Příroda inspiruje k inovacím. Do strojírenství může přinést nové materiály a přístupy

Příroda, s miliardami let evolučního testování, nabízí vědcům či konstruktérům inspiraci pro inovace, jež zvyšují efektivitu a snižují energetickou náročnost výroby. Řeč je o biomimetice, oboru, který zkoumá zajímavá konstrukční řešení v přírodě u živých organismů a využívá tyto principy a mechanismy k řešení technických problémů a k inovacím. Ve strojírenství se biomimetika stala důležitým zdrojem inspirace, protože přírodní systémy často nabízejí řešení, která jsou efektivnější a udržitelnější. V budoucnu by díky tomu mohly vznikat odlehčené a inteligentní materiály s uplatněním například v letectví nebo kosmonautice.

Využití přírodních postupů ve světě vědy a průmyslu je vědcům známé už dlouho. Vynálezci inspiraci v přírodě hledali vždy, například v 15. století Leonardo da Vinci studoval lety ptáků a podle nich navrhoval létající stroje. V posledních letech ale zájem o biomimetické navrhování roste.

„V tradičním strojírenství to dříve nebylo tolik patrné, protože si vystačilo s empirickými přístupy a konvenčními materiály, jako jsou ocel nebo různé slitiny neželezných kovů. Dnes stále častěji čerpáme inspiraci z přírody, která představuje miliardy let evolučního testování a ladění,“ říká profesor Martin Hartl, ředitel Ústavu konstruování Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně.

Příroda ukazuje lehké a pevné konstrukce

Příroda slouží jako inspirace pro bezpilotní letadla, jejichž aerodynamický design a struktura křídel jsou modelovány podle ptáků a velrybích ploutví. V automobilovém a leteckém průmyslu se často využívají lehké a odolné konstrukce voštinového nebo žebrovaného typu, které jsou podobné kosterním systémům zvířat a poskytují optimální pevnost při minimální hmotnosti.

„V oblasti povrchových úprav nacházíme inspiraci například ve žraločí kůži, jež snižuje tření, nebo v lotosovém efektu pro samočisticí materiály (lotosové listy mají drobné vodoodpudivé výstupky, které způsobují, že se voda a s ní i nečistoty po nich jednoduše odvalují, pozn. red.). Mnohé z těchto principů se do technických řešení dostaly postupně a nenápadně, aniž by vždy bylo jasné, že původní inspirace pochází z přírody,“ říká Hartl.

Příroda podle něho „pracuje“ neuvěřitelně efektivně. Tvary a struktury, které tu přežily, prověřila evoluce v podmínkách omezených zdrojů, což je cíl, k němuž se inženýři často těžce propracovávají. V přírodě najdeme výjimečně lehké a přitom pevné konstrukce, adaptivní mechanismy nebo schopnost opravit vzniklé poškození. „Proto se ji snažíme napodobit. A to nejen tvary a strukturami, ale i využitím návrhových postupů, jež pracují podobně jako přírodní selekce. K tomu slouží například topologická optimalizace nebo generativní navrhování, které ve spojení s umělou inteligencí umožňují vytvářet lehčí, pevnější a odolnější strojní součásti,“ vysvětluje Hartl.

Příkladem řešení inspirovaného přírodou, v tomto případě chobotnicí, jsou robotická chapadla s měkkými a flexibilními koncovkami umožňujícími bezpečné uchopení křehkých či nepravidelných předmětů, které by klasická tvrdá hydraulická ruka mohla poškodit. Lopatky turbín se zase inspirovaly tvary velrybích ploutví, kde specifické hrbolky na okrajích nejenže snižují turbulence a hlučnost, ale také zvyšují účinnost proudění. „Dalším inovativním přístupem jsou mikrostrukturované povrchy připomínající zmiňovanou žraločí kůži, čímž se dosahuje významného snížení odporu při proudění tekutin. Biomimetické principy se také využívají u samoopravných a samomazných materiálů, kde jsou do základní hmoty integrovány mikro‑ či nanokapsle se specifickými látkami. V případě poškození se kapsle aktivují, uvolní se jejich obsah a dojde k opravě defektu nebo redukci tření, což vede k prodloužení životnosti zařízení a snížení nákladů na údržbu,“ popisuje Hartl.

