طراحی بیونیک | Bionics یا زیست سازه شناسی

اگر نگاهی به مقالات پزشکی و مهندسی پزشکی انداخته باشید، حتما کلمه بیونیک به چشمتون خورده و ذهن شما را به سمت طبیعت زنده کشانده،  اما بیونیک دقیقاً به چه معناست و به چه چیزی اشاره داره؟ و چطور می‌تونه الهام بخش ما در دیزاین باشه؟

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.

در خلاصه ترین تعریف ممکن Bionics یا  زیست سازه شناسی به دانش طراحی و ساختن دستگاه‌ها، ماشین‌آلات و محصولات به تقلید از اندام بدن و حیوانات گفته می‌شود.

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.

طراحی بیونیک صنعتی | بیومورفیک

بیونیک دیزاین یا طراحی بیونیک

بیونیک دیزاین به صورت تخصصی‌تر و عام‌تر، معرف علوم بین رشته‌ای ترکیبی از رشته‌های مکانیک، بیولوژی، الکترونیک،کامپیوتر و فیزیولوژی می‌باشد. این رشته، تلفیقی از طبیعت جاندار را در طبیعت بی‌جان وارد می‌کند؛

به عبارتی می‌توان گفت بیونیک هنر به‌کارگیری دانش سیستم‌های زنده در حل مسائل فنی است.

این رشته به عنوان یک دانش میان‌رشته‌ای و یک روش‌شناسی حل خلاق مسئله، از شاخه‌ها یا گرایش‌های تخصصی خلاقیت نوآوری‌شناسی به‌شمار می‌رود. طبیعت با گذر از عصرهای بسیار دچار تغییرات و جهش‌های بسیاری شده‌است و به تکامل رسیده‌است. طبیعت هرآنچه را که با محیط سازگاری نداشته از بین برده و امروزه، طبیعتی که ما در آن زندگی می‌کنیم و هر جاندار موجود در آن، تکامل یافته‌ترین مخلوق در نوع خود تا به امروز می‌باشد. این بدان معنی است که هر مکانیسم و ساختاری در طبیعت در بهترین کارآمدترین حالت خود قرار دارد. پس بشریت می‌تواند با مطالعهٔ این طبیعت تکامل یافته، در طراحی دست ساخته‌های خود ایده بگیرد. از اواخر قرن بیست شاهد بسیاری از دستاوردهای بشری هستیم که اگر دقیق‌تر به آن‌ها نگاه کنیم، درمی‌یابیم که الهام گرفتن از طبیعت کمک شایانی به بهتر ساختن آن‌ها کرده‌است. طراحی ترکیبی سرسخت از الهام و تعریق است، یکی از راه هایی که برخی از طراحان به ندرت از آن استفاده می کنند طراحی بیومتریک BiomimeticsDesign است. اجرای سیستم های مهندسی و فناوری مدرن برای ایده هایی که از طبیعت و حیوانات الهام گرفته اند ، بسیار سخت است.

در اینجا نگاهی داریم به چند طرح بیونیک خلاق که بسیار زیبا به نظر می رسند و تقریباً به همان اندازه الهام بخش آنها عالی هست، تقریباً ، زیرا نمی توانید بهتر از مادر طبیعت شوید.

چند نمونه محصول بیونیک

نقش بیونیک در خلاقیت

 می توان خلاقیت را توانایی و مهارت ایجاد و ابداع چیزها و روش هایی تعریف کرد که تاکنون به آن فکر نشده است. در میان بسیاری از تعاریف خلاقیت، تعریفی که هانری پوانکاره، ریاضیدان فرانسوی ابداع کرد، به دلیل سادگی، دقت و دقت خود متمایز است: “خلاقیت به معنای ترکیب عناصر موجود از طریق ارتباطات مفید جدید است.” استفاده از اصطلاحات «جدید» و «مفید» با درک مشترک و شناخت اجتماعی خلاقیت و توانایی آن در تولید دانش جدید مرتبط است.

