Periodico bimestrale
Anno XX, numero 93
luglio/agosto
ISSN 1128-3874

La progettazione ispirata dalla natura. Nella forma e nel metodo

N. 93 – luglio/agosto

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Marco Evangelos Biancolini
Marco Evangelos Biancolini

Nella pratica della progettazione l’ingegnere si trova molto spesso a fronteggiare sfide poste dalla natura che lo circonda. Le strutture sono concepite per resistere alla forza dell’acqua, del vento, dei movimenti tellurici e della stessa gravità.
Le soluzioni in natura risultanti da anni di evoluzione hanno fornito nella storia una continua fonte di ispirazione per l’uomo. Nel cinquecentenario della scomparsa di Leonardo possiamo ricordare ad esempio le sue macchine volanti concepite mimando il volo degli uccelli. Le applicazioni bioniche sono in molti casi soluzioni progettuali ispirate alla natura per la forma: i pattern di nervature delle ali degli insetti (1), utilizzati in componenti a parete sottile, conferiscono una straordinaria rigidezza malgrado l’esiguo spessore della struttura.
Ma la bionica va oltre la singola forma: può essere anche alla base del metodo. Molti algoritmi alla base del generative design sono fondati su meccanismi di ottimizzazione automatica osservati in natura. L’ottimizzazione topologica è alla base del generative design e fa uso dei metodi ESO (Evolutionary Structural Optimization) e consente di concepire forme nuove in base alle prestazioni richieste al componente e agli ingombri ammissibili.
La bionica continua ad ispirare la ricerca e la messa a punto di nuovi metodi. Fra questi ne riporto due che ho avuto modo di approfondire. Il primo, usato per l’ottimizzazione di forma, è il biological growth method (BGM, 2). Il metodo BGM mima i meccanismi di crescita che si osservano nei tronchi degli alberi e nelle ossa. Le zone maggiormente sollecitate promuovono localmente una maggiore velocità di crescita. Il BGM usato per l’ottimizzazione strutturale prevede di aggiungere/rimuovere materiale nelle zone più/meno sollecitate della superficie di un solido.
 Il secondo metodo può essere adottato nelle ottimizzazioni topologiche mimando i meccanismi di formazione delle sand stone. Si tratta di gigantesche strutture scavate dal vento erodendo masse sabbiose. In questo caso solo le zone poco sollecitate vengono erose; nelle zone soggette a forti carichi compressivi il materiale rimane compatto e le azioni aerodinamiche non sono sufficienti per asportare il materiale.
Un esempio di come tale metodo possa essere utilizzato per l’ottimizzazione topologica automatica è riportato in (3) dove la modellazione fluidodinamica delle azioni del vento abbinata ad un modello erosivo consente di far evolvere la forma di un solido soggetto ad azioni di compressione note. Esempi più dettagliati di questi approcci troveranno spazio nei prossimi numeri di «A&C - Analisi e Calcolo».


(Marco Evangelos Biancolini)

 

Riferimenti

  1. Jongerius, S.R. and Lentink, D., 2010. Structural analysis of a dragonfly wing. Experimental Mechanics, 50(9), pp.1323-1334.
  2. Mattheck, C., Burkhardt, S. and Erb, D., 1991. Shape optimization of engineering components by adaptive biological growth. In Engineering optimization in design processes (pp. 15-24). Springer, Berlin, Heidelberg.
  3. Ostanin, I., Safonov, A. and Oseledets, I., 2017. Natural erosion of sandstone as shape optimisation. Scientific reports, 7(1), p.17301.

— Marco Evangelos Biancolini

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