مقاله ای از حمید رقمی: اعجاز بیونیک و از جمله حضور آن در صنعت رنگ/ بیونیک چیست؟
بسپار/ ایران پلیمر حمید رقمی می نویسد، بیونیک شاخه ای ا علوم حاصل اختلاط بیولوژی و تکنولوژی ست.
اين پوستر حكايت از اين دارد كه مهندسان شركت بوئينگ كه هواپيما هاي خود را با ضريب اطمينان بالا به پرواز در مياورند، نحوه پروازهومل ها (Hummel) را بخوبي درك نكرده اند.
هومل (Hummel) نوعي زنبور عسل است كه در تصوير مشاهده مي شود.
Biology + Technic = Bionic
بيونيك : شاخه اي از علوم، حاصل “اختلاط” بيولوژي و تكنيك.
حاصل اين ” اختلاط”يك پديده وهمزمان يك ديسيپلين از علم روز است ، با نام بیونیک. به عبارت ديگر ، بيونيك شاخه اي است نسبتاً جوان از علوم، که استادترين اساتيد آن، طبيعت است.
اصطلاح بيونيك
این واژه براي اولين بار در سال 1958 در يك سمينار در Dayton/Ohio (USA)توسط يك افسر نيروي هوائي به نام J.E.Steele بكاربرده شد و ازهمان سالها يك برنامه تحقيقاتي با عنوان “از طبيعت يادگرفتن و در تكنيك براي فردا بكاربستن ” پا به عرصه وجود گذاشت.این برنامه تحقیقاتی به تدريج به يك رشته دانشگاهي تبديل شد.درحال حاضر اين رشته در دانشگاههاي مختلفي از جمله در دانشگاه های برمن (آلمان)، برلین و… تدريس مي شود.
ايده ها از كجا مي آيند ؟
خلاقیت (Creativity) یک واژه کلیدی برای دست اندر كاران علوم است، ازجمله بیونیک.
يك “ايده” مي بايست ابتدا خلق و سپس روي آن كار شود، كار شبانه روزي و مستمر، تا شايد به طراحي برسد و پس از طراحي، شايد بالاخره روزي كاربردي شود !
يكي از راه های “میا نبُر” برای خلق ایده ها، مراجعه به طبيعت و پديده هاي آن است، راهی که به دفعات مورد آزمون قرارگرفته و معمولاً جواب مثبت نيز داده است . در اين ميان، اگرچه طبيعت حساسيت زيادي روي ضوابط “كپي رايت” ندارد ، ولي آنهائي كه اين كار را ميكنند ،يعني كپي برداري از طبيعت ،معتقدند كه فقط الگو برداري می کنند، الگو گرفتن از توانائي هاي ميليون ها ساله. به عبارت دیگر بيونيك سعي دارد بغرنجي هاو پيچيدگي هاي ساختارهاي بيولوژيك را ابتدا درك كرده و سپس آنها را براي انسان ها و زندگي روزمره آن ها قابل استفاده نمايد.
پيشگامان علم بيونيك
پيشگام ترين پيشگامان علم بيونيك، ژني چند منظوره ، لئو ناردو داوينچي (Leonardo da Vinci) است. وی در قرن چهاردهم ميلادي سعي فراوان كرد تا با تقليد از پرندگان، وسيله اي براي پرواز انسان بسازد، این تلاش ها ولی بدليل عدم امكانات فني لازم در زمان حیات او با شكست مواجه شدند. حدوداً200 سال بعد از او، اتو لي ليئن تال Otto Lilienthal اولين پرواز انسان را به ثبت رساند و البته (درپروازهای بعدی) جان خود را نيز روي “پرواز ” گذاشت !
… و يك سوال (متفرقه) :
زماني كه لئوناردو داوينچي و اتو لي ليئن تال در فكر و تلاش براي ساخت ابزارهائي براي “پرواز”بودند، پدران ما در ایران چه مي كردند و در فكر ساخت چه نوع ابزار آلاتي بودند؟
بيونيك در صنعت رنگ و چند نمونه
1- اثر لوتوس(Lotus Effect) و برگهائي‌كه درباران خيس نمي شوند!
