Η μοναδικότητά του έγκειται στο ότι η εξέλιξη βασίζεται σε δομές εμπνευσμένες από τη φύση – BISS είναι το αρκτικόλεξο του Bio-Inspired Safety Systems.
Ομάδα επτά εταίρων αφιέρωσε τρία χρόνια στην έρευνα και ανάπτυξη εναλλακτικών φιλοσοφιών σχεδίων και υλικών για το project βιονικής. Το BMW Group συνεργάστηκε με τις adidas, ORTEMA, phoenix και uvex, και με το Institute of Textile Technology & Process Engineering Denkendorf (Γερμανία), το Τμήμα Polymer Engineering στο Πανεπιστήμιο του Bayreuth και το Plant Biomechanics Group του Πανεπιστημίου του Freiburg, με τη υποστήριξη εταιρειών όπως η Innovationsmanufaktur του Μονάχου. Το Γερμανικό Ομοσπονδιακό Υπουργείο Παιδείας και Έρευνας χρηματοδότησε το project ως τμήμα του προγράμματος “Technical Textiles for Innovative Applications & Products – NanoMatTextil”.
Μοντέλα: Γκρέιπφρουτ με αποσβεστήρες, οι φλούδες δημιουργούν ένα ολοκληρωμένο σύστημα προστασίας.
Βιολογικά μοντέλα όπως το γκρέιπφρουτ διαθέτουν εξαιρετικές ιδιότητες προστασίας σε μία πρόσκρουση. Όπως, ακόμα κι όταν πέφτει από ένα ψηλό δέντρο, το φρούτο δεν ανοίγει και το εσωτερικό παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανέπαφο. Ο φλοιός επίσης είναι πανάλαφρος. Ένα ακόμα παράδειγμα: Τα λέπια του ψαριού και πολλών ερπετών επικαλύπτονται ώστε να δημιουργούν ένα σύνθετο σύστημα που σκληραίνει υπό φορτίο ώστε να παρέχει προστασία από τραυματισμούς. Η προστατευτική πανοπλία των κροκόδειλων, από την άλλη, λειτουργεί εν μέρει κατανέμοντας δύναμη στις διπλανές φολίδες.
Αρχικός στόχος του ερευνητικού project ήταν η ανάλυση της μορφής του ιστού, της δομής της κυψέλης και η λειτουργία αυτών των μηχανισμών προστασίας για χρήση σε βιομηχανικά προϊόντα. To επόμενο βήμα ήταν η βελτίωση των αντίστοιχων συνθέσεων των ινών, των στρωματικών δομών και του προσανατολισμού των ινών. Στη συνέχεια διερευνήθηκε η δυνατότητα συνδυασμού ασυμβίβαστων μέχρι πρότινος λειτουργιών - όπως προστασία από πρόσκρουση, αντοχή στη διείσδυση και χαρακτηριστικά απόσβεσης - σε καινοτόμα συστήματα προστασίας, με τη βοήθεια στρωμάτων βασισμένων σε βιολογικές δομές.
Μέχρι 20% ελαφρύτερα, ανθεκτικότερα και πιο σταθερά υλικά.
Τα νέα αποτελέσματα ξεπερνούν κάθε προσδοκία: Πρωτότυπα σχεδιασμένα από φυσικά μοντέλα είναι μέχρι 20% ελαφρύτερα, ανθεκτικότερα και πιο σταθερά από τα συνήθη υλικά. Η παραγωγή τους είναι οικονομική και μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία για το σκοπό που προορίζονται. Το υψηλό επίπεδο λειτουργικής απόδοσης που επιτυγχάνεται από βιολογικά εμπνευσμένο προστατευτικό εξοπλισμό εξοικονομεί επίσης πρώτες ύλες. Αυτό κάνει το προϊόν και την παραγωγή όχι μόνο πιο βιώσιμα αλλά και λιγότερο ακριβά.
Προοπτική: Εξοπλισμός προστασίας για εργαζόμενους της BMW βάσει βιολογικών προτύπων.
Ειδικοί των μελλοντικών τεχνολογιών του BMW Group πιστεύουν ότι τα σημαντικότερα ευρήματα βρίσκονται στις νέες μεθόδους αναβαθμισμένης προστασίας των εργαζομένων.
Γάντια και προστατευτικά ένθετα από βιονικά υλικά, για παράδειγμα, μπορούν να προστατεύουν τους εργαζόμενους στη γραμμή συναρμολόγησης από αιχμηρά εξαρτήματα του αμαξώματος. Το χαμηλό βάρος, τα υλικά που αναπνέουν και η ευκαμψία των ερευνητικών μοντέλων μεταφράζονται σε σχεδόν απεριόριστη ελευθερία κινήσεων. Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν νέες μορφές εξοπλισμού προστασίας για αναβάτες μοτοσικλετών. Πειραματικά κράνη και ένθετα ζύγιζαν αισθητά λιγότερο από συμβατικά προϊόντα της αγοράς, προσφέροντας το ίδιο επίπεδο προστασίας.
Μεγαλύτερη ασφάλεια, μικρότερο βάρος για αθλητές.
Οι κατασκευαστές σπορ εξοπλισμού έχουν επίσης εντοπίσει σημαντικά πλεονεκτήματα για τα προϊόντα τους. Η uvex καθιέρωσε νέες αρχές σχεδίασης με βάση βιολογικά μοντέλα και δημιούργησε ένα νέο είδος προστατευτικής επένδυσης για κράνη σκι και ποδηλάτων. Με χαρακτηριστικά προστασίας 10-20% καλύτερα συγκριτικά των συμβατικών υλικών αυτό θα ανεβάσει τον πήχη της ασφάλειας για τα κράνη πέραν των στάνταρ απαιτήσεων. Η Adidas πιστεύει επίσης ότι η έρευνα ανοίγει το δρόμο για εξοπλισμό προστασίας παικτών ποδοσφαίρου και μπάσκετ, για παράδειγμα. Η ORTEMA προβλέπει σημαντικές ευκαιρίες για καινοτόμο εξοπλισμό αθλητών. Μέσω της εξέλιξης υλικών εμπνευσμένων από τη βιολογία, η κατασκευάστρια ειδικού σπορ εξοπλισμού, ατομικών ορθοπεδικών εξαρτημάτων και κορυφαίων προστατευτικών ένθετων για πολυάριθμα σπορ κατάφερε να βελτιώσει περαιτέρω τα χαρακτηριστικά προστασίας πολλών προϊόντων της και, ταυτόχρονα, να ικανοποιήσει τις υψηλές εργονομικές απαιτήσεις για προστατευτικό σπορ εξοπλισμό.
Η Phoenix που ειδικεύεται στην εξέλιξη προϊόντων με χρήση τρισδιάστατων δεδομένων και εκτυπώσεων συμμετείχε επίσης στο BISS. Η πάροχος υπηρεσιών εξέλιξε ειδικές φιλοσοφίες παραγωγής που επιτρέπουν την εργονομική κατασκευή προϊόντων από πρωτοποριακά υλικά. Στις σύγχρονες μεθόδους κατασκευής, με τις ειδικές τεχνικές προσθετικών στρωμάτων Additive Layer Manufacturing (ALM) και ταχείας κατασκευής, η παραγωγή ελέγχεται άμεσα χρησιμοποιώντας τρισδιάστατα προϊοντικά δεδομένα.
Λειτουργία: Αυξητικά υλικά αντιδρούν διαφορετικά στην πίεση.
Τα μοναδικά χαρακτηριστικά προστασίας των βιολογικών μοντέλων βασίζονται κυρίως στην ιεραρχική τους σχεδίαση. Ο φλοιός του γκρέιπφρουτ είναι ένα από τα λεγόμενα αυξητικά υλικά που αντιδρά τελείως διαφορετικά στην πίεση συγκριτικά με τις συμβατικές δομές: Όπου το συμβατικό υλικό υποχωρεί και γίνεται πιο λεπτό στο σημείο πίεσης, το αυξητικό υλικό συμπιέζεται και σκληραίνει πιο γρήγορα. Ένα ακόμα χαρακτηριστικό αυτής της ασυνήθιστης συμπεριφοράς είναι ότι το υλικό στην πραγματικότητα διαστέλλεται όταν τεντώνει, αντί να συστέλλεται. Στο πλαίσιο του BISS, οι ερευνητές έχουν καταφέρει να αποκωδικοποιήσουν τη μοναδική δομή της αυξητικής, φυσικής προστασίας και να χρησιμοποιήσουν νέες, εξελιγμένες μεθόδους για να τη μεταφέρουν στη δομή των αφρών. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να παράγονται συνθετικά υφάσματα με έμφυτες προστατευτικές ιδιότητες, κάτι που παλιότερα δεν ήταν εφικτό.
