طراحی زیست‌تقلید: طبیعتِ الهام بخش | Biomimetics Design

طراحی زیستی، زیست‌تقلید (Biomimicry) و طراحی بیونیک (Bionic Design) مفاهیمی هستن که به ظاهر شبیه‌ان، ولی در عمق، تفاوت‌های جالبی دارن. هر سه به نوعی از طبیعت الهام می‌گیرن، اما با انگیزه و خروجی متفاوت.

در ادامه یک نگاه مقایسه‌ای و عمیق به این سه مفهوم می‌ندازیم:

🌱 طراحی زیستی (Biodesign)

«زیست» در اینجا هم منبع الهامه، هم گاهی خود ماده‌ی اولیه. در طراحی زیستی، از ارگانیسم‌های زنده، فرآیندهای زیستی، یا حتی DNA به‌طور مستقیم در طراحی استفاده می‌شه. این طراحی نه‌فقط الهام‌پذیر، بلکه «زیست‌محور»ه.

زیست‌تقلید (Biomimicry)

در اینجا «ایده‌ها» از طبیعت گرفته می‌شن، نه الزاماً مواد. هدف، حل مسائل انسانی با تقلید از راهکارهایی‌ست که طبیعت طی میلیاردها سال آزمون و خطا بهشون رسیده.

به عبارتی می‌توان گفت طراحی زیست تقلید هنر به‌کارگیری دانش سیستم‌های زنده در حل مسائل فنی است.

طراحی بیونیک (Bionic Design)

در طراحی بیونیک، فناوری و زیست‌شناسی با هم ترکیب می‌شن؛ هدفش ساختن سیستم‌ها یا محصولاتیه که ویژگی‌های زیستی رو با تکنولوژی تقویت کنن یا بازآفرینی کنن. گاهی با الهام از بدن انسان یا جانوران، گاهی به کمک تکنولوژی‌های پیشرفته مثل هوش مصنوعی و مهندسی زیستی.

بیودیزاین یا طراحی بیونیک واژه ای است که توسط لوئیجی کولانی و به عنوان یک نظریه ی مخالف طراحی «های تک» (Hi tech) خلق شده است. بیودیزاین نوعی از طراحی است که بر مبنای واقعیت های موجودات زنده در طبیعت صورت می گیرد. کولانی از این بیم ناک است که بسیاری از محصولات «های تک» امروز در تضاد با قوانین طبیعت قرار دارند. او عقیده دارد که انسان ها مجبور شده اند تا خود را با ماشین ها وفق دهند، زیرا تکنولوژی هنوز به شکل کافی تکامل پیدا نکرده است و بسیاری از ایده ها و تفکرات بر اساس قوانین طبیعی شکل نگرفته اند، بیودیزاین، ارگانیک دیزاین و بیومورفیک همه، یک مفهوم را در واژه های مختلف در بر دارند و یک هدف را دنبال می کنند که در ادامه به آن می پردازیم.

مقایسه سریع

اهمیت رشته بیونیک

از زمان ظهور حیات بر روی کره زمین طبیعت و ساختارها و نظام های زیست شناختی در حل مسائل مهندسی نقش داشته است. طراحی و عملکرد گیاهان و جانوران در فرایند تکاملی طی میلیون ها سال بهینه شده است. این الگوها که در زمان های طولانی به وقوع پیوسته به راحتی مورد استفاده جهان آشفته مهندسی قرار نمی گیرد. به همین دلیل برای به دست آوردن راه حل های بهتر از طبیعت باید تلاش کرد. معیارهای زمان ممکن است متفاوت باشد اما اهداف و اجبار های طراحی کردن بسیار مشابه است. توجه به عملکرد با ارزش، بهینه سازی و بهبود کیفیت همه و همه موجب فشار در طراحی ها می گردند. بنابراین تعجب آور نیست که بشر معمولاً ساختارهای زیست شناختی را تحسین کرده و اغلب از آنها الهام گرفته و از این الهام گیری برای مهندسی و برنامه ریزی استفاده نموده است.

با گذشت سال های متمادی و با پیشرفت علم، درخت دانش انسانی پربارتر شده است. صد سال پیش مباحث ترمودینامیک، نور و الکتریسته با هم تمامی علم فیزیک را تشکیل می داده اند. ولی امروزه هیچ کس نمی تواند ادعا کند که همه چیز را درباره نور می داند. بین فیزیک دانان متخصص نور که روی پارامترهای عدسی دوربین کار می کنند و پژوهش گری که با نور لیزر آزمایش انجام می دهد شکاف بزرگی به وجود آمده است. هر روزه تقسیم بندی علوم به موضوع های جدید ادامه پیدا می کند چون بر تعداد پژوهش گران و محققانی که به بررسی موضوع های بیشتر و تازه تر می پردازند، مرتباً افزوده می شود و بدین ترتیب یک روش تخصص گرایی در جهان گسترش پیدا کرده است. حال این سؤال ایجاد می شود که آیا افراط در تخصص ثمرات خوبی به همراه دارد یاپیشرفت صنعت را به مخاطره می اندازد؟ آیا بهتر نیست دانشی که از علوم تخصصی به دست می آید به وسیله ای گسترش یافته و به صورت یک دانش عمومی درآید؟ در این رابطه و برای کاربرد بهترتحقیقات، علوم رابط یا بین رشته ای از نیمه دوم قرن بیستم پا به عرصه حضور گذاشتند و در حوزه این علوم بین رشته ای شرایط مناسبی برای تداخل اندیشه ها و تخصص ها فراهم آمده که موجب پیشرفت پژوهش ها می گردد.