در طبيعت بعضاً پديده هائي وجود دارند كه محققين و نظریه پردازان را شگفت زده مي كند، پدیده هائی که فقط در خواب و رويا می توان آن ها را تجسم نمود. یکی از این پدیده ها گیاه لوتوس يا نيلوفر آبي است، گياهي که برگ های آن همیشه تمیز هستند .این گیاه در آسياي جنوب شرقي به سمبلی برای تميزي و پاكي مشهور است و مقدس شمرده مي شود .
معمولاً تصور می شود که سطوح صاف و صيقلي آلودگي ها را كمتر به خود جذب ميكند. این تصور يك اشتباه محض است و اثبات آن با گياه لوتوس شروع ميشود. ساختار نانومتري و هیدروفوبی سطح برگ های گیاه نیلوفر آبی (لوتوس) قادرند نه تنها قطرات آب بلكه مواد بسيار ويسكوز مانند عسل را نيز به آساني و بصورت “مرواريد “هاي غلطانِ ريز از خود دور كنند. پروفسور ویلهلم بارت لوت (Wilhelm Barthlott) درسال 1977 برای اولین بار ” اثر لوتوس ” (Lotus-Effect) را شناسائی کرد . وی به عنوان یک محقق کارآمد در علم بیونیک درسال 1999 جایزه محیط زیست آلمان را دریافت نمود. ازهمان زمان سعی گردید تا از این پدیده ، یعنی “اثر لوتوس” درساخت رنگ استفاده شود. يكي ازاین نوع رنگها که چندين سال است با كپي كردن از لوتوس براي نماي ساختمانها توليد وعرضه مي شود، با نام تجاري Lotusan® توسط شرکت آلمانیSTO SE & Co. KGaA به بازار عرضه می گردد.
درخاتمه لازم به اشاره است که نوع “دست ساز” لوتوس يك نقطه ضعف اساسی – در مقايسه با نوع طبيعي آن- دارد و آن عدم توانائي براي خود ترميم شوندگي است و اين درحالي است كه اگر برگ گياه لوتوس زخمي شود در كوتاه ترين زمان ممكن خودرا “بازسازي” مي کند.
پدیده مفصل “اثرلوتوس” (Lotus Effect) را درآینده (احتمالاً) دریک پست جداگانه تشریح خواهم کرد.
2- نهنگ ها وسرعت بالای آنها به رغم وزن زیاد
مقاومت كمتر در مقابل جريان آب (يا هوا)، سرعت بيشتر،” سوخت كمتر” !
کاهش مصرف سوخت درهواپیماها ، کشتی ها و سایر شناورها هم به لحاظ اقتصادی مزیت هائی دارد و هم به دلیل تولید کمتر گاز دی اکسید کربن به محیط زیست کمک می کند، برای کاهش سوخت در وسایل نقلیه، معمولاً ازمسیر کاهش وزن آن ها بهره گیری می شود. رنگ آمیزی ولی خود به افزایش وزن – اگرچه درحد کم- می انجامد. واین درحالی است که اگر سطح خارجی بدنه آن ها طوری طراحی و ساخته شوند که به هنگام حرکت با مقاومت کمتری از هوا یا آب مواجه باشند، یقیناً مصرف سوخت نیز کاهش پیدا خواهد کرد. دراین روش، با نگاه به طبیعت والگوبرداری ازآن (” بیونیک”) سود برده می شود.
انستیتو فرائن هوف برای تحقیقات کاربردی مواد در برمن (آلمان) * مشترکاً با برخی از دانشگاه ها ازجمله دانشگاه نیدرراین (آلمان) وبرخی از موسسات دیکر سال هاست که روی این پروژه کارمی کند
* Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM )
نهنگ ها اگرچه جثه بزرگ و وزن زياد دارند ، با سرعت هاي فوق تصور شنا مي كنند . علت اين توانائي منحصر به فرد در سالهاي دهه شصت شناسائي شد. ساختار سطح خارجي “فلس” هاي جانور شباهت زيادي به”ناودان”هاي كوچكی دارد كه قادر است آب (يا هوا) را به سرعت به عقب منتقل كند. اين پديده به riblet effect مشهورشد. تصویربرداری ها با میکروسکوپ الکترونی نشان داد که فاصله نوک “ناودان ها” با یکدیگر حدود 120میکرون و عمق آن ها درحدود 50 میکرون است. درشبیه سازی ها ابتدا فويل هائي با ويژگي سطح اين چنيني برای چسباندن روي بدنه هواپيما ها ساخته شدند. این پروژه ولی فاقد کارآئی لازم ، از جمله از نظر اقتصادي بود و به فراموشی سپرده شد. سپس سعي شد ساختار مذكور در “فلس” ها به نوعي از طريق يك “فويل” از جنس سيليكون – مشابه با يك مهر يا استامپ- روي رنگِ اعمال شده و هنوز سخت نشده منتقل گردد. این پروژه و “ترفند ” های دیگری برای عملی ساختن این ایده بیونیکی روی بدنه کشتی ها، هواپیماها ، پره های توربین های بادی و… درحال حاضر نیز کماکان در دست پژوهش واقدام است .
3- عنكبوتي كه زير آب خيس نمي شود
این عنکبوتِ بومی جنگل های ونزوئلا با نام علمی Anylometes bogotensis مدت ها است که به یک سوژه جذاب برای محققان بیونیک تبدیل شده است .
یکی ازمحققان بخش بيونيك دانشگاه بن آلمان(Bonner Nees-Institut für Biodiversität ) که روی ” پروژه عنکبوت” کار می کند به نام Cerman Zdenek ، معتقد است که “کارهای اولیه روی این پروژه با ساخت پارچه ای که چهار روز زیرآب ماند وترنشد” بسرعت سپری شد.
جثه این عنکبوت درسطح خارجی مملو از موهای ریزاست. ميكروسكوب هاي الكتروني نشان دادند كه در انتهاي هریک از این موهاي ريز يك فضاي خالي موجود است و هرگاه عنکبوت قصدرفتن به زیرآب را دارد، فضاها ی موجود در انتهای موها را با هوا” شارژ ” كرده و سپس به زير آب مي رود .این حباب ها ی مملو از هوا از يك طرف براي ماهي هائي که در اطراف عنکبوت پرسه می زنند ، يك منبع اكسيژن است و ازطرف ديگر”دشمنانی” كه قصد خوردن آن را دارند، با ماهي هاي اطراف او سير شده و بدين ترتيب عنكبوت جان سالم به درمی برد. اين حباب ها علاوه برآنچه که گفته شد ، مانع از خيس شدن پوست جانور درزير آب نيز مي شوند واين ویژگی قرار است الگوئی براي سطوح خارجي شناورها گردد.
پوست عنکبوت شبیه سازی شده ، جایگزینی احتمالی برای ضدخزه ها
پدیده marines Fouling یک مشکل همیشگی برای شناورها است و سالانه درجهان حدود 200 میلیارد دلارخسارت به بار می آورد. انواع موجودات دریائی اعم از گیاهی وجانوری مانند خزه های قهوه ای،آبی و سبز، انواع جلبک ها،کرم ها ،حلزون ها و… با چسبیدن به سطوح خارجی بدنه شناورها هزینه های بسیارزیادی را به صاحبان شناورها تحمیل می کنند. رشد سریع این موجودات “آویزان شده” به بدنه شناور درزمانی نسبتاً کوتاه به میزان قابل توجه ای بروزن شناور افزوده واضافه برآن با افزایش اصطکاک بدنه شناور با آب دریا، به افزایش قابل ملاحظه میزان سوخت شناور منجر می گردد. این افزایش سوخت ازیک طرف هزینه های حمل ونقل دریائی را بالابرده واز طرفی- با پس دادن گازکربنیک بیشتر- به محیط زیست نیز آسیب می رساند. برآوردهایlloyds حاکی ازآن است که دریک شناور بدون پوشش ضدخزه،سوخت افزایش یافته به واسطه افزایش وزن ناشی ازانواع خزه هاحدود 28درصد کل سوخت بوده و گازکربنیک آزادشده (اضافی) حدوداً350میلیون تن درسال است.این خسارت ها با اعمال پوشش های ضدخزه متداول- ازهرنوع- البته کاهش می یابد با ذکر این نکته که این “ضدخزه ها” معایب و اثار زیانباری نیزدارند که ازآن جمله می توان به عمر نسبتاً کوتاه، تخریب محیط زیست با پخش شدن درآب دریا و بالاخره مقاوم شدن میکروارگانیسم ها به آنها ،اشاره کرد.
