие се създава модел от крайни елементи, за да се анализират напреженията в обема.

Модел на напрежения в тазобедрена кост

Остеопорозата, често срещано заболяване на костната система, води до разрушаване на връзките в микроструктурите и до създаване на празни пространства, които увеличават риска от пукнатини и счупвания. В повечето случаи това състояние се диагностицира от специалисти, когато крехкостта на костите се прояви след злополука. Моделирането и анализа на определени кости позволява да се даде точна оценка за издръжливостта на костната система на човека и да се вземат мерки за предотвратяване на потенциални инциденти.

Форма, функция и екосистема

Всеки инженерен проблем е свързан с определена форма, функция или екосистема.

Хората все по-често се обръщат към природата за примери на тези аспекти в търсенето на нови по-енергийноефективни и по-икономически изгодни решения.

Формата се определя от външния облик на един обект или от конфигурация, която ясно се отличава от основната си материя.

Кожата на акулите притежава уникална микроструктура, която ѝ позволява да се движи по-бързо във водата. Микрозъбци смущават водния слой около тялото на акулата и така намаляват челното съпротивление. По подобие на тези микроструктури е създадена боя, която придава релеф на корпусите на самолети, кораби и вятърни мелници след апликация със специален инструмент. Немски учени са доказали, че боята може да намали триенето с до 5%.

Микроструктура на акула

Носът на японския влак стрела Шинкансен е моделиран по подобие на клюна на синьо рибарче, за да се намали звука от триенето с въздушната маса.

Шинкансен

Синьо рибарче

Функцията е характеристика, която се проявява при взимането на роля в осъществяването на определен процес или при постигането на определен ефект.

В началото на 21-ви век се появява интернационалното общество за формиране на структури с платове. Това е съвременна организация, която цели да развие нова методология за изливане на бетон в отливки от плат и по този начин да стимулира създаването на естетични флуидни форми с подобрен структурен характер.

Флуидни форми / тумбеста греда

Тумбестата греда следва естествената линия на катинар и притежава натурално променливо сечение с максимална дълбочина в средата на дължината, където се очаква да се развие най-голям огъващ момент.

Шестоъгълна структура

Шестоъгълна структура

Шестоъгълната структура на клетките в медена пита е имитирана в структурата на специално стъкло, което контролира усвоената топлина от слънцето, докато позволява на голяма част от светлината да навлезе в пространството.

Екосистемата е механизъм от живи и неживи компоненти които взаимодействат помежду си.

Термитите притежават невероятна способност да изяждат голяма част от дървото, в което живеят, без то да се разпадне. Тези насекоми знаят кои сектори от обема могат да бъдат премахнати без да се нарушава цялостната стабилност на системата.

Инженери от Аруп, една от най-известните консултантски фирми в сферата на архитектурата и строителното инженерство, са приложили метода на термитите в дизайна на офис-комплекс в Хараре, Зимбабве. Така правилното подреждане на обемите в сградата засилва пасивното охлаждане и минимизира нуждата за допълнителна вентилация, което пък намалява консумацията на енергия с 90% в сравнение с тази на други офис сгради в региона.