biomimicry voor 3d printing-18062014_def

08/05/2015

Leen Gorissen

BIOMIMICRY INSPIRATIE UIT DE

NATUUR VOOR 3D PRINTING

08/05/2015 2 © 2014, VITO NV

Presentatie gebaseerd op open source info © Biomimicry Educational Network; Ask Nature database; Biomimicry 3.8 Institute

08/05/2015 3 © 2014, VITO NV

STAD GEBOUWD DOOR MENS

08/05/2015 4 © 2014, VITO NV

STAD GEBOUWD DOOR NATUUR

08/05/2015 5 © 2014, VITO NV

HET VERSCHIL ZIT NIET WAT WE WILLEN BEREIKEN MAAR HOE WE HET DOEN. BV EXOSKELET

Calcium-carbonaat

» Exoskelet wordt gebouwd door organismen met lokale grondstoffen

» Calcium + CO2 uit zeewater

» Lage temperaturen, lage energie input, afvalvrij

» 4,5 milj jaar oud proces

Beton

» Cement komt van ontginning van kalksteen

» Afzetting oude oceanen, rijk aan calcium carbonaat

» Zwaar materiaal, explosieven, hoge temperaturen, transport

08/05/2015 6 © 2014, VITO NV

MENSELIJK ONTWERP PRODUCEERT CO2

Mijnbouw: 39 miljard ton/jaar Verhitting: >1400°C

Verpakking Transport

6% van jaarlijkse CO2 productie wereldwijd

© L-‐R:Dionatan ZibeS, CC-‐BY-‐NC; Wikimedia user Linguis9c Demographer, public domain; Flickr user Judy_&_Ed, CC-‐BY-‐NC

08/05/2015 7 © 2014, VITO NV

Ter plekke geproduceerd Vorm naar functie

Gebruikt CO2 als bouwsteen Lage temperatuur

Afvalvrij, niet toxisch Opslag CO2

NATUURLIJK ONTWERP SLAAT CO2 OP

© NOAA, public domain

08/05/2015 8 © 2014, VITO NV

KUNNEN WE LEREN VAN NATUURLIJK ONTWERP?

= BIOMIMICRY

Bios: leven

Mimesis: nabootsen

08/05/2015 9 © 2014, VITO NV

BIOMIMICRY: INNOVATIE GEÏNSPIREERD DOOR DE NATUUR

08/05/2015 10 © 2014, VITO NV

BIOMIMICRY: WAT WERKT, WAT GESCHIKT IS EN WAT KAN BLIJVEN BESTAAN IN EEN MILIEU MET BEPERKTE GRONDSTOFFEN

© public domain

08/05/2015 11 © 2014, VITO NV

EEN ANDER PERSPECTIEF

De geschiedenis van de aarde samengevat in een kalenderjaar

08/05/2015 12 © 2014, VITO NV

ESSENTIËLE ELEMENTEN

‘Duurzaamheid’

‘Leren van de natuur en

lessen toepassen’

‘Opheffen scheiding

mens – natuur’

08/05/2015 13 © 2014, VITO NV

ESSENTIËLE PRINCIPES

08/05/2015 14 © 2014, VITO NV

VERSCHILLENDE NIVEAUS

VORM model - oppervlakte - textuur

PROCES serie van activiteiten

(ECO)-SYSTEEM Netwerk waarvan geheel meer

is dan de som van de onderdelen

08/05/2015 15 © 2014, VITO NV

BIOMIMICRY VOORBEELD NAAR VORM

Shinkansen Kogel Trein in Japan haalt 200km/u Probleem = geluid

omwonenden klagen over donderend geluid elke keer de trein uit een tunnel komt

Hoe snelle overgang tussen twee milieus met verschillende dichtheid

opvangen?

Vorm van de snavel vangt de plotse weerstandsverhoging (turbulentie) van de gecomprimeerde lucht in tunnels op.

De neus van de trein bouwen in de vorm van de snavel van de ijsvogel: stillere trein, 15% reductie in elektriciteitsverbruik, 10% hogere snelheid.

© Emily Harrington (c) wildxplorer

08/05/2015 16 © 2014, VITO NV

BIOMIMICRY VOORBEELD NAAR PROCES

Bedrijf CALERA maakt cement met CO2 uit rookgassen als bouwsteen

08/05/2015 17 © 2014, VITO NV

BIOMIMICRY VOORBEELD NAAR SYSTEEM

Eco-machine zuivert afvalwater zonder chemicaliën

© John Todd Ecological Design

08/05/2015 18 © 2014, VITO NV

MEER VOORBEELDEN…

08/05/2015 19 © 2014, VITO NV

HAAIEN: ANTIBACTERIËLE OPPERVLAKTEN

₋ Voor dieren die enorm traag door de oceanen zwemmen zijn haaien opvallend proper: er zijn geen free-riders op hun huid zoals bij walvissen.

₋ Dit komt dankzij de microstructuur van de haaienhuid: de schub-achtige huid is bezaaid met microscopisch kleine tandjes ‘dentikels’ die geribbeld zijn met longitudinale gleuven.

© Albert Kok © Mark Carwadine

08/05/2015 20 © 2014, VITO NV

₋ Dankzij deze microstructuur is de haaienhuid extreem antibacterieel. ₋ Door deze structuur na te bootsen in synthetische coatings en folie vermijd je

het gebruik van chemicaliën, ontsmettingsmiddelen en antibiotica. ₋ Deze toepassing biedt ook een oplossing voor antibiotica resistentie. ₋ Bedrijf Sharklet heeft dit principe nagebootst in klevende folies, medische

toepassingen en consumentengoederen en biedt zo simpele, kosteneffectieve en bacteriënvrije oplossingen.

HAAIEN: ANTIBACTERIËLE OPPERVLAKTEN

08/05/2015 21 © 2014, VITO NV

TERMIETEN: NATUURLIJK AIRCO SYSTEEM

₋ Termieten leven met miljoenen in één termietenheuvel.

₋ Het lijkt op een heuvel modder, maar binnenin vind je een ongeëvenaard comfort:

met enkel natuurlijke elementen bouwen ze het equivalent van een wolkenkrabber, waar temperatuur, verluchting en vochtigheidsgraad constant zijn.

© John W. Banagan/Getty Images © Inhabitat © Sandias, Wikipedia, public domain

08/05/2015 22 © 2014, VITO NV


₋ Via een vernuftig systeem van buizen en tunnels scheppen termieten de ideale omstandigheden om te overleven en dit enkel op basis van hernieuwbare energie.

₋ Binnenin kweken ze schimmels als voedsel. Deze schimmels vereisen een constante temperatuur van 30o C, terwijl de temperatuur buiten varieert van 1.5o

C ‘s nachts tot 40oC overdag.

₋ Via het actief openen en sluiten van ventilatie-openingen zijn de termieten in staat om de temperatuur en verluchting binnen hun heuvel constant te houden.

© Inhabitat © John W. Banagan/Getty Images

08/05/2015 23 © 2014, VITO NV

Toegepast in het Eastgate centre in Harare, Zimbabwe: een optimaal

binnenklimaat met een opvallend laag energiegebruik

• Het kantoorgebouw verbruikt minder dan 10% van de energie van een

conventioneel kantoorgebouw van dezelfde omvang (huur 20% lager).

• De besparing komt neer op 3.5 miljoen USD in vergelijking met een

traditionele airconditioning.


08/05/2015 24 © 2014, VITO NV

₋ Ondanks hun enorme gestalte en gewicht kunnen bultruggen uiterst gemakkelijk manoeuvreren om hun prooien te vangen.

₋ Biologen hebben ontdekt dat ze hun beweeglijkheid vooral te danken hebben aan hun knobbelige flippers.

