اکنون در آستانه هزاره جدید، مفاهیم علمی، فلسفی و ایدئولوژیکی مربوط به دو مبحث تکنولوژی و بیولوژی، در حال دگرگون شدن است که بخشی از آن نتیجه کشفیات جدیدی است که در زمینه های مختلف تحقیقاتی رخ دادهاند. خودسازماندهیهای مجذوبکننده سیستمهای ساده در طبیعت، امروزه توجه بسیاری از دانشمندان در زمینه های مختلف علمی را به خود جلب کرده است. پیشرفت علم کامپیوتر و امکانات جدیدی که این علم در اختیار دانشمندان قرار داده نیز تحقیقات پیچیدهای را در این زمینه میسر ساخته است. همچنان که شبیهسازیهای کامپیوتری نشان میدهد، دو علم بیولوژی و تکنولوژی با تمام پیچیدگیهایشان براساس قوانین مشابه و ماوراء شکل گرفتهاند. با ترکیب این دو علم میتوان به عرصه جدیدی از دانش وارد شد که امکان نوآوریهای بیشتر را در زمینه های مختلف فراهم میآورد.
در فرهنگ بریتانیا واژه بیونیک، “ساختسیستمهای مصنوعی که دارای برخی از ویژگیهای موجودات زنده هستند” تعریف شده است. متشابه بودن واژه بیونیک و بیولوژی (زیستشناسی) ما را متوجه ارتباط این علم با موجودات زنده می کند. در ابتدای امر، بیونیک به کاربردهای علمی منحصر میشد و طرحهایی را که اساس شکل گیری آنها موجودات زنده بودند بررسی میکرد. در بازه زمان تعریف جامعتری بدست آمد: “بیونیک عبارت است از هنر بکار گرفتن دانش سیستمهای زنده برای حل مسائل فنی”. این تعریف مبین این است که بیونیک از ابتدای حیات انسان همواره با ما همراه بوده و بسیاری از پژوهشگران پیش از آن که بیونیک به این نام معروف شود، آن را بکار گرفتهاند. میتوان گفت بیونیک یک انضباط بین علمی است که برای بهبود طراحی، ساخت ابزارها و ماشینهای مورد استفاده بشر، بکار گرفته می شود و دستاوردهای بسیار سودمندی به بشر داده است. هدف اصلی و پرفایده از بکارگیری این دستآوردها این است که به جای بازآفرینی از موجودات زنده، اصول و قواعد طبیعت و سازگاری آنها با یکدیگر مورد مطالعه قرار گیرد. به بیان سادهتر، بیونیک تأکید بر استفادهی صحیح از منابع طبیعی و عدم تخریب محیط زیست دارد. هم چنین با نیم نگاهی به مسائل فنی و تکنولوژیکی خواستار طراحی به روش طبیعت است.
از دیدگاه بیونیک سادهترین راه برداشت از طبیعت، تقلید صادقانه از مدل است. هماکنون بیشتر موجودات زنده حاصل دو میلیارد سال تکامل تدریجی هستند که در این بازه زمانی بسیار طولانی، طبیعت هر موجودی را که با هدف نهایی خلقت سازگاری نداشته از میان برداشته است. بنابراین طرحهایی که شبیه موجودات زنده هستند از این تجربه عظیم بهرهمند میشوند. از طریق مطالعه فرایند تکامل میتوان به اطلاعات زیادی دست یافت و در علوم مختلف از آن بهره جست. یکی از این علوم معماری است. بیونیک کمک بسزایی به معماران می کند. یکی از دیدگاه های معماران پیرو این سبک این است که “ما در ساختمانها زندگی میکنیم، کار میکنیم و با دیگران تعامل میکنیم و به نوعی ساختمانها باید به عنوان پوستیبرای انسان باشند.” علاوه بر این ساختمانها باید کیفیت زندگی را افزایش دهند و به شرایط محیطی زمین نیز نیمنگاهی داشته باشند.
