Інноваційні дизайн-рішення для збереження природи за логікою біомімікрії

                                                              Тема : « Інноваційні дизайн-рішення для       збереження   природи за логікою біомімікрії»

                                                                   Семенюта Наталія Анатоліївна

                                                                   вчитель біології і екології

 ВСП «Технолого-економічногий   фаховий коледж   Білоцерківського НАУ»

                                                                   «Природа так про все подбала, що

                                                                  повсюди ти знаходиш чому вчитися»

                                                                                                 Леонардо да Вінчі

ВСТУП

Зазвичай, коли мова заходить про інновації, то  перша асоціація, що спадає на думку, – це технології, як-то штучний інтелект, ІТ, хай-тек та інше. Рідше згадують про соціальні інновації, наприклад, інклюзивні дизайнерські рішення для людей із порушенням зору. Але є ще одна, менш відома, але дуже перспективна сфера – пошук і запозичення інновацій, що вже існують у природі.

Основна ідея полягає в тому, що природа вже вирішила чимало проблем і глобальних викликів, з якими ми стикаємося. Тварини, рослини та мікроби – неперевершені інженери. Після мільярдів років «досліджень і розробок» природа володіє секретом виживання, зокрема, у надскладних умовах. Тобто біомімікрія – це використання цих секретів для вирішення проблем людини.

За іронією долі, хоча ми намагаємося знайти більше підказаних природою рішень, ми також з великою швидкістю нищимо природні екосистеми. "Це гонитва, звернена проти нас самих, – маємо шосте масове вимирання світового біорізноманіття". Перш ніж ми це все втратимо, нам потрібно переосмислити цінність природи і знайти час для того, щоб проаналізувати й поставити природі всі ці питання, які могли б допомогти створити нові ліки, захисні покриття, засоби індивідуального захисту тощо. Роками кліматологи та експерти з біорізноманіття били на сполох та спонукали громадськість не зволікати та докласти зусиль, аби зупинити стихійні лиха, масові вимирання видів, міграції, смерті від забруднення повітря та води і т. ін. Та ми продовжуємо працювати у звичному режимі, ніби не сталось нічого особливого.

Отже, основна мета вивчення біомімікрії полягає в усвідомленню її важливості та використанні  імітації стратегій, що спостерігаються в природі, для застосування їх у вирішенні проблем людства.

Розділ 1.  Теоретичні основи формування інноваційних дизайн-рішеннь для збереження природи за логікою біомімікрії

 1.1 . Актуальність досвіду, його практична значимість

           На сьогодення ми можемо винести чимало уроків з сучасної екологічної кризи, аби оперативніше реагувати на проблеми довкілля в майбутньому та використати час з користю, аби подумати над шкодою, яку ми завдаємо планеті. Вже існують наукові підтвердження, що екологічні фактори впливають на розповсюдження COVID-19 (наприклад, легені, вже пошкоджені забрудненим повітрям, будуть гірше переносити хворобу, викликану вірусом). І поки наша увага прикута до світової пандемії, в Україні продовжується сезонне спалювання сухого листя, яке забруднює повітря та поглиблює вірусну кризу.

Вчені  прорахували, що якщо трохи більше зануримось в дослідження,  знайдемо інновації в кожному українському селі. А якщо ми докладемо ще більше зусиль, ми зможемо розпочати справжню натхнену природою інноваційну революцію в Україні. Дослідження показали, що дуже мало людей чули про інновації від природи: біомімікрія, біодизайн, природоорієнтовані рішення та інше.

Завдання, яке ми ставимо перед собою – використовувати природу  з користю та подумати про довкілля і  як нам об’єднати зусилля, аби протидіяти  всесвітній екологічній кризі. Ми маємо говорити та діяти вже зараз, аби вирішувати проблеми погіршення стану довкілля.  Саме тому  продовжуємо вивчати  пошук інновацій від природи в Україні та в Світі.

За даними ООН, на 2018 рік більше половини населення Землі проживало у містах, далеко від природи, а  до 2050 року, за прогнозами, у великі міста переїдуть близько 70% людей. В умовах урбанізації люди часто не помічають, не завжди вміють розгледіти рішення, які вже існують у природі і можуть вирішити виклики, з якими стикається людство. Проте науковці, біологи, дизайнери, урбаністи знають із власного досвіду, що природа – це джерело натхнення та ідей для винаходів, технологій, інновацій у різноманітних галузях.