Εταίροι υψηλότερου ακαδημαϊκού επιπέδου ορίζουν τις βασικές αρχές.
Τα παραπάνω ευρήματα βασίζονται κυρίως στις επιστημονικές αρχές που ανέδειξαν οι εταίροι του προγράμματος σε πανεπιστήμια και κολλέγια. Το Τμήμα Polymer Engineering του Πανεπιστημίου του Bayreuth συνεργάστηκε με το Plant Biomechanics Group Freiburg για δημιουργία αυξητικών δομών και τη διερεύνηση μεταφοράς αυτής της φιλοσοφίας σε συστήματα αφρών από πολυουρεθάνη (PUR) για εμπορικές εφαρμογές. Ειδικές σχέσεις δομής/ιδιοτήτων μοντελοποιήθηκαν προκειμένου να γίνει κατανοητό πώς το επίπεδο αυξητικής συμπεριφοράς επηρεάζει τη μηχανική συμπεριφορά του αφρού. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μετατροπή του αφρού από απλή σε αυξητική δομή έχει θετική επίδραση στα χαρακτηριστικά προστασίας των υλικών. Τα φορτία που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια συμπίεσης της αυξητικής πολυουρεθάνης κατανέμονται άριστα σε αχρησιμοποίητες περιοχές χάρη στο αυξητικό φαινόμενο. Με αυτό τον τρόπο, μεγαλύτερος όγκος του υλικού εμπλέκεται στην απορρόφηση ενέργειας συγκριτικά με τους συνήθεις αφρούς PUR.
Το Institute of Textile Technology and Process Engineering (ITV), που αποτελεί τμήμα των Γερμανικών Ινστιτούτων για την Έρευνα Υφασμάτων και Ινών, έχει εκτεταμένη γνώση της τεχνολογίας υφασμάτων και βιονικής από ένα μεγάλο αριθμό προγραμμάτων. Το ITV συμμετείχε εντατικά στην εξέλιξη και σχεδίαση των νέων υβριδικών υφασμάτων και αφρών. Η τεχνολογία ύφανσης τροποποιήθηκε για να μπορούν τα υφάσματα να αντέχουν τις πιέσεις που απαιτεί η διαδικασία, αλλά και να επιτρέπουν την πλήρωση με τον αφρό. Το ειδικά προσαρμοσμένο ύφασμα σε συνδυασμό με τον αφρό, βελτίωσαν τις ιδιότητες κατά 25%.
Το Plant Biomechanics Group του Πανεπιστημίου του Freiburg διεξάγει έρευνα στον τομέα της βιομηχανικής και λειτουργικής μορφολογίας των φυτών πάνω από 15 χρόνια. Η ομάδα εργασίας ανήκει στο Baden-Württemberg Competence Network Biomimetics και τα τελευταία έξι χρόνια ασχολείται με την προστασία από προσκρούσεις, εμπνευσμένη από τη βιολογία με σκοπό τη χρήση μεταλλικών αφρών ενισχυμένων με ίνες. Τα ευρήματα της έρευνας κοινοποιήθηκαν και βελτιώθηκαν στο BISS project, επιτρέποντας την επιτυχημένη μεταφορά της τεχνογνωσίας σε πολυμερή υλικά και συστήματα υλικών, εμπνευσμένων από τη βιολογία.
Η Innovationsmanufaktur GmbH, που εδρεύει στο Μόναχο, υποστηρίζει το ερευνητικό project ως εταίρος. Για το BISS project, όπου χρειάστηκε να συμβιβαστούν διαφορετικές απαιτήσεις της βιομηχανίας και της έρευνας, προσέφερε μία ολιστική προσέγγιση διαχείρισης προγράμματος και καινοτομίας.