₋ Water dat over gladde flippers stroomt breekt op in turbulente vortices terwijl dit niet gebeurt bij flippers met ‘tuberculen’ en de bultruggen dankzij deze knobbels beter hun ‘grip’ op het water houden.

© Leigh Robert Hilbert

BULTRUG: LIFT VERBETEREN EN ZOG VERKLEINEN

08/05/2015 25 © 2014, VITO NV

© whalepower


© Giles Breton

₋ Modelleren en testen van namaakflippers in windtunnel:

₋ T.o.v. conventionele flippers vertonen flippers met tubercules voordelen in vloeistofdynamica:

32% minder weerstand

8% toename in stuwkracht

40% scherpere aanvalshoek

08/05/2015 26 © 2014, VITO NV

@ Whalepower

₋ Concept vertalen naar windturbines:

₋ hogere efficiëntie: meer lucht bewegen, minder energieverlies

₋ 80% minder geluidshinder

₋ Groot potentieel om veiligheid en prestaties te optimaliseren bij vliegtuigen, ventilatoren, propellers,…


© whalepower

08/05/2015 27 © 2014, VITO NV

VLINDERS: KLEUR DANKZIJ STRUCTUUR

Enlarged view of the surface of butterfly wings after application of replicative coating (Carlo Pantano/Akhlesh Lakhtakia, Penn State)

₋ De schubben op hun vleugels zijn opgebouwd uit verschillende lagen van proteïnen die op verschillende manieren het invallende licht breken.

₋ De schubben bestaan uit microscopische richeltjes en dwars structuren van bio-fotonische kristallen.

₋ De kleur die we zien is dan ook niet het gevolg van pigmenten maar wel het spel van licht en structuur.

Luis Miguel Bugallo Sánchez, Wikimedia Commons

08/05/2015 28 © 2014, VITO NV

© Emily Harrington

₋ Deze interageren met lichtgolven en reflecteren een glanzend/glinsterend kleurspel.

₋ Nabootsing van deze microscopische lagen in coatings en materialen creëert kleur zonder het gebruik van pigmenten (en dus ook zonder toxische afvalstoffen).

₋ Deze methodiek kan toegepast worden in glas, stoffen, verf, … ₋ Nabootsing van dit principe op nanoschaal in een structuur van

titaniumoxide verhoogt de lichtabsorptie van dunnefilm zonnecellen.


© Morphotex

08/05/2015 30 © 2014, VITO NV

₋ Lotus staat symbool voor reinheid en zuiverheid.

₋ Het blad blijft altijd schoon en droog, zelfs in de meest modderachtige omgeving.

₋ Plantkundigen ontdekten dat de plant zijn zuiverheid dankt aan een enorm ruw oppervlak.

₋ Het blad is bezaait met onzichtbaar kleine knopjes die het als een speldenkussen bedekken.

₋

LOTUS: ZELFREINIGENDE OPPERVLAKTEN

© Xiangxi/Flickr @ William Thielicke

08/05/2015 31 © 2014, VITO NV

- Door deze structuur is het oppervlak extreem waterafstotend. Vuil komt enkel

met de bovenkant van de knopjes in contact.

- Het contact met vuildeeltjes is zo minimaal dat het vuil zich bij de eerste de

beste regenbui gewillig laat afvoeren.

- Nabootsen van deze structuur is interessant voor vele industriële

toepassingen: verf, glas, kleding,…

LOTUS: ZELFREINIGENDE OPPERVLAKTEN

08/05/2015 32 © 2014, VITO NV

GEKKO: KLEEFKRACHT OVERKLAST ZWAARTEKRACHT

https://webdisk.lclark.edu/autumn/reprints/06-AutumnAmSciCVR.pdf?ticket=t_d9VVAITO

08/05/2015 33 © 2014, VITO NV


Foto: Paul D. Stewart

₋ Hun kleefvermogen is zo groot dat ze met één teen aan het plafond kunnen blijven hangen.