1.2  Ідея досвіду

Ідея досвіду полягає в запровадженні  з інноваційних природоорієнтованих дизайн-рішень для збереження природи за логікою біомімікрії —  стале управління та використання природи для подолання суспільних викликів. Зазвичай цей термін використовується в контексті пошуку нових рішень для пом'якшення наслідків зміни клімату й адаптації до неї, і водночас для захисту біорізноманіття.
Насправді, природні рішення ми всі знаємо, але чомусь не використовуємо.
Європейський союз визначив для себе інновації від природи і природоорієнтовані рішення, як один із найперспективніших напрямків для інновацій. Тому зараз створюється багато дослідницьких урбаністичних проєктів, які враховують такі рішення.

1.3. Теоретична база досвіду

            В природі відходів немає. Будь-що в природі – це поживна речовина, яка постійно використовується повторно. «Відходи» одних – це притулок або їжа інших. Імітація цих природних конструкцій та процесів може допомогти людству рухатись до проєктування суспільства, яке стабільно використовує та підтримує енергію, відкидає токсини, повторно використовує матеріал тощо. Використання технологічних методів різноманітних видів живої природи для розробки штучних методів, на думку прихильників біомімікрії, є корисним через те, що живі організми, в тому числі флора і фауна, пристосувалися до вузькоспеціалізованих екологічних ніш і під еволюційним тиском, виробили дуже ефективні способи використання власних ресурсів.

В останні роки дизайн, натхненний природою, став популярним терміном. Однак ідея не нова. Багато технологій, які ми використовуємо сьогодні, засновані на принципах біомімікрії. Біоміметика, також відома як біомімікрія, була використана для вдосконалення медичних технологій і навіть створювати синтетичні версії натуральних матеріалів наприклад, поверхні з павутинного шовку або листя лотоса.

Біомімікрія спирається на три різні підходи: спостереження, аналіз і натхнення. Першим кроком у будь-якому проекті є спостереження за тим, як природа створює об’єкт або процес, який ви хотіли б наслідувати, наприклад, крило птаха чи кореневу систему дерева. Далі ви точно аналізуєте, як ці об’єкти працюють, щоб ви могли відтворити їх за допомогою власних матеріалів та інструментів, таких як 3D-принтер. Нарешті, ви черпаєте натхнення з цих природних конструкцій, щоб розробити власні рішення проблем.    Одна з найважливіших речей, яку потрібно розуміти, — це як це працює, коли справа доходить до біомімікрії. По суті, біомімікрія полягає в імітації природних конструкцій і процесів для вирішення проблем. Це можна зробити різними способами, але часто потрібно уважніше поглянути на те, як природа вирішує проблеми. Наприклад, якщо ви намагаєтеся розробити більш ефективний спосіб виробництва енергії, ви можете подивитися, як працює фотосинтез у рослин. Розуміючи принципи, якими керуються природні процеси, ви зможете застосувати їх до створених людиною проектів і рішень. Біомімікрія не є новою концепцією.

Насправді, це існує протягом століть. Однак лише нещодавно його почали визнавати як реальну область дослідження, і на цю тему було написано безліч книг. Цей відносно новий інтерес призвів до багатьох проектів біомімікрії за останні роки. Біомімікрія більше не тільки для вчених і науковців. Зараз багато компаній починають усвідомлювати потенційні переваги біомімікрії і включають її у свої бізнес-плани. Насправді зараз є навіть стартапи з біомімікії, які зосереджені виключно на розробці рукотворних рішень, що імітують природні конструкції.

Розділ 2.  Практичне обґрунтування.

2.1. Інноваційне значення

Сьогодні у світі існує незліченна кількість прикладів застосувань інновацій дизайну за логікою біомімікрії. Деякі з найбільш помітних включають:

Що це означає на практиці? Щоб показати, як це працює, є  яскраві приклади того, як людство скористалось мудрістю природи:

Швидкий мов птах

Птах-рибалочка пірнає у воду з повітря без плескоту, передусім завдяки своєму дзьобу. Японський інженер і любитель птахів Еіджі Накацу помітив це і зрозумів, що така особлива форма може вирішити проблему, пов’язану з надшвидкісними потягами в Японії, відомими як потяги  Сінкасен: виходячи з тунелю, вони створювали гучний як грім звук. "Ніс” потяга із величезною швидкістю штовхав повітря, створюючи вітрову стіну, яка не тільки видавала гучний звук, але й гальмувала потяг. Новий дизайн потяга, натхненний дзьобом птаха-рибалочки, допоміг вирішити цю проблему, тож потяги стали не лише тихими, а й на 20 % більш енергоефективними.