محققان دانشگاه بن (آلمان) با شناسائي مكانيسم پوست اين عنكبوت بومی ونزوئلا درحال “كپي كاري” آن براي سطح خارجي كشتي هائي هستند كه قرار است بدون اِعمال ضد خزه از تجمع خزه ها وجلبك ها جلوگيري كرده و به اين ترتيب هم از شر اين لايه “مسئله ساز” در رنگ آميزي شناور ها خلاص شوند و هم با جلوگيري از افزايش وزن شناور در اثر چسبيدن مقادير قابل توجه اي خزه و… ميزان مصرف سوخت را كاهش دهند. ضمناً با توجه به ویسکوزیته هوا که حدود 55 برابر کوچکتر از ویسکوزیته آب است، میزان نیروهای اصطکاک نیز کاهش یافته واین خود نیز به کاهش مصرف سوخت می انجامد
4- مورچه صحرائی، الگوئی برای فضاهای خنک !
درسال 2015 توسط Norman Nan Shi and Nanfang Yu, Columbia Engineering برای اولین باراز این مورچه با نام علمی Cataglyphis bombycina گزارش شد. درآن گزارش به این ویژگی منحصر به فرد مورچه مورد نظر اشاره شد که ” این مورچه درصحراهای گرم وروی شن های داغ توانائی تحمل آسان دماهائی تا 70 ( هفتاد) درجه سلسیوس رادارد” دراین شرایط دمای بدن مورچه تا 50 (پنجاه) درجه سلسیوس افزایش می یابد و برای ادامه بقا ناچاراست به شیوه های مختلف خودرا خنک کند .یکی از این شیوه ها فرار به نقاط کم تر گرم مانند زیر تخته سنگ ها و مناطق دارای کم و بیش پوشش گیاهی است. همچنین محققانی به سرپرستی رودیگر وِنر (Rüdiger Wehner) از دانشگاه زوریخ سوئیس به تحقیقات روی این مورچه ” نقره ای رنگ” با نام آلمانی “مورچه نقره ای” Silberameise پرداخته و به این نتیجه رسیدند که مورچه صحرائی که با سرعتی درحدود 70 سانتیمتر بر ثانیه حرکت می کند، برای فرار از گرمای طاقت فرسا، از موهای ریزی که بدن او را پوشانده اند، استفاده می کند. بازتاب کامل نور خورشید (Totalreflexion ) به وسیله این موهای “سه ضلعی” که به عنوان یک “سپر مقاومت به حرارت “، عمل می کند ، عامل اصلی برای درامان ماندن مورچه از حرارت محیط است. ازآن چه که تا اینجا گزارش شده حدود چهار سال سپری شد، تا اینکه مجدداً در ماه ژوئن سال 2019 در سایت اینترنتی فاربه اوند لاک (farbeundlack.de) گزارشی منتشرشد ، با عنوان ” یک مورچه نقره ای صحرائی، الگوئی برای یک ماده پوششی جهت خنک کردن ساختمان ها ”
محققان دانشگاه کلومبیا Columbia University روی روشی برای خنک نگهداشتن ساختمان ها کارمی کنند . آنان موفق به ساخت یک پوشش شدند که زیر آفتاب گرم نمی شود. آنها ازمورچه نقره ای صحرائی الهام گرفتند( که شرح آن دربالا رفت). پوشش مذکور قادراست تا 99% اشعه خورشید را منعکس کرده و حرارت را به اتمسفر منتقل نماید . این پوشش بسیار بهتر از یک رنگ سفید عمل می کند که طول موج های مشخصی از نور خورشید را بازتاب می دهد. تا کنون جزئیات بیشتری از این پوشش به بیرون درز نکرده است !