₋ Geheim van die enorme kleefkracht : De voetzolen zijn bedekt met miljoenen uitzonderlijk kleine haartjes en elk haartje is nog eens duizenden malen vertakt (ca 500.000 haartjes per voet).

₋ De haartjes zijn zo klein dat er verrassende krachten in het spel komen: van der Waalskracht (aantrekkingskrachten tussen moleculen). Miljoenen kleine krachten maken één superkracht; 4 pootjes kunnen tot 30kg dragen.

Source-geckolab.lclark.edu © Stanford University

08/05/2015 34 © 2014, VITO NV



₋ Universiteit van Manchester heeft dit

principe toegepast om gekko-plakband

te maken.

₋ Net als de haartjes van de gekko, zo

plakken hier miljarden kleine plastic

draadjes (nog geen micrometer dik) aan

ieder oppervlak.

₋ Ze zijn zo sterk dat het plakband 1 kg

gewicht kan hebben per vierkante cm.

₋ Ze kunnen toegepast worden om

computer chips op te plakken in stof

vrije ruimtes en uiterst fijne draadjes te

bevestigen.

₋ Het plakband kan meerdere keren

gebruikt worden en laat geen

plakresten, geen chemicaliën achter

zoals gewoon plakband.

₋ Toepassingen zijn veelzijdig: folie,

klimgerief, …

08/05/2015 35 © 2014, VITO NV

GLASSPONS: FLEXIBEL SKELET VAN GLAS WEERSTAAT ENORME DRUK OP DE ZEEBODEM

- Het venusmandje is een glasspons die in kokers groeit van ca 20 cm hoog en 2 cm doorsnee

- De cilinder bestaat uit ragfijne glasvezels die zo buigzaam zijn dat je er een knoop in kunt leggen.

- Het geheim van deze buigzaamheid zit in de bouw van de glasvezels: Opgebouwd uit dunne laagjes

siliciumoxide Afgewisseld met laagjes organisch

materiaal ₋ Een dergelijke opbouw voorkomt dat

kleine scheurtjes zich verder uitbreiden.

08/05/2015 36 © 2014, VITO NV

GLASSPONS: FLEXIBEL SKELET VAN GLAS WEERSTAAT ENORME DRUK OP DE ZEEBODEM

- Verweven van bundels van gelaagd glas in een rasterachtige structuur zorgt ervoor dat het geheel enorm sterk en flexibel is en de hoge druk op de zeebodem kan weerstaan (sterker dan beton)

- Spons heeft geen extreem hoge temperatuur nodig om de glasvezels aan te maken zoals in gangbare glasindustrie.

- In staat om licht op te vangen en uit te zenden.

© Joanna Aizenberg/Wyss Institute

08/05/2015 37 © 2014, VITO NV

CHITON: INSPIRATIE VOOR ARTIFICIEEL BOT EN MAGNETISCHE MATERIALEN

- Tanden worden gebruikt om stenen te malen - Organische proteïnen ondersteunen en sturen de groei van de anorganische

beenachtige tand mineralen die zich zelf scherp houden - Sommige chiton tanden bevatten magneetijzer - Dat maakt de tanden niet enkel erg sterk, maar ook magnetisch - Mineralisatieproces is interessant om toe te passen in zonnepanelen en

lithium batterijen

© L-R: Matt Knoth, Flickr; Lyle Gordon, Joester group, Materials Science and Engineering, Northwestern University/Nature; Gumboot chiton teeth, University of California, Riverside

08/05/2015 38 © 2014, VITO NV

MOSSELS: SUPERLIJM

- Ondanks de turbulentie van de getijden blijven mossels vasthangen aan glibberige oppervlakten.