Липучий мов реп’ях

Повертаючись із полювання в Альпах у 1941 році, швейцарський інженер та винахідник Жорж де Местраль помітив на шерсті свого собаки багато реп’яхів. Местраль вирішив подивитися на один із них у свій мікроскоп і виявив просту конструкцію з гачків, які чіпко прикріплюються до хутра і шкарпеток. Після років експериментів він винайшов липучки – і запатентував застібки Vilcro у США у вересні 1955 року.

Потужний як кит 

Мал.1 Голубий кит

Горбаті кити – напрочуд спритні плавці, особливо зважаючи на той факт, що кожен із них важить близько 36 тон. Своєю майстерністю в плаванні вони зокрема завдячують горбикам, що заходяться на передньому краї їхніх плавників. Френк Фіш, професор біології з Пенсильванії, США, виявив, що додавання подібних горбиків до вітрових турбін зменшує аеродинамічний опір та підвищує підіймальну силу і, таким чином, підвищує ефективність технології на 20%. Нині це інноваційне рішення розвиває канадська кампанія Whale Power

Прозорий мов павутина

ORNILUX – це утеплене скло, виготовлене німецькою компанією Arnold Glas, завдяки якому вдалося запобігти випадкам, коли птахи вдаряються об скло. Для цього використовується спеціальне ультрафіолетове світловідбиваюче покриття, яке для людського ока здається майже прозорим, але добре видне птахам, адже вони здатні бачити більш широкий ультрафіолетовий спектр, ніж ми. Ідея використати ультрафіолетове покриття з’явилася завдяки науковим дослідженням, які виявили, що деякі види павуків вплітають у свою павутину світлотехнічні пасма. Так павуки заманюють комах та відлякують великих тварин, зокрема птахів. Мал.2 Павуки, що вплітають в павутину пасма

Організований мов вулик

Технологічна компанія REGEN Energy вже кілька років вивчає комах, зокрема, застосовує принципи роботи бджіл при розробці свого програмного забезпечення. Наслідуючи самоорганізацію бджіл, компанія розробила засоби для управління енергетичними мережами: кожний окремий вузол в енергетичній сітці працює “автономно” від контрольного центру. Наприклад, у великих будівлях компанія встановила сенсори-контролери, які допомагають визначити рівень використання енергії в будинку й автоматично зменшити або розділити потреби в електриці в години-пік.   Мал.3   Вулик бджіл

     2.2. Проблеми та труднощі, можливості їх подолання

Дослідження біомімікрії та впровадження нових дизайн-проектів є високозатратним процесом.  Існує велика потреба в нових конструкційних матеріалах, які мають невелику вагу, але пропонують виняткові комбінації скутість, сила та в'язкість.

Такі матеріали потрібно було б виготовляти з сипучих матеріалів складної форми при великих обсягах та за низькою вартістю, і вони могли б обслуговувати різні сфери, такі як будівництво, транспортування, зберігання та переробка енергії. У класичному дизайні проблема міцності та в'язкості, швидше за все, взаємовиключні, тобто міцні матеріали крихкі, а міцні - слабкі. Однак природні матеріали зі складними та ієрархічними градієнтами матеріалів, що сягають від нано- для макромасштабних систем є як міцними, так і жорсткими. Як правило, більшість природних матеріалів використовують обмежені хімічні компоненти, але складні архітектури матеріалів, що дають виняткові механічні властивості. Розуміння дуже різноманітних та багатофункціональних біологічних матеріалів та відкриття підходів до відтворення таких структур призведе до вдосконалених та більш ефективних технологій. Кістка, перламутр (черепашка ушка), зуби, дактилові клуби креветок-стоматодів та бамбук є чудовими прикладами матеріалів, стійких до пошкоджень.