Roli hraje každý gram

Inspirace přírodou umožňuje vyvíjet produkty s nižší energetickou náročností, vyšší účinností a spolehlivostí. Optimalizované tvary a integrované samoopravné mechanismy často vedou k úspoře materiálů a snížení provozních nákladů, a tím ke snížení jejich ekologické stopy.

Dříve inženýři spoléhali na zkušenosti a tradiční metody návrhu. Dnes mají k dispozici pokročilé výpočetní nástroje, které automatizovaně vyhledávají optimální řešení, podobně jako to činí příroda. „Například topologická optimalizace odstraňuje z konstrukce přebytečný materiál a ponechává jen ty části, které jsou skutečně nezbytné. To se osvědčilo v letectví, automobilovém průmyslu i při výrobě strojních dílů, kde hraje každý gram roli,“ vysvětluje Hartl. „Generativní design využívá umělou inteligenci k vytvoření tisíců variant splňujících zadaná kritéria a následnému výběru té nejlepší. Díky tomu se inženýři mohou soustředit na analýzu výsledků, místo aby modelovali jednotlivé varianty ručně. Výsledné tvary často připomínají přírodní struktury, jelikož jsou navrženy s maximální efektivitou využití materiálu vzhledem k zatížení,“ dodává.

Nové materiály a superlubricita

Martin Hartl vede projekt MEBioSys, který je zaměřený na strojní inženýrství bioinspirovaných systémů. Hlavním cílem projektu je vyvinout adaptivní materiály a mechatronické systémy inspirované přírodními principy. Jde například o samoopravitelnost či schopnost reagovat na lokální zatížení. V rámci průmyslových aplikací se zaměřuje na tvorbu nových materiálových struktur s využitím aditivních technologií, které mohou výrazně zvýšit životnost a snížit energetické nároky kritických komponent, například v letectví a automobilovém průmyslu.

„Největší výzvou je skutečnost, že příroda pracuje s různorodými materiály a vytváří struktury ‚zevnitř ven‘, zatímco v inženýrství často postupujeme opačně. Naším úkolem je vyvinout technologie, které umožní výrobu vnitřně dutých, porézních konstrukcí s vícero vrstvami, přičemž musí být zajištěna jejich ekonomická efektivita a průmyslová reprodukovatelnost,“ vysvětluje Hartl. Pokud se cíl projektu podaří naplnit, otevře se konstruktérům řada nových možností. Výsledkem mohou být například lehčí karoserie kolejových vozidel s integrovaným tlumením vibrací, což by významně prodloužilo životnost jak samotných vozových souprav, tak kolejí.

Tým tvořený experty na materiálové a strojní inženýrství, chemii a biologii se zabývá také výzkumem superlubricity – jevu, při němž nastává téměř nulové tření. Inspiraci hledají převážně v lidských kloubech, kde je tření velmi nízké. „Synoviální klouby, tedy ty s velkou pohyblivostí a kloubní dutinou – například kolenní nebo kyčelní –, využívají synoviální kapalinu a jemně strukturovanou chrupavku, aby se minimalizovalo tření při pohybu. Tento přírodní mechanismus nás vede k vývoji nových materiálů a maziv, které by mohly snížit opotřebení strojních součástí a zároveň šetřit energii,“ vysvětluje Hartl.

Díky zavedení principů superlubricity vědci očekávají nižší energetické ztráty, delší životnost zařízení a snížení nákladů na údržbu. Například v automobilovém průmyslu by takové inovace mohly vést k výrazné úspoře paliva a snížení emisí. „Kromě toho nacházíme inspiraci v přírodě i při vývoji biomedicínských aplikací, například při návrhu nových implantátů, kde by nízké tření mohlo prodloužit jejich životnost. Díky těmto přístupům můžeme dosáhnout celkově efektivnějšího a udržitelnějšího využití technologií v různých odvětvích,“ doplňuje Hartl.

Příroda v aditivní výrobě

Profesor Pavel Hutař z Ústavu fyziky materiálů AV ČR se v rámci projektu MEBioSys se svým týmem zaměřuje na oblast aditivní výroby kovových materiálů. Inspirace přírodou v 3D tisku kovů se již využívá při výrobě tepelných výměníků, kde požadovanou funkcí je rychlý odvod tepla z daného média. „K tomuto účelu výborně slouží gyroidní struktury, které mají vysoký poměr funkčního povrchu k celkovému objemu. Častým motivem je také včelí plástev, kombinující dobrou tuhost a nízkou hmotnost,“ říká Hutař.

Aditivní technologie jsou v průmyslu využívány na výrobu tvarově složitých těles, která nelze vyrobit konvenčními způsoby. „My jsme ale přesvědčeni, že to je pouze začátek uplatnění těchto technologií a dalším krokem bude možnost ovlivnit samotnou vnitřní strukturu kovového materiálu, tedy krystalovou mřížku. Její orientace vůči směru zatěžování určuje výsledné mechanické vlastnosti dílu vyrobeného 3D tiskem,“ vysvětluje Hutař.

Cílem je nejen výroba tvarově složitých těles, ale také optimalizace vnitřní struktury materiálu, která umožní maximalizovat mechanické a funkční vlastnosti dané slitiny. „K tomuto účelu používáme k dnešnímu dni nejrozšířenější metodu selektivního tavení práškového lože pomocí laserového paprsku. Nejnovější výsledky potvrzují naši hypotézu o možnosti lokální manipulace struktury a tím i mechanických vlastností,“ říká Hutař.

Inspirací pro výzkum je právě příroda, ve které se po miliony let rostliny i živočichové neustále adaptují na vnější prostředí a díky tomu dokážou zkombinovat často protichůdné požadavky, jako je vysoká pevnost při velice nízké hmotnosti, které současné průmyslové materiály ani zdaleka nedosahují.

„Je to často zapříčiněno složitou vnitřní strukturou jejich těl, kterou jsme velice dlouho nebyli schopni napodobit kvůli technickým omezením tradičních výrobních technologií. Aditivní technologie však toto paradigma narušily a otevírají nám možnost brát si inspiraci z přírody a přenést ji do průmyslových aplikací,“ vysvětluje Hutař. Díky tomuto novému přístupu se otevírají dosud nepoznané možnosti pro konstruktéry a designéry, které budou představovat velkou změnu pro průmysl. Umožní totiž skutečnou individualizaci produktu pro konkrétní potřeby jednotlivých zákazníků.

„Selektivní laserové tavení práškového lože je velice flexibilní metoda. Jsme schopni měnit mnoho parametrů od výkonu laseru až po trajektorii paprsku v dané oblasti. Díky tomu je možné vytvořit výrobní strategii, která je schopna napodobit mnohé struktury pozorované v přírodě a tím se přiblížit i požadované kombinaci mechanických vlastností, jako například pevnost, pružnost nebo tvrdost,“ popisuje Hutař. Mezi napodobované konstrukce patří složité vnitřní struktury mořských hub, stavba motýlích křídel, která kombinují dobrou tuhost a vysokou ohebnost při zachování nízké hmotnosti, nebo vnitřní stavba lastury mořských mušlí, na kterých je pod mikroskopem vidět pevná lamelární struktura. Díky tomu by mohly vzniknout materiály, které jsou v některých směrech pevnější a v jiných poddajnější.

Budoucnost strojírenství

Stáhněte si přílohu v PDF

Zapojení do výuky

Principy biomimetiky se už zapojují i do výuky budoucích inženýrů. Studenti programu konstrukční inženýrství na VUT řeší projekt s názvem „morfující křídlo“, ve kterém se zabývají návrhem mechanismu umožňujícího měnit tvar křídla, a tedy i jeho aerodynamické vlastnosti během letu – podobně, jako to vídáme u některých ptáků nebo netopýrů.

„V rámci projektu studenti procházejí celým procesem vývoje: musí udělat rešerši, vybrat vhodné materiály, provádět výpočty a následné simulace a nakonec vytvořit i fyzický prototyp. Velkou přidanou hodnotou je přitom 3D tisk z kovových slitin. Výstupem je pak funkční demonstrátor křídla, které dokáže plynule měnit tvar odtokové hrany. Tím se skvěle propojí zásady konstrukčního inženýrství s principy bioniky – studenti si vyzkouší, co obnáší navrhnout bioinspirovaný mechanismus a posoudit, jaký přínos to může mít třeba pro energetickou úsporu nebo nižší hlučnost letounu,“ říká Hartl.

Článek byl publikován ve speciální příloze HN Budoucnost strojírenství.