در این رابطه یکی از این علوم بین رشته ای بیونیک می باشد که با تداخل اندیشه های زیست شناسان و مهندسان پیشرفت های چشم گیری در عرصه تمام علوم به دست آورده و منجر به بهبود و سازگاری بهتر انسان و صنایع بشری با طبیعت شده است.

اهمیت زیاد بیونیک به دلیل بین رشته ای بودن آن می باشد. در این زمینه محققان از استخراج ایده های زیست شناسی و طبیعت و به کار بردن آنها برای راه حل های مهندسی تمام علوم سود می جویند. به طور کلی مهندس کسی است که توانائی استخراج عملکرد ماکزیمم با هزینه مینیمم را از موادی که در دسترس دارد، داشته باشد و یک طرح مناسب برای رسیدن به هدف ارائه کند در صورتی که مهندسان اغلب به وسیله برچسب هایی که خودشان می سازند محدود شده اند. ولی در طبیعت مرزهای بین مواد و ساختارها از بین رفته است و مطالعه سیستم های بیولوژیکی به منظور درک جنبه های طراحی برای هدف های مورد نیاز مفید واقع می شود. دلیل اصلی موارد ذکر شده این می باشد که ساختارهای بیولوژیکی اغلب چند عملکردی هستند به همین دلیل است مهندسی خلاقیت بیونیک به عنوان یکی از راهکارهای نوین حل مسئله های مهندسی ارائه شده و راهبردهای آن به طور مستمر استفاده می گردد.

تاریخچه بیونیک  (Bionic)

نخستین کسی که برای اولین بار واژه بیونیک را به کار برد جک ای استیل (J.E. Steel) بود.. او مقاله ای در مورد بیونیک در سال 1960 در همایش نیروی هوایی Wrighr – Patterson در داتیون اوهایو (Dayton Ohio) ارائه کرد. تعریف او از بیونیک عبارت است از: بیونیک علم سیستم هایی است که شالوده آنها سیستم های زنده می باشد یا خصوصیات سیستم های زنده را دارند و یا به سیستم های زنده شباهت دارند.

بعد از لئوناردو داوینچی دو پروفسور آناتومی کارل کارمن و هارمن ون مایر (Carl Carman & Harman Van Mayer) یک مدل ویژه از لگن خاصره انسان در دو سیستم داخلی و خارجی تهیه کردند که با یکدیگر مقاومت در برابر استرس های فشار و نیروهای کششی را تضمین می کنند. از نمونه های دیگر نیز می توان کارهای ایگو اتریچ و اگنازیو (Igo Etrich & Ignazio)را نام برد. آنها اولین هواپیمای بی موتور سبک را با کپی سازی از دانه های بازدانگان ساختند که به وسیله باد منتقل می شد و می توانست فاصله های قابل ملاحظه ای را بپیماید.

چهار صد سال (1890) بعد از لئوناردو دواینچی، کلمان آدر ماشین پرنده ای با طرح او تهیه کرد؛ با این تفاوت که ماشین پرنده وی دارای موتور بود و به جای اینکه بالها را به حرکت در آورد از ملخ استفاده می نمود.

اورتولیلینتال (O.Lilienthal) 1849-1896) یکی از پیش کسوتان پرواز در سال 1889 کتابی تحت عنوان پرواز پرنده در مقام زیر بنای هنر پرواز منتشر کرد و گلایدری تحت عنوان گلایدر لیلینتال با الگوگیری از بال های پرندگان ساخت و آن را مرغ – کبوتر (Taube) نامید.

در سال های جدید نیز الگوگیری های زیادی از طبیعت انجام شده است. در سال 1927 مهندس سویسی، جورج د مسترال George de Mestral متوجه شد که دلیل چسبیدن گیاه Cockleburs به پوستین او، هزاران قلاب کوچکی بود که هر جوانه گیاه را پوشانده است. او هشت سال صرف کرد و Velcro (کف پوش و قلاب های چسبنده) را مشابه قلاب های این گیاه ابداع نمود.

در حال حاضر نیز کنفرانس ها، همایش ها و سمینارهای متعددی در این زمینه برگزار می شود که می توان به کنفرانس Nature & Design اشاره نمود که هرساله در یکی از کشورهای جهان برگزار می شود و در این کنفرانس متخصصان علوم مختلف ازجمله بیولوژی، الکترونیک، کامپیوتر، ریاضی، فیزیک و… در رابطه با این علم به بحث و تبادل نظر می پردازند.