ضرورت طرح
معرفی علم بیونیک به عنوان یکی از سه علم برتر دنیا از یک طرف و از طرفی ناکارآمدی و بهینه نبودن برخی ساختههای دست بشر ما را به سمتی سوق میدهد که از تجربه طبیعت در زمینه های مختلف یاری بگیریم. برای رسیدن به این اهداف ضروری است تا مرکزی برای تحقیقات و گسترش این علم در جامعه ایجاد شود، تا از طرفی به شناخت نظام طبیعت پرداخته و از طرف دیگر به گسترش کاربرد آن در علوم مختلف کمک نماید. در این راستا دانشگاه شیراز به عنوان یکی از قطبهای قدرتمند علمی و پژوهشی کشور و سابقه درخشان آن در علوم طبیعی و مباحث تکنولوژی، بستری مناسب را برای تحقیق این امر مهیا میسازد.
1-2- طبیعت به عنوان منبع خلاقیت و نوآوری
در گذشته بهره برداری از طبیعت تنها برای استفاده به عنوان یک عامل تولیدکننده بود ولی امروزه به صورت گسترده از منابع آن برای یافتن راه حلهای خلاق برای مسائل فناورانه استفاده می شود.
طبیعت بدلیل ویژگیهای خاصی که دارد به عنوان یک منبع ویژه برای رشد و توسعه خلاقیت و نوآوری میباشد. عمدهترین این ویژگیها عبارتند از:
1- سیستمهای زیستی میلیونها سال است برای توسعه و تکامل بهینه شده اند.
2- آنها به صورت چرخههایی از مواد هستند که پشت سر هم با یکدیگر ترکیب شده و مواد زائد را مصرف می کنند.
3- سیستمهای زیستی بر مبنای اصل خود سازماندهی[1] کار می کنند (سیستمهایی که خودشان تولید، تنظیم، تولید نسل و بهینهسازی می کنند).
4- سیستمهای زیستی در اثر عوامل تکاملی در جهت افزایش بهرهوری توسعه پیدا کرده اند. برای مثال گیاهان میتوانند نیازهای خود را کاهش دهند، تهیه آب را بهبود بخشند، بهتر از نور استفاده کنند و در شرایط ناسازگار مقاومت بیشتری از خود نشان دهند.
5- سیستمهای زیستی میتوانند با جذب حداقل انرژی زنده بمانند و تولید نسل کنند.
6- سیستمهای زیستی دارای توانایی برای نو شدن و ایجاد دوباره اجزاء خود میباشند بدون اینکه تغییری در ساختار اساسی آنها ایجاد شود.
7- سیستمهای زیستی شامل تعداد کمی از عوامل اساسی هستند که با یکدیگر در یک راه همکاری می کنند و تعداد زیادی از عملکردهای حیاتی را میتوانند تولید نمایند (اصل حداقل نیروی مصرف شده).
اهمیت ساختارهای زیستی در حوزه فناوری از سال 1960 به بعد افزایش یافته و از همین سال نیز بیونیک به صورت یک علم ویژه درآمده است و امروزه بر اهمیت بیونیک افزوده می شود. (علیرضا منصوریان و سید مهدی گلستان هاشمی، ص40 و 41)
-3- تعریف علم بیونیک
بیونیک[2] از ترکیب دو کلمه زیستشناسی[3] وتکنیک[4] تشکیل شده است ودر فرهنگ لغتهای مختلف “بیونیک” را با تعابیر مختلفی معرفی کرده اند. فرهنگ لغتوبستر[5]بیونیک را کاربرد اصول زیستشناسی برای مطالعه وطراحی سیستمهای مهندسی توصیف نموده است.طبق تعریف جانین بنیوس[6] (1997)، نویسنده کتاب بیومیمیکری[7]، بیونیک علم مطالعه مدلهای طبیعت و الهام گیری از این طرح ها و فرایندها برای رفع مشکلات انسانی است.
