Это цикл выпусков о бионике. 🌎
О разнообразном применение бионических дизайнерских решений мы писали в первой части.
В этом выпуске мы говорим о том, как аддитивные технологии дали толчок для воплощения многих бионических решений.
3D-ускорение
Дополнительный стимул распространению бионических решений в последнее десятилетие дало развитие 3D-печати. Как оказалось, аддитивные технологии идеально подходят для воплощения сложных бионических форм.
Их уже применяют для создания протезов, в машиностроении и строительстве. Новые изделия оказываются легче обычных аналогов, но как минимум не проигрывают им по прочности или гибкости.
С помощью аддитивных технологий Toyota смогла воплотить в жизнь дизайн автокресла, смоделированного в структуре костного скелета. Его вес составил около 7 кг против 25 кг у аналогичной продукции.
Именно 3D-печать использовали для производства титановых крепежей для бионических багажных полок самолета А350. Их вес снизился на 45%. Теперь в компании работают над печатью бионических материалов больших размеров.
Первым шагом в этом направлении стал проект по производству перегородки для самолетов семейства А320, отделяющей пассажирский салон от кухни. На 3D-принтере ее отпечатили из специального материала Scalmalloy (сплава алюминия, магния и скандия). Получилась бионическая структура, имитирующая паутинную сеть. По сравнению с перегородками, которые в настоящее время используются в самолетах, вес изделия снизился на 30 кг. Пока это крупнейший в мире компонент салона самолета, созданный на 3D-принтере.
Сложнее и сложнее
Следующий уровень сложности существующих бионических решений — сымитировать не только форму, но и манеру движения живых организмов.
Разработчики роботов уже много лет создают такую технику. Уже существует машина, которая использует крючки, чтобы цепляться за неровности, и ямы, чтобы закрепиться, а потом прилипнуть к поверхности, как это делают осы.
Другое интересное решение — сельскохозяйственный робот, перемещающийся над полем на натянутых над ним тросах. Он перехватывает их руками, раскачиваясь, как на лиане. Бионический подход основан на копировании движений ленивца.
Существует уже даже робот-таракан, который избегает препятствий, выполняя прыжки в высоту на расстояние более полутора метров.
Но в последние годы ученые все чаще стали задумываться, как использовать еще и естественные свойства живых организмов.
Например, в мире существует уже несколько моделей робомедуз. Обычно их делают из пластика и проводов, а используют для наблюдения за морской средой. Такая форма повышает маневренность роботов в воде. Но одним из наиболее удачных считается проект ученых из Массачусетса. Для своего аппарата они культивировали ткань сердечной мышцы крысы. Она сокращается при электрическом стимулировании в жидкой среде. Эта мышца стала сердцем робота, которое поместили в «тело» (силиконовый полимер) и выпустили в океан. Такая медуза абсолютно безопасна для экосистемы, и ее собираются использовать даже на Большом барьерном рифе в Австралии.
Несколько лет назад ученые начали выращивать спонгин (вещество, из которого состоит скелет морских губок) для создания композитных материалов. Он устойчив к воздействию кислот, а также выдерживает нагревание до 360 °C при наличии кислорода и до 1200 °C в бескислородной среде.
После термообработки карбонизированный материал воспроизводит форму и уникальную микроархитектуру природного каркаса губки. По крепости он сопоставим с графитом. Из него уходит минеральная составляющая, и образуется твердая пористая структура с большой открытой поверхностью. На нее можно наносить катализатор для экологической очистки воды. Он очень быстро перерабатывает агрессивные химические вещества в нейтральные.
Спонгин должен стать заменой таким дорогим и не всегда экологичным материалам, как углеродные нанотрубки и нанопористые материалы.
Говорит Андрей Рипецкий, руководитель направления «Технологии цифрового и аддитивного производства» МАИ:
3D-принтинг — это инструмент для моделирования и создания геометрических форм бионического дизайна. Его можно заменить и обычными методами промышленного производства, но порядка 70% бионических деталей эффективнее создавать именно с помощью аддитивных технологий. Это особенно актуально, если в бионической форме есть внутренние полости или сложные каналы. А иногда 3D-печать — это вообще единственный выход. Так, раньше технологически невозможным было создание нераздельных деталей, допустим, для целей протезирования, и приходилось стягивать шпильками несколько раздельных элементов.
Пока 3D-принтинг также имеет ограничения. Накоплено не так много опыта печати бионических изделий, нужно больше анализа: не всегда очевидно, как долго оно прослужит. Например, в Голландии недавно презентовали напечатанный мост с применением бионически оптимизированной геометрической формы, но это лишь концепт, и пока неясно, как поведет себя конструкция со временем.
Серийно выпускаемые промышленные принтеры имеют ограничения по габаритам изделий, которые они могут воспроизвести. Но геометрическая форма и правильное технологическое членение сегодня могут дать решения по использованию самого распространенного размера камеры построения промышленных 3D-принтеров выборочного лазерного сплавления из металлопорошковых композиций (250 х 250 х 300 мм). Принтеры с большой рабочей зоной (от 500 х 500 х 500 мм) для печати металлами — пока очень дорогой инструмент.
Кроме этого, одним из основных сдерживающих факторов развития как технологий моделирования бионической формы, так и способов ее 3D-принтинга является нехватка подготовленных кадров. Другая проблема — недостаток программного обеспечения. Когда мы получаем предварительную геометрию после топологической оптимизации, это происходит полуавтоматически (результат оптимизации тоже зависит от инженера, который формирует начальные требования). Человеку надо дополнительно обрабатывать модель. Потом сложности могут возникнуть при печати, ее результат пока сложно прогнозировать. Впрочем, результаты в горизонте ближайших лет могут быть значительно улучшены за счет применения технологий искусственного интеллекта в этих процессах.
Как еще бионика влияла и продолжает изменять наш технологический прогресс? Читайте уже скоро в заключительном, третьем, материале из данного цикла!
#бионика
(очень будем рады вашей подписке на наш канал и лайку!) 😊
Кстати, мы здесь 👉 TRAIN AND BRAIN
