Статья подготовлена на основе открытой лекции профессора Университетского колледжа Лондона Марка-Оливера Коппенса, материалов Научного центра мирового уровня ТюмГУ и интервью с руководителем стратегического проекта ТюмГУ «Природовдохновленный инжиниринг» Евгением Голубевым.
Самолет и птица, хобот и роботизированная рука – мир вокруг вдохновляет людей на создание уникальных изобретений. Ученые уверены: запас «природной мудрости» не исчерпан. Исследование строения и функционирования естественных систем, выделение принципов их работы позволят ответить на многие технологические вызовы, связанные, например, с эффективным использованием ресурсов, масштабированием индустрий, созданием новых материалов или модернизацией производственных процессов.
Евгений Голубев: «В инжиниринге обычно с наукой не так хорошо, как хотелось бы. Чаще всего специалисты действуют в рамках общих требований справочников, гостов и пособий. У них нет других источников для вдохновения. Конечно, перспективы открывают технологии моделирования и цифрового проектирования, но этого недостаточно. Нужен источник, который даст новые идеи для конструирования. На мой взгляд, природовдохновленные подходы – это как раз необходимый нам способ вдохнуть в инжиниринг науку».
В 2021 году ТюмГУ стал участником государственной программы поддержки и развития университетов «Приоритет 2030». Природовдохновленный инжиниринг и его влияние на экономику будущего – один из стратегических проектов, заявленных вузом. Перспективам таких исследований и уже достигнутым результатам было посвящено несколько мероприятий в течение года. Среди них – сессия-форум «Компьютерный инжиниринг в трансформации традиционных индустрий», организованная Научным центром мирового уровня. С открытой лекцией о природовдохновленном химическом инжиниринге на форуме выступил Марк-Оливер Коппенс, профессор Университетского колледжа Лондона.
Марк Оливер Коппенс: «У нас есть уникальная возможность учиться у природы, находить лучшие инновационные решения. Ключевой момент – мы не бездумно копируем. Мы стараемся понять принципы и создать на их основе новые концепты. Природовдохновленные подходы и реализуются ведь в такой логике: природный принцип – концепция использования в производстве – разработка – экспериментальная реализация – практическое применение».
Принципиальное отличие природовдохновленных подходов от биомиметики, то есть копирования природных систем, заключается в том, что за основу берется не сама система, а законы процессов, происходящих в ней. В мире немало объектов, созданных с помощью буквальной имитации. Например, сверхдеревья из Gardens by the Bay (Сингапур). Это металлические конструкции в виде дерева, которые по своей функциональной роли являются вертикальными садами. Они, с одной стороны, обеспечивают тень, а с другой – выполняют роль платформы для выращивания растений. Напротив, примером природовдохновленного решения можно считать Эйфелеву башню. По мнению ученых, ее уникальная форма напоминает структуру большеберцовой кости с прочной внешней частью и губчатой тканью внутри. Такое строение обеспечивает устойчивость башни с учетом ее высоты и минимальным объемом материалов.
Еще один образец природовдохновленного инжиниринга – практика применения принципа иерархической транспортной системы деревьев в химическом реакторе. На основе этой концепции разработан фрактальный инжектор, который помещают внутри реактора и используют для смешивания сред. Конструкция инжектора напоминает крону дерева. Она обеспечивает равноудаленность частиц веществ друг от друга, а значит – каталитические реакции идут равномерно. Фрактальный инжектор легко масштабировать с сохранением нужных свойств при увеличении размера самого реактора – достаточно добавить несколько поколений ответвлений.
Исследователи Научного центра мирового уровня ТюмГУ занимаются изучением законов вытеснения нефти из реального керна на микро- и нано-уровнях. Интерес к теме продиктован вынужденным переходом к месторождениям с трудноизвлекаемыми запасами, в том числе к тем, где нефтеносные пласты имеют очень малый размер пор. На этом уровне действует уже «другая физика» – определенные условия, отличающиеся от классических законов гидравлики. Чтобы визуализировать движение жидкостей в таких нефтеносных пластах и изучить их, созданы специальные микрочипы и экспериментальный стенд. Понимание механизма действия законов на микроуровне и умение их использовать может быть полезно не только для улучшения нефтеотдачи, но и для развития схожих технологий.
Природовдохновленные подходы становятся основой и для других исследований ученых ТюмГУ. Например, ведется работа над оптикой свободной формы, то есть над созданием системы зрения на жидких линзах. Результаты исследований можно будет применять в робототехнике, освоении космоса и исследованиях Земли, медицинской диагностике, системах навигации и передачи данных.
Еще одно исследовательское направление в ТюмГУ – природовдохновленный системный инжиниринг.
Евгений Голубев: «Давайте представим автомобиль: в нем есть контроллер – своеобразный мозг, провода и датчики – нервная система. Это уже имитация организма. Но, как известно, все живые организмы состоят из клеток – практически автономных, самостоятельно работающих и способных возобновляться единиц. А если нам разработать технический объект, который будет состоять из высоконадежных, самодиагностирующихся и самовосстанавливающихся модулей? Это не фантастика. Это вопрос, которым занимаются ученые во всем мире».
Решения природовдохновленного инжиниринга могут показаться слишком простыми. Однако найти верный ответ природы на конкретный технологический вызов не так легко. Профессор Коппенс называет два основополагающих способа: наблюдать за уникальным и наблюдать за универсальным. Наши ученые к этому добавляют необходимость работать в междисциплинарных исследовательских командах, когда специалисты науки предлагают инженерам для технологических решений определенные ими принципы и концепты.
Источник:
Управление стратегических коммуникаций ТюмГУ