2.3. Результати діяльності

Використання біомімікрії в дизайні має багато переваг. Деякі з цих переваг включають:

• Підвищення ефективності: природа існує вже мільйони років, і за цей час вона стала високоефективною. Біомімікрія використовує переваги цієї ефективності, що веде до більш ефективних конструкцій у всіх аспектах життя.
• Менше відходів: при розробці продуктів або процесів на основі природних моделей утворюється набагато менше відходів. Це тому, що природа вже вдосконалила використання матеріалів і не покладається на зайві чи непотрібні функції.
• Стійкість: біомімікрія є однією з найбільш стійких філософій дизайну. Він покладається на використання ресурсів, які вже є, і прагне створити продукти та процеси, які є екологічно чистими та зменшують нашу залежність від невідновлюваних ресурсів.
• Інновації. Природа є найбільшим інноватором, і біомімікрія використовує це для створення нових та інноваційних дизайнів. Вивчаючи, як природа вирішує проблеми, ми можемо розробити власні унікальні рішення складних проблем проектування.
• Різноманітність дизайну: природа постійно розвивається, створюючи багато різних дизайнів за набагато менше часу, ніж було б потрібно людям, щоб розробити одні й ті ж інновації. Біомімікрія дозволяє досягти інновацій і дизайну в масштабах і швидкостях, яких ще не було раніше.
• Позитивний вплив на місцеву економіку: багато інновацій, натхнених біомімікрією, створені малими підприємствами та місцевими майстрами. Коли ці продукти та процеси є успішними, вони позитивно впливають на місцеву економіку.

Є багато причин розглянути можливість використання біомімікрії в дизайні. Деякі з найважливіших переваг включають підвищення ефективності, зменшення відходів, стійкість, інновації, різноманітність дизайну та позитивний вплив біомімікрії на місцеву економіку.Однією з переваг біомімікрії є те, що вона часто призводить до більш стійких дизайнів. Наприклад, коли інженери дивилися, як терміти будують свої кургани, вони могли створити більш енергоефективні будівельні матеріали. Щоб перевірити, наскільки добре ці біоміметичні цеглини витримають, дослідники побудували власні термітники з цегли в своїй лабораторії. Суцільне кільце з високоізоляційної цегли оточене зовнішньою стіною, яка зберігає теплову енергію і допомагає зберігати тепло всередині приміщення, навіть коли на вулиці прохолодно.

 Інноваційні дизайн-рішення за прикладом біомімікрії

 Спеціальний електронний пристрій для збору роси та дощової води. Ідея проєкту була запозичена у кімнатної рослини, схожої на відомий нам ананас, а точніше у павутинні, розташованій на листі.

Новий матеріал з тонких волокон целюлози в полімерній матриці: під дією води він стає м'яким, а без неї – жорстким за прикладом шкіри тварини -морського огірка або голунторії

Антибактеріальна поверхня за прикладом акулячої шкіри

Компанія Novomer, що виробляє "зелений пластик" розглядає діоксид вуглецю як ресурс. Поєднуючи CO2 від вироблення етанолу та нафтохімічний матеріал з каталізатором, фахівці одержують полімер.

Біомімікрія в архітектурі

Найбільша  в світі  теплиця  збудована  в Корнуолле (Англія).

Едем — це глобальный сад, який розміщений в тропічних біомах, зроблений  із сталі і етилен-тетрафторетилена, полімерного матеріала нового покоління. 

Висновки

Простіше кажучи, біомімікрія — це імітація природних форм і структур у створених людиною речах. Наприклад, інженери можуть поглянути на те, як плавники працюють разом на рибі, розробляючи новий тип лопаті вітрової турбіни. Кожен плавник працює незалежно, але в унісон, що робить його ефективним для лову здобичі. Біоміметичний дизайн можна побачити в сучасному середовищі в таких продуктах, як антимікробні покриття на хірургічних інструментах, самоочисне скло та водовідштовхувальні тканини.

Біомімікрія — це захоплююча галузь, яка швидко розвивається, оскільки все більше і більше людей цікавляться потенціалом сталого дизайну, який можна почерпнути з природи. Наступного разу, коли ви побачите красивого метелика або рибу, що граціозно пливе у воді, приділіть хвилинку, щоб оцінити дизайн – він не просто красивий. Він був побудований за призначення