ورنر ویلینسکی[8]، پژوهشگر آلمانی دانش بیونیک بیان میدارد که علم بیونیک از قوانین تکاملی طبیعت که از میلیونها سال قبل بدون وقفه وسر سوزنی توقف و با دقت خاص یک ساعت اتمی پیاده شده اند تبعیت می کند و به عنوان سازندهترین منبع الهام الگو میشوند ومورد تقلید قرار میگیرند.
یکی از مهمترین رسالتهای متخصصان بیونیک آن است که با دیگر متخصصان این علم در سایر نقاط جهان ارتباط برقرار کنند.
متخصصان بیونیک در مورد مشکلات موجود، از قبیل تغییرات آب و هوا ، بروز شکاف در لایهی ازن، رو به پایان رفتن ذخایر انرژی،نابودی محیطهای زندگی، افزایش رو به رشد قحطی و گرسنگی در جهان سوم، راه حلهای علمی و عملی در نظر دارند. فراوردههای صنعتی همواره احتیاج به تجدید نظر دارند. در واقع آنها را باید به گونه ای تولید کرد که دوستدار محیط زیست باشند وبین آنها و طبیعت هماهنگی باشد.
مهندسی خلاقیت بیونیکی را میتوان به عبارتی علم استفاده از نتایج تکاملی زیستشناسی دانست. ایده بیونیک بر این حقیقت استوار است که تکامل به طور مداوم در طبیعت در حال انجام است وفناوری های حیات بهترین حالت و نظم را با یکدیگر دارند. به همین جهت لازم است برای فناوریهای مدرن از حالتهای تکاملی حیات الگوبرداری شود.
بیونیک رویکرد خلاقی است که به مسائل موجودات زنده و ماشینها از طریق گردآوری پژوهشهای زیستشناسان، روانشناسان، ریاضیدانان، مهندسان و ………. مینگرد. بیونیک محدود به رشتهای خاص نیست، بلکه برای بخش گستردهای از مسائل قابل اجراست.بیونیک رفتار مکانیسمهای زنده را به طور منظم بررسی می کند به نحوی که اصول کشف شده از این مطالعه را میتوان در سیستمهای دستساز بشر استفاده نمود. البته کاربرد بیونیک به میزان تفاهم و همکاری بین رشتهای میان متخصصان بستگی دارد که می تواند موجب پیشرفت روز افزون فناوریها گردد.
عدهای بیونیک را هنر به کار گرفتن دانش سیستمهای زنده برای حل مسائل تکنیکی میدانند، هدف از علم بیونیک تولید ماشینها و مواد پیچیدهتر به وسیله تقلید از طبیعت است. طبیعت بدون ایجاد آلودگی محصولاتی تولید می کند که از لحاظ کاری بسیار بهتر از تولیدات دستساز بشر عمل می کنند. برای مثال در مقیاس برابر، استخوان سختتر از فولاد است. دلیل این مهم چیست؟ پاسخ این سوال به طراحی مهندسی استخوان در سطح مولکولی بر میگردد. پژوهشگری به نام گیت بیان می کند که موفقیت ساختارهای زنده به طراحی و تقارن کوچکترین اجزای آنها برمیگردد.
با نگاه دقیقتر به کوچکترین اجزاء طبیعت، دانشمندان موادی را از آن جداسازی و مشخص مینمایند ( به عنوان مثال، استخوان و ابریشم ) که از لحاظ دوام و سبکی به آنها رشک میبرند.
در دهههای اخیر علاقه به تقلید از طبیعت گسترش پیدا کرده است و بسیاری طرحها از طبیعت الهام گرفته شده که برای پیشرفت صنایع از آنها استفاده می شود. این الهامگیریها، اندیشهها، خط تولیدها و استراتژی های بازاریابی را تغییر میدهند. به همین دلیل است که شرکتهای تولیدی به الگوهای طبیعت اهمیت می دهند و از این طریق فعالیتهای تحقیق و توسعه مبتنی بر بیونیک همواره محصولات جدیدی طراحی و تولید می کنند. اهمیت این موضوع به این دلیل است که درسهای طبیعت به طور دقیق ظرفیت تکمیل کردن نیازهای انسانی را دارند و به توسعه یک دید جدید در طراحی کمک می کنند.
