ções da Natureza Paulo Bártolo e Nuno Alves

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4º Seminário da Mecânica - 08 de Maio de 2002

BIOMIM

BIOMIM É É TICA: Li TICA: Li çõ çõ es da Natureza es da Natureza

Paulo Bártolo e Nuno Alves

Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Superior de Tecnologia e Gestão,

Leiria

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Biomimé é tica: Li tica : Li çõ çõ es da Natureza es da Natureza

A pintura mais valiosa é aquela que melhor se aproxima do que imita

Leonardo da Vinci

(Leonardo di ser Piero da Vinci)

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SABER

Teoria do

conhecimento

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Optimização estrutural/design mecânico adaptativo:

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Movimentos sem músculos:

• Materiais

• Estruturas

• Fontes de energia

• Sensores

Sistema de mini-actuadores hidráulicos

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Sistemas de rigidez variável:

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Freiburg Materials Research Centre

Nanotecnologia

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Exemplos:

VELCRO

George de Mestral

(Suiça, 1955)

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Exemplos:

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Exemplos:

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Exemplos:

Grande espiral, Nobuaki Furuya

Torre biónica, Juan Pioz

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Exemplos:

Folha do Lótus: limpeza automática

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Exemplos:

Estrutura em seda da

aranha

BioSteel

Mais resistente que o seda natural mas menos flexível

(limitação de proteínas)

Introdução de genes da seda nas glândulas

mamárias de cabras Nexia Biotechnologies

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Computacional Materiais

Design

Universo Biomimético

ESTG

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Knowledge based systems

Network systems Research

methods

Eco-design Rapid

prototyping Virtual

design The wheal

of design

Participação em duas redes internacionais:

• Bionics

• Sustainable Design

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MATERIAIS:

• Novos materiais poliméricos

• Tecidos poliméricos

• Compósitos com fibras naturais

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NOVOS MATERIAIS POLIMÉRICOS:

Devido às limitações das reservas de petróleo e aspectos de natureza ambiental, a obtenção de polímeros a partir de fontes naturais renováveis constitui uma

importante área de investigação.

Ao contrário dos polímeros derivados do petróleo estes polímeros são baratos, ambientalmente bons e biodegradáveis.

Termoendureciveis com base em óleo de peixe

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TECIDOS POLIMÉRICOS:

Pacientes nos Estados Unidos

Tecidos/Órgãos

1 360 000 Vasos sanguíneos

728 000 Pâncreas

123 000 Tendões e Ligamentos

1 150 000 Cartilagens

1 340 000 Ossos

4 750 000 Pele

Nerem, R.M., Proc. Instn. Mech. Engrs., 214, 95-99, 2000

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Biomimética visual:

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PROCESSO CONVENCIONAL DE ENGENHARIA INVERSA :

Os métodos convencionais de construção de modelos CAD 3D, com base em objectos existentes, são particularmente laboriosos.

Estes métodos não são eficientes para gerar rapidamente modelos computacionais a partir de objectos existentes de grandes dimensões, quer no campo da engenharia mecânica, automóvel, ou arquitectural.

Os engenheiros, habitualmente, usam

sondas de contacto ou sistemas de

digitalização por laser para executarem tais

trabalhos, no entanto, os sistemas

referidos não são adequados para objectos

de grandes dimensões.

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PERCEPÇÃO VISUAL :

A percepção visual pode ser organizada em três regiões diferente A percepção visual pode ser organizada em três regiões diferente s: s:

• • O mundo físico dos objectos O mundo físico dos objectos

• • O estímulo visual, que dá origem aos eventos visuais O estímulo visual, que dá origem aos eventos visuais

• • O cérebro O cérebro

Cérebro

Mensagens Neuronais Estímulo Visual

Objectos

Mundo

Olho

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VISÃO – a óptica do olho humano:

A relação existente comprimento focal f da as distâncias do objecto sua imagem é:

(1/d

₀

) + (1/d

_i

) = (1/

onde d

_o

e d

_i

são as da lente ao objecto

imagem, respectivamente.

entre o lente e e da

f)

distâncias

e à sua

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IMPLEMENTAÇÃO COMPUTACIONAL:

Objectos existentes

Fotos digitais

Camera

fotográfica Geração de réplicas

físicas, do modelo computacional, usando sistemas de prototipagem rápida

Análises estrutural, térmica e dinâmica usando códigos de

elementos finitos Calibração da

Camera

Associação dos dados digitais

“binocular stereopsis”

Reconstrução tridimensional a partir de fotos bidimensionais Geração de malha de

triângulos (.STL) Sistema de modelação

baseado em imagens

Sistema CAD

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Calibração da camera:

OBJECTO

Y

×

Z P

ℑ

Eixo óptico

X

Plano retinal ou

plano imagem

×

Centro Imagem p

Coordenadas Imagem

Centro de projecção

p_x p_y

X₁ Y₁

Z₁ Μ

Sistema de coordenadas do objecto de calibração

×

A calibração da camera

consiste de um plano

chamado plano retinal ou

plano de imagem no qual a

imagem é formada através de

uma operação chamada

projecção perspectiva.

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Binocular stereopsis:

O processo de reconstrução designado por binocular stereopsis, executado pelos humanos, é simulado através da geometria epipolar, que descreve a relação existente entre duas imagens.

Y_d Z_e

Z_d P

p_e

p_d

e_e e_d

C_e C_d

Imagem

esquerda Imagem

direita Plano Epipolar

X_e

Y_e

X_d

Geometria Epipolar

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Processo proposto

Processo de engenharia inversa convencional

Sistemas CAD

Sistemas RP Sistemas

FEM

Re-design do objecto existente CMM ou

digitalização Laser

Objecto Fotos

2D

Sistema de modelação baseado

em imagens

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Conclusões:

• Este trabalho de investigação representa um estádio inicial de uma nova ferramenta computacional para gerar rapidamente modelos computacionais de objectos existentes.