- De mossels produceren proteïnen die in een waterafstotende kleefstof veranderen. - De kleefstof wordt beschermd door uitpuilende proteïnen gemixt met ijzer. - Dankzij het dihydroxyphenylalanine aminozuur plakt en droogt de kleefstof extreem

snel waardoor de mossel zich aan een glibberige oppervlakte kan vast hechten. - Deze bio-lijm kent verschillende toepassingen: hout, synthetische materialen,

heelkundige herstelling van aders, wonden, …

© Northwestern University © Columbia Forest Products.

08/05/2015 39 © 2014, VITO NV

SPINNENWEB: ELASTISCH EN TOCH STERKER DAN STAAL

- Spinnenweb is elastisch, kleverig, waterafstotend - Het is extreem licht en extreem krachtig - Het bedrijf AMSilk heeft de sterkste synthetische versie van spinzijde,

genaamd Biosteel ontworpen. - Het zal worden toegepast als coating voor chirurgische implantaten en

producten. - Het kan ook worden toegepast in zeilboten, pantsers en zonnepanelen.

Luc.Viatour/Flickr Yasunori Maezono, Kyoto University, Japan

08/05/2015 41 © 2014, VITO NV

VELDWESP: DUURZAME GRONDSTOF 3D PRINTING

© Janice Carr, CDC, Public Health Image Library (PHIL) © Alvesgaspar, Wikimedia commons

- Veldwespen recycleren cellulose en houtvezels en bewerken deze met

speeksel tot een soort papier-maché die waterafstotend is.

- Het hydrofobe geheim zit in een proteïne met proline in het speeksel.

- Het cellulose nano-papier is behoorlijk stevig dankzij het verwerken van de

vezels in een matrixstructuur.

- Dit materiaal is niet toxisch, waterdicht, biodegradeerbaar en kan op

verschillende manieren toegepast worden

08/05/2015 42 © 2014, VITO NV

INSECTEN EN SCHAALDIEREN: DUURZAME BIOPLASTIEK


₋ Shrilk is een combinatie van zijdeproteïnen en de stof chitosan uit de exoskeletten van schaaldieren

₋ Shrilk is volledig biodegradeerbaar en kan vervaardigd worden in plastiekzakken, verpakkingsmaterialen, pampers etc…

₋ Shrilk vormt een duurzaam equivalent voor petroleumgebaseerde plastiek en is in tegengestelling tot de huidige bioplastics niet gemaakt van cellulose.

₋ Slim benutten van een afvalstroom.

© inhabitat

08/05/2015 44 © 2014, VITO NV

₋ Gebruikt afval als grondstof

₋ Gebruikt lokale grondstoffen

₋ Wekt samenwerking & diversiteit op

₋ Verkiest optimaliseren boven maximaliseren

₋ Gebruikt energie efficiënt

₋ Gebruikt materialen spaarzaam

₋ Vermijdt resistente schadelijke stoffen

₋ Bottom-up evolutie en auto-assemblage

₋ Geen overexploitatie van grondstoffen

₋ Werkt met feedbackloops

₋ Gebruikt crisis creatief als een gelegenheid voor verbetering

ALGEMENE PRINCIPES VAN ECOSYSTEEM

08/05/2015 45 © 2014, VITO NV

NOG HEEL WAT BRUGGEN TE OVERWINNEN

₋ Scholen en universiteiten zijn hoofdzakelijk georganiseerd in intellectuele monoculturen (tunnelvisie) en doceren nog steeds te veel oude oplossingen waarvan we ondertussen weten dat ze achterhaald zijn (biomimicry is nog steeds geen vak op de universiteit)

₋ Leren hoe de natuur tot complexe maar duurzame veerkrachtige systemen komt, is het moeilijkste onderdeel uit biomimicry. Het reductionistisch denken (specialisatie) domineert echter nog steeds over systeemdenken (samenhang).

₋ Grootste innovatieve doorbraken liggen echter net zoals in de natuur in het grensgebied tussen disciplines, domeinen, sectoren.