جانوران و گیاهان دارای ساز و کارهای بسیار متنوعی هستند. پیچیدگی یک ویژگی حتمی و ممتاز آنها است. با بهره گرفتن از تکنیکهای تحلیلی پیشرفته میتوان بسیاری از این ساز و کارها را درک کرد و در توسعه فناوریهای پیشرفته از آنها استفاده نمود. در این خصوص دکتر ویلینسکی بیان میدارد که طبیعت چند جانبهترین ، عملیترین ، دقیقترین، بیضررترین و برای محیط زیست دوستانهترین راهحلها را در پیش روی ما گذاشته، فقط کافی است دقت نظر داشته باشیم و آنها تشخیص بدهیم و سپس با داشتن درک فنی آنها را در صنعت پیاده کنیم و به آنها جنبه علمی ببخشیم. به طور کلی، طبیعت با تنوع زیاد در ساختارهای کارآمد، منبع بسیار مناسبی برای الگوگیری خلاق و کشف راههای جدید برای حل مسائل مختلف است. نمونههای بسیار زیادی در طبیعت وجود دارد که میتوانند ابزارهای خلاق در فرایند خلق راهحلها برای مشکلات باشند. قاعدههای تکامل زیستشناختی میتوانند برای تعیین هدفها و اصول عملکردهای ساختارها و سازمانها استفاده شوند و همچنین یک مدل برای راه حلهای تعیین شده ارائه کنند.در این حوزه مهندسی خلاقیت بیونیکی با بررسی خلاقیتهای طبیعت راهکارهای ایده آلی برای فناوری و جهان مهندسی ارائه مینماید.
به طور کلی، مهندسی خلاقیت بیونیکی در طی 3 مرحله مشکلات و مسائل فناوری را مورد بررسی قرار میدهد:
1- بررسی مسئله، عناصر و نیازهای اساسی برای حل کردن مشکل؛
2- نمونههایی از طبیعت کاوش و بررسی می شود که مشکل را حل می کند؛
3- راهحل طبیعت به راهحل فناورانه تبدیل میگردد.
پژوهشگری به نام بنیوس (نویسنده کتاببیومیمیکری) بیونیک را راهی برای ارزیابی و بررسی طبیعت میداند که علاوه بر استخراج اطلاعات از طبیعت، یادگیری و ایدهیابی از جهان طبیعت را مورد اهمیت قرار میدهد.
البته ایدهیابی مستلزم این نیست که تنها حیوانات و گیاهان برای به دست آوردن مواد خام مثل قندها، اسید آمینهها، نمک ها و …. مطالعه شوند، بلکه کنترل تشکیل و شکل دادن این مواد نیز بسیار مهم است و مکانیسم های به هم پیوستگی مواد برای شکلگیریهای لازم، بسیار اهمیت دارد.
پروفسور وینسنت[9]، رئیس مرکز بیومیمتیک در دانشگاه ریدینگ[10]انگلستان، بیومیمتیک را استخراج طرح و ایدهیابی از طبیعت تعریف کرده است.
دکتر بنیوس[11] بیان میدارد که انسان باید شبیه یک برگ انرژی را تحت کنترل خود درآورد، مواد غذایی همانند چمنزار تولید کند، نخهایی مانند عنکبوت خلق کند، کیفیت سرامیکها مانند صدفها باشد و راهاندازی یک تجارت مانند ایجاد یک جنگل با درختان غول پیکر در نظر گرفته شود.
نتایج بالقوه وسیعی از تقلید مواد طبیعت به دست می آید که عبارتاند از کاربردهای جدید مواد پیشرفته، بهبود عملکرد، کاهش هزینه و کاهش آلودگی. علاوه بر آن پژوهشگران یک جعبه رنگارنگ و بسیار بزرگ از مواد و ساختارها را با بهره گرفتن از اصول طراحی طبیعت به دست میآورند و اغلب طبیعت به عنوان یک معیار زیست محیطی برای نوآوریها در نظر گرفته می شود.
فرم در حال بارگذاری ...