با درک عمیق تر از نوآوری محصول و توسعه پایدار، مفهوم “یادگیری از طبیعت” منجر به دور جدیدی از کاوش در طراحی بیونیک می‌شود. بر اساس توضیح منحصر به فرد نوآوری محصول و معنای گسترده بیونیک، این مقاله الگوهای طراحی نوآورانه زیادی را که عناصر طراحی زیادی از آن تشکیل شده است، تحلیل کرده و مفاهیم جدیدی از طراحی بیونیک را وارد کرده است. علاوه بر این، با توجه به شیوه‌های مختلف نوآوری محصول، روش جدیدی در طراحی بیونیک به دست آمده است و درک بیونیک از تقلید از موجودات زنده به تحقیق در مورد قوانین طبیعی و معنای زندگی گسترش یافته است.

واژه بایونیک و نزدیکی آن به بایولوژی در ذهن ما این فکر را ایجاد می کند که این علم در ارتباط با موجودات زنده است. بایونیک علم سیستم هایی است که شالوده آنها سیستم های زنده است یا خصوصیات سیستم های زنده را دارند یا به سیستم های زنده می مانند. در حقیقت بایونیک به کنکاش در طبیعت و موجودات زنده می پردازد تا با کشف روابط موجود بتواند آنها را در فناوری مورد استفاده قرار دهد، یا به عبارت دیگر می توان آن را هنر استفاده از دانش سیستم های زنده در حل مسائل فنی دانست.

امروزه بایونیک تنها به سازوکار نظام هایی که برپایۀ سیستم های زنده اند، نمی پردازد، بلکه به تحلیل هر الگوی کاربردی موجود در طبیعت که قابلیت برآوردن نیازهای ما و حل مسائل فنی را داشته باشد، عنایت دارد. مطالعات بایونیک در علوم کامپیوتر، زمینه های مطالعاتی دیگری، نظیر سلول های عصبی مصنوعی، شبکه های عصبی مصنوعی، محاسبات تکاملی یا هوش محاسباتی و هوش جمعی را ایجاد کرده است. این اصول در طراحی سیستم های پردازش اطلاعات به کار گرفته می شود. انسان از ابتدا به نوعی از محیط زیست اطراف خود الهام گرفته است و درساخت و طراحی وسایل مورد نیاز خود از آنها استفاده کرده است. ایده استفاده از الگوهای طبیعی در فناوری های مدرن بسیار کارا به نظر می رسد چون این الگوها به صورت تکاملی رشد داشته اند و در هر مورد خاصی، بی نظیر و بی نقص هستند. عوامل مورد توجه در طراحی به قرار زیر است:

• طبیعت به عنوان عامل الهام
• انسان به عنوان اصلی ترین محورطراحی که استفاده کننده صرف از این فضاست
• انسان به عنوان موجودی خلاق که در تکاپوی کشف ناشناخته هاست
• انسان به عنوان موجودی با نیازهای متفاوت روحی و جسمی
• محیط به عنوان میراث بشری ما که همه به یک اندازه در آن سهیم اند
• فناوری به عنوان راه حلی در طراحی و نه غایت آن

زیست تقلید در آینده در بسیاری از زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. به دلیل پیچیدگی سیستم‌های زیستی، تعداد پارامترهای بسیاری ممکن است مورد تقلید قرار گیرند. کاربردهای زیست تقلید در مراحل مختلف توسعه از فناوری‌هایی که قادر به تجاری شدن می‌باشند تا مدل‌های پیش الگو و نمونه‌های اولیه را شامل می‌شود. به عنوان مثال:

• محققان با الهام از ساختار تپهٔ موریانه‌های آفریقایی توانستند ساختمانی را طراحی نموده که تنها با استفاده از ده درصد انرژی معمول، فعالیت تهویه و خنک نگهداشتن ساختمان را به درستی انجام دهد.

• صدف‌های دریایی با استفاده از پروتئین‌های موجود در پاهای رشته مانند خود در هنگام جزر و مد به سنگ‌های دریا متصل باقی می‌مانند. این پروتئین‌ها دارای ترکیب خاصی از آمینواسیدهای مختلف می‌باشند که برای چسبندگی انطباق یافته‌اند. مهندسان با شناسایی و استفاده از این پروتئین‌ها قادر به تولید چسب ضدآب خواهند شد.

• مهندسین همچنین به فکر استفاده از ابریشم تار عنکبوت به منظور طراحی چتر نجات، کابل پل‌های معلق و رباط مصنوعی در کاربرد پزشکی هستند.تحقیقات دیگر مطرح شده شامل تولید ساخت سلول‌های خورشیدی الهام گرفته از ساختار برگ، تولید پارچه‌های شبیه‌سازی شده از پوست کوسه و برداشت آب از مه مانند یک سوسک می‌باشد.

با توجه به چالش های جدید پیش روی انسان که به وسیله فناوری های موجود ایجاد گردیده، الهام از طراحی زیست تقلیدبرای طراحی محصولات جدید، نیازی جدی و اجتناب ناپذیر است.