خلاقیت به کار رفته در فعالیت‌های حرفه‌ای و توسعه مهارت به ما این امکان را می‌دهد تا مشکل موجود در دستان شما را از دیدگاهی متفاوت دوباره فرموله کنیم. یک روش بسیار مفید برای ارتقای خلاقیت، می‌تواند مشاهده انتقادی راه‌حل‌های موجود باشد که نشان‌دهنده میراث فرهنگی است. چنین میراثی را می‌توان با دو نوع راه‌حل تشکیل داد: راه‌حل‌های طبیعی، که از طبیعت میلیاردها سال به دست می‌آیند و راه‌حل‌های تاریخی که انسان در هزاران سال آن را یافته است.

به طور خاص، مشاهده پدیده ها و جنبه های واقعیت، محرکی برای توسعه خلاقیت است تا جایی که فناوری های جدید اختراع می شوند. کاربرد فن آوری های جدید را می توان هم در یک زمینه جدید و هم در زمینه موجود برای بازنگری و بهبود انجام داد.

خلاقیت و توانایی حل مسئله ویژگی هایی است که هر یک از ما داریم. علاوه بر این، فعالیت های فکری و حرفه ای وجود دارد که بیش از دیگران از خلاقیت برای انجام وظایف خود استفاده می کنند. یکی از اینها طراحی است که هدف آن یافتن راه حل ها و اصول نوآورانه است که از تقاضا برای یک عملکرد شروع می شود.

نقش طراحی

کلمه طراحی صنعتی نشان دهنده فعالیت ها، دانش، ابزارهای نهایی شده برای دستیابی به یک هدف است. هدف طراحی صنعتی مدرن، تبدیل فرصت‌های تکنولوژیکی به کیفیت‌های جدید عملکرد، ارگونومی، ارتباط و زیبایی شناسی محصولات صنعتی است. به این ترتیب می‌توان ارزش‌های کیفی محصول اعم از فنی و معنایی را قابل درک کرد.

هدف طراحی صنعتی تعریف فرم، استفاده، پایداری محصول و چرخه عمر آن، کنترل هزینه‌ها، رابطه بین ارزش واقعی و درک شده و تولید حس محصول است. فرآیند طراحی پیچیده و مفصل است. در تمام عواملی که انگیزه‌های اصلی خرید محصول را تشکیل می‌دهند، از توسعه کانسپت تا عرضه به بازار، تعیین کننده است. طراح باید نقش یکپارچه کننده بین پتانسیل‌های مختلف پروژه را بر عهده بگیرد. او باید در مراحل توسعه محصول همکاری کند و اطلاعات را به اشتراک بگذارد زیرا او تنها کسی است که می تواند با بخش‌های مختلف شرکت صحبت کند. طراح در موقعیت ممتازی قرار دارد زیرا دید ۳۶۰ درجه دارد و کاتالیزوری است که مطابق با محیط اطراف خود واکنش نشان می‌دهد.

نوآوری خلاقانه

نوآوری محصول به‌ویژه از فعالیت طراحی شروع می‌شود، زیرا طراح تنها کسی است که می‌تواند به ایده‌ها معنا و شکل دهد، تحولات احتمالی آینده را تجسم کند و آنها را در مفهوم مشخص کند. طراحی را می توان به عنوان فرآیند خلاقانه ای تعریف کرد که به لطف آن یک جریان اطلاعات به نتایج ملموس تبدیل می شود. امروزه طراحی می تواند نقش مهمی در دستیابی به نوآوری محصولات صنعتی داشته باشد.