₋ Naast leren ‘over’ de natuur zoals nu gangbaar is in scholen en universiteiten, wordt het tijd om programma’s op te starten om te leren ‘van’ de natuur.

08/05/2015 46 © 2014, VITO NV

ZITTEN WE MIDDEN IN DE ZESDE MASSA EXTINCTIE? e.g. Barnowski et al Nature 2011

₋ De snelheid waarmee soorten uitsterven was nog nooit zo hoog

₋ Met hun verdwijnen de oplossingen die na 3,8 miljard jaar evolutie de meest geschikte bleken

08/05/2015 47 © 2014, VITO NV

ZITTEN WE MIDDEN IN DE ZESDE MASSA EXTINCTIE? e.g. Barnowski et al Nature 2011

“I think of biodiversity as a massive

design library. There are millions of

species, each with different solutions to

nature’s problems, each with secrets that

are waiting for us. But the scary thing is

that extinction is taking these ‘books’—

species—off the shelves and burning

them faster than we can open them and

read them. Even if all we care about is

economic progress, we need to slow the

rate of extinction before these secrets of

nature are lost forever.”

Kellar Autumn, Associate Professor of

Biology at Lewis & Clark College,

Portland, OR, USA.

08/05/2015 48 © 2014, VITO NV

ONTLEREN EN OMDENKEN: TRANSITIEKUNDE

» De ‘dingen beter doen’ is noodzakelijk maar niet voldoende. Minder milieu impact is nog steeds negatief, leidt tot suboptimale oplossingen.

» Optimalisatie en efficiëntie zijn nodig, maar lossen structureel niets op.

» Een beetje veranderen helpt niet. Fundamentele verandering is nodig.

» Een omslag maken naar ‘betere dingen doen’.

‘De dingen beter doen’

‘Betere dingen doen’

08/05/2015 49 © 2014, VITO NV

3D-PRINTING EN BIOMIMICRY

₋ Zowel de natuur als 3D technologie bouwen complexe structuren uit simpele materialen via ‘additive manufacturing’.

₋ Biomimicry kan bijdragen tot hogere efficiëntie, lagere milieu impact en lagere kosten voor 3D technologie.

₋ Maar meer nog dan dit kan biomimicry inspiratie bieden om de omslag te maken van ‘dingen beter doen’ naar ‘betere dingen doen’.

Heat, beat & treat - Hoge temps - Hoge druk - Toxische chemie

08/05/2015 51 © 2014, VITO NV

TIPS VERDUURZAMEN 3D-PRINTING VIA BIOMIMICRY

₋ Onze huidige industrie gebruikt 350 verschillende polymeren. De natuur gebruikt echter een veel kleiner pallet aan polymeren (5) waarmee ze een enorme variatie aan duurzame producten mee maakt: vb keratine (huid, haar, veren), chitine (exoskelet schaaldieren), cellulose (planten)

-> erg waardevolle design informatie

₋ Hoe toxische grondstoffen (polymeren, plastics, metaalpoeders) vervangen door niet niet toxische, natuurlijke grondstoffen (bij voorkeur afvalstromen die lokaal voorhanden zijn zoals bvb zagemeel, veren, etc)?

₋ Sluit kringlopen: biologische gebaseerde producten worden bodemverbeteraars, technisch gebaseerde producten in gesloten cycli.

-> hoe kunnen oude 3D-producten terug grondstof worden voor nieuwe?

₋ Hoe natuurvriendelijke chemie toepassen: water gebaseerd, niet toxisch, kamertemperatuur?

08/05/2015 52 © 2014, VITO NV

BIOMIMICRY SYSTEEM DESIGN: EXPERIMENT IN DE PRAKTIJK

Permacultuurtuin: tuin herontwerpen als eetbaar ecosysteem -> ontwerpen met de natuur en integreren natuurlijke oplossingen

Oorspronkelijke staat

Vis

ie

Leren in praktijk

biomimicry voor 3d printing-18062014_def

Documents