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 29
© 2014, VITO NV
© asknature, org http://www.asknature.org/strategy/1d00d97a206855365c038d57832ebafa

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
Visie
Leren in praktijk

Biomimicry voor 3D printing-18062014_def

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Destacado

Destacado (20)

Similar a Biomimicry voor 3D printing-18062014_def

Similar a Biomimicry voor 3D printing-18062014_def (20)

Más de Leen Gorissen

Más de Leen Gorissen (9)

Biomimicry voor 3D printing-18062014_def