طراحی ابزاری است که قادر به تولید نوآوری مستمر و قابل انتقال در فرآیندهای توسعه محصول است. نوآوری تولید شده از طریق طراحی، آزمونی واقعی برای تاثیرگذاری و کارآمد بودن چنین فرآیندی است. فرآیند مدیریت توسعه محصول جدید الهام گرفته از اصول مدیریتی است که طراح را در فرآیند کسب و کار قرار می‌دهد. طراح یک شایستگی استراتژیک است، زیرا او به تعادل بین توانایی برآوردن نیازهای مشتری امروز و تحقق و پیش بینی انتظارات آینده کمک می کند. هدف از طراحی، تعریف مدل‌ها و ابزارهای مفهومی جدید است و در این زمینه بیونیک ابزاری است که می‌تواند از نقش طراحی در داخل شرکت پشتیبانی ‌کند.

قیاس

در زبان ایتالیایی کلمه آنالوژی Analogy به معنای “رابطه شباهت بین برخی از عناصر سازنده دو واقعیت یا شیء است که به شما امکان می دهد درجه خاصی از شباهت را بین خود واقعیت ها و اشیاء به صورت ذهنی استنتاج کنید.”

فرآیند قیاس ابزاری است که برای بسط نظریه ها، سناریوها و ایده های جدید در علوم، هنر، معماری و طراحی استفاده می شود. به ویژه استفاده از قیاس در هنرهای کاربردی مشهود است. نمونه ای از استفاده از قیاس در معماری و طراحی، قیاس بیولوژیکی، بین موجودات زنده و محصولات ساخته شده توسط انسان است. در زمینه طراحی و توسعه محصول، می‌توان از طریق فرآیند قیاس، نوآوری‌های حاصل از بخش‌های خاص و فوق العاده پیشرفته را به محصولات تلفیقی منتقل کرد.

اگر استفاده از قیاس‌ها تصادفی نباشد، بلکه برای پاسخگویی به خواسته‌های خاص برای بهبود/تجدید سبک زندگی طراحی شده باشد، آن نوآوری موثر می‌شود. به این ترتیب فرآیند نوآوری نیازی به تکیه بر اختراع ندارد، بلکه می تواند به سادگی به تفسیری فنی و فرهنگی از چیزی تبدیل شود که از قبل وجود دارد.

ابزارهای نوآوری

در فرآیند نوآوری محصول، طراحان تمام دانشی را که در تاریخ و فرهنگ یافت می شود، در اختیار دارند. با این حال، ابزارهای دیگری برای تولید نوآوری بر اساس قیاس وجود دارد.

استفاده از قیاس را می توان به عنوان اصل اساسی که بیونیک بر آن بنا شده است تعریف کرد. بیونیک (بیو قیاس با طبیعت) بر اساس توانایی طراح برای مشاهده بنا شده است. مشاهده طبیعت منبع نوآوری است، زیرا مطالعه و تحلیل یک عنصر طبیعی را به محصولی نوآور تبدیل می کند.

رویکردهای بررسی منابع مختلف دانش بیونیک متفاوت است. این‌ها از خلاقیت شهودی شروع می شود تا جستجوی سیستماتیک، از جستجوی رسمی تا راه حل های قیاسی. مشاهده پدیده های طبیعی می تواند روشی مفید برای ایجاد ایده های جدید و برانگیختن خلاقیت باشد. بیونیک مبتنی بر توانایی طراح برای مشاهده است، زیرا نه تنها به طراحی یک شکل طبیعی توجه می‌کند، بلکه ویژگی‌های مکانیکی و مورفولوژیکی آن را نیز در نظر می گیرد. اینها در سیستم‌های بیولوژیکی معمول هستند، جایی که تحقق محصولات باید مواد و ساختارهای جدیدی را در نظر بگیرد که هم از نظر اقتصادی سودمند و هم سازگار با محیط زیست هستند.

