Zainspirowany naturą. Kask mocny jak… pomelo

Lżejsza odzież motocyklowa, mocniejsze kaski, trwalsze ochraniacze – to efekt badań projektu BISS prowadzonego przez BMW Group. Wszystkie rozwiązania opierają się na wzorach zapożyczonych z otaczającego nas świata flory i fauny, natomiast BISS oznacza po prostu Bio-Inspired Safety Systems, czyli Systemy Bezpieczeństwa Inspirowane Naturą. O co w tym chodzi?

Konsorcjum siedmiu partnerów przez trzy lata zajmowało się badaniem i opracowywaniem alternatywnych koncepcji projektowych i materiałowych dla bionicznego projektu. Bionika to nauka badająca budowę i zasady działania organizmów oraz ich adaptowania w technice na wzór i podobieństwo tworów natury.

Naukowcy już dawno stwierdzili, że badanie i kopiowanie szczegółów budowy z organizmów będących dziełem natury jest bardzo obiecujące. Formy te są bardzo rozwinięte, a takich wydajnych i skutecznych rozwiązań jak w przyrodzie, nie ma w wytworach ludzi. Przykłady można mnożyć, na przykład kadłuby łodzi imitujące grubą skórę delfinów albo niezwykłe kamery francuskich naukowców z École Polytechnique Fédérale de Lausanne zainspirowane budową oka muchy. W medycynie chyba najbardziej znany jest implant ślimakowy dla osób niesłyszących.

Grupa BMW podjęła badania w dziedzinie bioniki wraz z firmą Addidas, ORTEMA Phoenix,Uvex, a także Instytutem Technologii Włókienniczej i Inżynierii Procesowej Denkendorf w Niemczech oraz Wydziałem Inżynierii Polimerów Uniwersytetu w Bayreuth. Do programu zaproszono ponadto Grupę Biomechaniki Roślin z Uniwersytetu we Freiburgu. Dodatkowe wsparcie BMW uzyskało od firmy Innovationsmanufaktur z Monachium oraz Niemieckiego Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań.

Niezwykła pomarańcza i rybia skóra

Gros badań przeprowadzono na poczciwym i znanym powszechnie owocu. Chodzi o pomarańczę olbrzymią, czyli pomelo. Ten popularny cytrus korzysta z bardzo skutecznej ochrony przed uderzeniami. Nawet kiedy spada z wysokiego drzewa, owoc nie rozpada się, a wnętrze pozostaje w dużej mierze nienaruszone. Co ciekawe, skórka pomelo jest bardzo lekka.

Inny przykład to łuski ryb i gadów. Naukowcy przyjrzeli się strukturze zachodzących na siebie łusek. Tworzą one układ kompozytowy, który usztywnia się pod obciążeniem, aby zapewnić zwierzęciu ochronę przed zranieniem. Pancerna ochrona aligatorów jest tak skuteczna między innymi dlatego, że siły nacisku są rozkładane na sąsiednie łuski.

Pierwszym celem projektu badawczego była analiza struktury tkanki, struktury komórkowej i funkcjonowania powyższych mechanizmów ochronnych oraz zbadanie ich przydatności do zastosowania w przedmiotach przemysłowo-produkcyjnych. Następnym krokiem było udoskonalenie odpowiednich włókien kompozytów, struktur warstwowych i orientacji włókien. Ostatecznie badacze przeanalizowali w jaki sposób funkcje, które poprzednio były trudne do pogodzenia, czyli ochrona w trakcie zderzenia, odporność na penetrację i amortyzacja, mogą zostać połączone w innowacyjne systemy ochronne, stosując układ warstwowy wzorowany na strukturach biologicznych.

Nowy materiał jest o 20% lżejszy

Dotychczasowe wyniki przekroczyły oczekiwania BMW i kooperujących z niemieckim koncernem firm. Prototypu zaprojektowane z naturalnych modeli są o 20% lżejsze, mocniejsze i bardziej trwałe niż powszechnie stosowane materiały. Można je wytwarzać na masową skalę, stosunkowo tanio i dość prosto przetwarzać zgodnie z przeznaczeniem. Nie bez znaczenia jest również oszczędność materiału, co przekłada się na niższe koszty. Po prostu materiały inspirowane biologicznymi rozwiązaniami matki natury są tańsze.

Zastosowania nowych materiałów mogą być wielorakie. Eksperci BMW Group, którzy badają praktyce aspekty nowych technologii, zwracają uwagę na zupełnie nowe podejście do ochrony pracowników. Na przykład rękawice i wkładki ochronne wykonane z materiałów bionicznych mogą chronić pracowników w trakcie montażu ostrych krawędzi karoserii. Oczywiście aktualnie ludzie również używają różnych środków ochrony, ale nowe materiały o mniejszej masie, oddychające i o elastycznej strukturze mają mniejsze ograniczenia jeśli chodzi o swobodę i ruch, na przykład dłoni w rękawicach. To ma znaczenie, bo większa swoboda pracowników przekłada się na niezliczone korzyści, choćby mniejsze zmęczenie, wygodę, a co za tym idzie zwiększoną wydajność, mniejszą liczbę pomyłek, itd.

