CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2. Giới thiệu về thiết kế sinh học
Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là việc con người mô phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc. Tiềm năng áp dụng những nguyên tắc và cơ chế dựa trên Phỏng Sinh học là rất lớn, do sự phức tạp của các cấu trúc sinh học và số lượng lớn các tính năng được tìm thấy. Chính vì vậy, Phỏng Sinh học mở ra cánh cửa của nhiều công nghệ tiên tiến và thiết kế tương lai, lấy cảm hứng sinh học để giải quyết các vấn đề như: khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống thấm nước, tự lắp ráp, khai thác năng lượng mặt trời… [7]
Đôi chút về lịch sử thiết kế sinh học, thuật ngữ này đầu tiên có lẽ đã được gọi bởi các nhà vật lý sinh học của Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt từ những năm 1950. Trong một nghiên cứu về các dây thần kinh mực ống để cố gắng tạo nên thiết bị nhân rộng hệ thống truyền thần kinh sinh học. Mặc dù vậy, những ví dụ rõ rệt về Phỏng Sinh học chỉ thực sự xuất hiện vào năm 1982. [7]
Đến năm 1997, thuật ngữ “thiết kế sinh học” một lần nữa mới được phổ biến bởi các nhà khoa học và đặc biệt là tác giả Janine Benyus, trong cuốn sách mang tên: Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. [7]
Chúng ta đừng quan tâm đến những thiết kế ứng dụng cơ chế sinh học phức tạp, chỉ riêng hình dáng của sinh vật thôi đã trở thành nguồn cảm hứng rất lớn. Đã có rất nhiều thiết kế dựa trên hình dáng sinh vật.
1.2.1. Giới thiệu cây bông súng
Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng.
7
Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng).
Cây Bông Súng có nguồn gốc từ vùng tiểu lục địa Ấn Độ. Cây đã lan rộng qua các nước khác từ thời cổ đại và trong một thời gian dài cây mang giá trị cảnh quan lớn giúp trang trí cho những ao, hồ và vườn hoa ở Thái Lan, Myanma.
Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền.
Lá Hoa Súng là dạng lá đơn mọc cách, lá hình tròn hay xoan, bìa có răng cưa thưa, mặt dưới không lông có màu lam hoặc tím đậm, mặt trên nhẵn và có màu xanh bóng. Lá cây Hoa Súng xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, có gân to tròn, nổi rõ ở mặt dưới của lá. Thân bông súng có tiết diện ngoài hình tròn, bên trong có ống nhỏ dọc theo suốt chiều dài của thân. [8]
1.2.2. Các nghiên cứu trên thế giới
Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo
Hình 1.2: Ghế Bướmthiết kế bởi Eduardo Garcia Campos trong cuộc thi A Design Award 2012-2013. [7]
8
Mặc dù bề ngoài cồng kềnh của cá hộp, nó có sức cản dòng chảy thấp và hệ số cản đáng kinh ngạc là 0,06. Trong khi đó, chim cánh cụt bơi trong nước có hệ số 0,19.
Vào năm 2005, lấy cảm hứng từ sức mạnh cấu trúc tuyệt vời và khối lượng thấp của cá hộp, Mercedes Benz đã phát triển Xe Bionic, được báo cáo là giảm lực cản, có độ cứng lớn, trọng lượng thấp và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn đáng kể so với các loại xe truyền thống.
Tất nhiên, chỉ vì một cái gì đó có vẻ giống như thiết kế hoàn hảo trong thế giới tự nhiên, không nhất thiết có nghĩa là nó hoạt động theo cách đó trong thiết kế công
nghiệp. Bạn có thể nhận thấy sự thiếu vắng rõ rệt của các phương tiện có hình dạng Ôtô Bionic trên đường, có thể là do một nghiên cứu năm 2015 cho thấy hình dạng của cá nắp hòm không làm giảm lực cản chút nào và thực sự khiến nó không ổn định hơn. [7]
Hình 1.4: Concept thiết kế xe hơi Bionic - Mercedes Benz lấy cảm hứng từ cá nắp hòm. [7] lấy cảm hứng từ cá nắp hòm. [7]
9
Hình 1.5:Chim bói cá và tàu Shinkansen. [7]
Nhật Bản nổi tiếng với tốc độ và hiệu quả đáng kinh ngạc của các chuyến tàu của họ. Tuy nhiên, với tốc độ vượt quá 300km / h, tàu cao tốc đã gây ra một vấn đề trong việc tạo ra âm thanh bùng nổ lớn mỗi khi chúng xuất hiện từ một đường hầm. Một kết quả đáng tiếc của việc thay đổi áp suất không khí, nguồn ô nhiễm tiếng ồn này đã làm phiền rất nhiều cư dân địa phương và gây áp lực lên các kỹ sư trong việc giải quyết vấn đề. [7]
Họ đã làm điều này, và lấy cảm hứng từ một nguồn khá khó hiểu: Chim bói cá. Bói cá là bậc thầy trong việc di chuyển giữa môi trường nước trong không khí, với rất ít nước bắn. Cũng giống như Kingfisher, tàu cao tốc Shinkansen được trang bị một chiếc mũi hình mỏ dài. Điều này làm giảm đáng kể tiếng ồn mà tàu tạo ra, nhưng cũng sử dụng ít điện hơn 15% và di chuyển nhanh hơn 10% so với trước đây. [7]
Một trong những ví dụ sớm nhất của thiết kế Sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim để chế tạo ra máy bay. Và mặc dù không thành công trong việc tạo ra một chiếc "máy bay" thật, Leonardo da Vinci (1452-1519) vẫn đánh một dấu mốc rất quan trọng khi ông quan tâm đến giải phẫu học của chim cùng các phác thảo dựa trên những quan sát cho cái gọi là "máy bay" của mình. Để rồi sau này, anh em nhà Wright - những người thực sự
10
thành công trong việc chế tạo tàu lượn vào năm 1903 - cũng bắt nguồn cảm hứng tương tự từ việc những quan sát những chú chim bồ câu đang bay. [7]
Đây là một thiết kế chắc chắn sẽ được nhắc tới ở mọi chuyên đề về thiết kế sinh học: khóa dán (khóa velcro). Đó là hai dải sợi nilông một nhám và một trơn sẽ dính chặt nhau khi bị ép lại. Ngay cả khi đôi giày hoặc cái áo khoác nào đó của bạn đã cũ và sờn rách, băng khóa dán vẫn trơ trơ ra đó và hoạt động theo một cách không thể dễ dàng hơn. Thật tình cờ, khóa Velcro được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941, sau một chuyến đi săn ở vùng Alps. Ông đã phải nhổ bỏ những quả gai trên bộ lông chú chó của mình và nhận ra cách mà chúng dính chặt vào nhau. [7]
Hình 1.6: Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim. [7]
11
Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi.
Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và M- amin Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran. Nhóm thiết kế sử dụng các chiến lược thiết kế sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà BioArch có thể tự tránh khỏi ánh sáng mặt trời dữ dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc Iran (với nhiệt độ trung bình là 43 độ C vào ban ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ C). Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ mặt trời, chia thành nhiều vùng lớp để tạo ra khu vực đệm và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng. Giải pháp này đồng thời cung cấp độ ẩm và lối thông gió tự nhiên. [7]