مهندسی خلاقیت بیونیکی، استخراج برترین راهکارهای خلاق از طبیعت

بیونیک (Bionics) را در ارتباط با مسائل و راهکارهای متنوعی که استفاده می شود تعریف نموده اند. عده ای بیونیک را کاربرد اصول بیولوژیکی برای مطالعه و طراحی سیستم های مهندسی به ویژه سیستم های الکترونیکی می داند و طبق تعریف جانین بنیوس (Janine Benyus) (1997) نویسنده کتاب Biomimicry، بیونیک علم مطالعه مدل های طبیعت و الهام گیری از این طرح ها و فرایندها برای رفع مشکلات انسانی است. البته مفهوم الهام گیری باید از کپی سازی از طبیعت به طور ساده تشخیص داده شود. این مسئله بسیار مهم است که باید مشکل را از دید مهندسی بررسی کرده و سپس ایده از طبیعت اتخاذ گردد که این موضوع به پیشرفت و توانائی مهندسی بیونیک کمک می کند.

گروهی از متخصصان علوم مختلف بیونیک را علم استفاده از نتایج تکاملی بیولوژی می دانند. آنها بر این عقیده اند که وظیفه بیونیک بررسی فرایندها و ساختارهای بیولوژیکی و سنتز مواد برای طراحی های آینده است ایده بیونیک بر این حقیقت استوار می باشد که تکامل به طور مداوم در طبیعت در حال انجام است و تکنولوژی های حیات بهترین حالت و نظم را با یکدیگر دارند به همین جهت لازم است برای تکنولوژی های مدرن از حالت های تکاملی حیات الگو برداری شود.

متخصصان دیگری بیونیک را هنر به کار گرفتن دانش سیستم های زنده برای حل مسائل فناورانه می دانند و هدف از علم بیونیک تولید ماشین ها و مواد پیچیده تر به وسیله تقلید از طبیعت تعریف نموده اند. آنها معتقدند طبیعت بدون ایجاد آلودگی محصولاتی تولید می کند که از لحاظ کاری بسیار بهتر از تولیدات دست ساز بشر عمل می کنند. برای مثال در مقیاس برابر، استخوان سخت تر از فولاد است. دلیل این مهم چیست؟ قسمتی از پاسخ این سوال به فرم مهندسی عالی آن – ولی دلایل کلیدی آن که دقیق تر است – در سطح مولکولی بر می گردد. گیت Gates در این زمینه می گوید: موفقیت ارگانیسم های زنده به طراحی و تقارن کوچک ترین اجزاء آن بر می گردد.

به طور کلی بیونیک، الگو گیری، الهام گیری و استخراج راه حل های خلاق مسائل و ایده های نوآورانه از طبیعت می باشد و آن راه تازه ای است که به مسائل موجودات زنده و ماشین ها از طریق گردآوری پژوهش های زیست شناسان، روان شناسان، ریاضی دانان، مهندسان و… می نگرد. بیونیک محدود به رشته خاص نمی باشد بلکه برای دامنه گسترده ای از مسائل قابل اجرا است. این علم ماحصل گردهم آوری فعالیت های تحلیلی زیست شناسان و تلاش های سازنده مهندسان می باشد. بیونیک رفتار مکانیسم های زنده را به طور منظم بررسی می کند به نحوی که اصول کشف شده از این مطالعه را می توان در سیستم های دست ساز بشر استفاده نمود.

در دهه های اخیر علاقه زیادی به تقلید از طبیعت گسترش پیدا کرده است و بسیاری طرح ها از طبیعت مشتق شده که برای پیشرفت صنایع از آنها استفاده می شود. این الهام گیری ها، اندیشه ها، خط تولیدات و استراتژی بازاریابی را تغییر می دهند به همین دلیل است که شرکت ها به الگوهای طبیعت اهمیت داده و بدین وسیله کالای جدیدی به مشتریان ارائه می کنند. اهمیت این موضوع به این دلیل است که درس های گرفته شده از طبیعت به طور دقیق ظرفیت تکمیل کردن نیازهای انسانی را دارند و به توسعه یک دید جدید در طراحی کمک می کنند.

جمع‌بندی

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