Kolejne potencjalne zastosowania dotyczą nowych form sprzętu ochronnego dla motocyklistów. Badania modeli kasków i ochraniaczy zapewniających podobny poziom ochrony i zabezpieczeń jak w tradycyjnych modelach, wykazują że w wariantach z nowych materiałów kaski i pozostałe utensylia są znacznie lżejsze.

Własności amortyzujące kasków w górę o 20%

Dla producentów sprzętu sportowego pojawiły się również znaczące korzyści. W ramach badań Uvex opracował nowe rozwiązania dotyczące amortyzacji w kaskach narciarskich i rowerowych. Dzięki skorzystaniu z rozwiązań matki natury udało się zwiększyć właściwości amortyzujące o 10 do 20% w porównaniu do konwencjonalnych materiałów. W praktyce oznacza to bezpieczniejsze kaski, które znacznie przekraczają obecne, rygorystyczne normy.

Z kolei Addidas stwierdził, że badania otwierają drzwi do stworzenia nowej odzieży ochronnej dla koszykarzy i piłkarzy. Również ORTEMA może mówić o sukcesie, bo jej specjalistyczny sprzęt do ochrony osobistej stanie się jeszcze trwalszy i lżejszy, co w dziedzinie ochrony sportowej zawsze jest bardzo ważne.

Udział w badaniach firmy Phoenix, która specjalizuje się w rozwoju produktów z wykorzystaniem danych i technologii druku 3D, umożliwił opracowanie specjalnych koncepcji produkcyjnych ułatwiających wytwarzanie produktów z innowacyjnych materiałów. Zastosowanie takich technologii jak ALM (Additive Layer Manufacturing) zapewnia szybką produkcję w oparciu o komputerowe modele 3D. Mówiąc inaczej, projekt może niemal natychmiast stać się produktem.

Zadziwiające właściwości auksetyków

Unikalne właściwości ochronne modeli biologicznych leżą zasadniczo w ich hierarchicznym projekcie. Skórka pomelo jest jednym z tak zwanych materiałów auksetycznych. Auksetyk to materiał o ujemnej liczbie Poissona, co najprościej rzecz ujmując oznacza, że przy rozciąganiu w jednym kierunku powiększa swoje rozmiary w kierunkach poprzecznych, zaś ściskany pomniejsza je. Co ciekawe auksetyki są znane od ponad 100 lat, natomiast dopiero niedawno zwrócono na nie uwagę. Znane są także w procesach technologicznych i patentach, należą do nich na przykład różne rodzaje polimerów politetrafluoroetylenu takich jak Gore-Tex.

W ramach BISS naukowcom udało się odszyfrować unikatową strukturę auksetyczną m.in. w pomelo i zastosować nowo opracowane metody, na przykład do struktury pianek. Umożliwia to wytwarzanie kompozytowych wyrobów o działaniu ochronnym, którego wcześniej nie udało się osiągnąć. W praktyce oznacza to, że naprężenia występujące podczas zgniatania auksetycznego poliuretanu są rozprowadzanie w materiale optymalnej, czyli do obszarów wcześniej nieużywanych. W ten sposób większa objętość materiału jest związana z absorpcją energii w porównaniu do zwykłych pianek PUR.

Nowa pianka lepsza o 25%

Instytut Techniki Włókienniczej i Inżynierii Procesowej (ITV), wchodzący w skład Niemieckiego Instytutu Badań Materiałów Włókienniczych uczestnicząc w badaniach podjął się wykonania nowych hybryd włókienniczych i pianowych. Technologia tkania oplotu została zmodyfikowana. Powstała specjalna przystosowana tkanina siatkowa, która w połączeniu z nową pianką, poprawiła właściwości o prawie 25%!

Kiedy zobaczymy nowe materiały w naszych kasach motocyklowych, odzieży i ochraniaczach? Dalsze procedury badacze musza niestety jeszcze potrwać, BMW Gropu nie zdradza na razie konkretnych terminów. Jedno jest pewne, niedługo nowe kaski będą bezpieczniejsze i lżejsze. Podobnie zyska odzież ochronna, natomiast wątpię, żeby te produkty były tańsze. Może w produkcji rzeczywiście ich cena znacząco się nie podniesie, ale biznes to biznes i za nowości na pewno przyjdzie nam zapłacić…

Źródło: BMW

%d bloggers like this: