Βιομιμητική και σύγχρονες ψηφιακές τεχνολογίες ανάλυσης, σχεδιασμού και κατασκευής

Abstract

The aim of this research is to harness contemporary technologies for the development of biomimetic design solutions inspired by biological shells. In addition, a new biomimetic design methodology is developed, integrating processes and technologies from various fields such as biology, architecture, and engineering, with an emphasis on biomimicry as a distinct scientific discipline. The research begins with a description of biomimicry as a modern science, including a detailed account of its history and evolution. The challenges of biomimicry are examined, along with tools and strategies for addressing them. Contemporary computational design approaches are also explored, focusing on how they can be used to transfer and replicate morphological principles found in nature. Furthermore, additive manufacturing technologies are analyzed for their ability to create complex biomimetic models. Finally, the main structural characteristics of biological shells are reviewed, and examples of biomimetic applications in the fields of architecture and engineering are presented. The study then details the biomimetic design strategy developed specifically for this dissertation. The techniques used to identify and analyze biological structures that could serve as models for biomimetic solutions are described. Methods for extracting these biological patterns and converting them into digital 3D models are also documented. Finally, the technologies used to construct physical prototypes are analyzed, along with the techniques applied for the mechanical characterization of the biomimetic structures and the identification of trends in their mechanical behavior. Three case studies are presented to demonstrate the applicability of the proposed methodology in deriving design solutions inspired by different biological shells. These studies focus on the sea urchin shell, Lepidoptera eggshells, and walnut shells. Each case includes a detailed analysis using microscopy technologies, followed by the translation of their geometry into digital models using computational design software such as Grasshopper 3D. Design variations were then created by modifying key geometric parameters, while physical specimens were 3D printed and subjected to mechanical testing. Finite element analyses were conducted to achieve a comprehensive mechanical characterization. The seamless integration of modern digital technologies—including scanning electron microscopy, computational design, additive manufacturing, and finite element analysis—into a unified biomimetic design strategy demonstrates its potential for addressing contemporary design challenges in architecture and engineering. The application of this methodology in the development of innovative biomimetic solutions highlights the potential of utilizing high-performance biological structures, ultimately aiming to transform the way we design and to promote sustainable design practices.

Στόχος αυτής της έρευνας είναι η αξιοποίηση των σύγχρονων τεχνολογιών για την ανάπτυξη βιομιμητικών σχεδιαστικών λύσεων εμπνευσμένων από βιολογικά κελύφη. Επιπλέον, αναπτύσσεται μια νέα μεθοδολογία βιομιμητικού σχεδιασμού που συνθέτει διαδικασίες και τεχνολογίες από διάφορους κλάδους, όπως η βιολογία, η αρχιτεκτονική και η μηχανική, δίνοντας έμφαση στη βιομιμητική ως διακριτό επιστημονικό πεδίο. Αρχικά γίνεται περιγραφή της βιομιμητικής ως μια σύγχρονης επιστήμης, με αναλυτική καταγραφή του ιστορικού και της εξέλιξής της. Εξετάζονται οι προκλήσεις της βιομιμητικής και παρουσιάζονται εργαλεία και στρατηγικές για την αντιμετώπισή τους. Εξετάζονται ακόμα οι σύγχρονες προσεγγίσεις υπολογιστικού σχεδιασμού και η αξιοποίησή τους για τη μεταφορά και μίμηση των μορφολογικών κανόνων που υπάρχουν στη φύση. Αναλύονται επίσης οι τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής που επιτρέπουν τη δημιουργία σύνθετων βιομιμητικών μοντέλων. Τέλος, πραγματοποιείται επισκόπηση των κύριων δομικών χαρακτηριστικών των βιολογικών κελυφών ενώ παρατίθενται παραδείγματα εφαρμογών βιομιμητικής στους τομείς της αρχιτεκτονικής και μηχανικής. Στη συνέχεια αναλύεται η στρατηγική βιομιμητικού σχεδιασμού που αναπτύχθηκε για την παρούσα διατριβή. Περιγράφονται οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον εντοπισμό και την ανάλυση βιολογικών δομών που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως πρότυπα για βιομιμητικές λύσεις. Καταγράφονται επίσης οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή αυτών των προτύπων και τη μετατροπή τους σε ψηφιακά τρισδιάστατα μοντέλα. Τέλος αναλύονται οι τεχνολογίες που αξιοποιήθηκαν για την κατασκευή φυσικών πρωτοτύπων καθώς και των τεχνικών που εφαρμόστηκαν για τον μηχανικό χαρακτηρισμό των βιομιμητικών δομών και τον εντοπισμό τάσεων στη μηχανική τους συμπεριφορά. Παρουσιάζονται τρεις μελέτες περίπτωσης που αποδεικνύουν την δυνατότητα εφαρμογής της προτεινόμενης μεθοδολογίας στην εξαγωγή σχεδιαστικών λύσεων εμπνευσμένων από διαφορετικά βιολογικά κελύφη. Οι μελέτες επικεντρώνονται στο κέλυφος του αχινού, στα κελύφη αυγών λεπιδοπτέρων και στα κελύφη καρυδιών. Κάθε περίπτωση περιλαμβάνει λεπτομερή ανάλυση με τη χρήση τεχνολογιών μικροσκοπίας, ακολουθούμενη από τη μετάφραση της γεωμετρίας τους σε ψηφιακά μοντέλα με την αξιοποίηση λογισμικών υπολογιστικού σχεδιασμού όπως το Grasshopper 3D. Δημιουργήθηκαν στη συνέχεια σχεδιαστικές παραλλαγές με διαφοροποιήσεις σε καίριες γεωμετρικές παραμέτρους, ενώ φυσικά δοκίμια εκτυπώθηκαν τρισδιάστατα και υποβλήθηκαν σε μηχανικές δοκιμές. Αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων πραγματοποιήθηκαν με στόχο έναν ολοκληρωμένο μηχανικό χαρακτηρισμό. Η απρόσκοπτη σύνθεση σύγχρονων ψηφιακών τεχνολογιών όπως η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, ο υπολογιστικός σχεδιασμός, η προσθετική κατασκευή και η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων, σε μια ενιαία στρατηγική βιομιμητικού σχεδιασμού μπορεί να βρει εφαρμογή σε σύγχρονα σχεδιαστικά προβλήματα στους τομείς της αρχιτεκτονικής και μηχανικής. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας στην παραγωγή καινοτόμων βιομιμητικών λύσεων αναδεικνύει τη δυνατότητα να αξιοποιηθούν τα χαρακτηριστικά βιολογικών δομών υψηλής απόδοσης, με απώτερο στόχο την αλλαγή του τρόπου με τον οποίο σχεδιάζουμε και προς στην κατεύθυνση ενός βιώσιμου σχεδιασμού.