Procedimiento para determinar datos constructivos de un primer modelo para una estructura técnica de construcción ligera.

Procedimiento asistido por ordenador para determinar datos constructivos de un primer modelo para unaestructura técnica de construcción ligera,

que comprende los pasos de procedimiento siguientes:

1. habilitación de los parámetros básicos relevantes de la estructura técnica de construcción ligera a confeccionarcon respecto al problema técnico planteado,

2. preselección de uno o varios organismos unicelulares biomineralizados con arquitecturas de valvas naturalesidóneas para los parámetros básicos habilitados,

3. selección de una o varias estructuras de precisión de las zonas de las arquitecturas de valvaspreseleccionadas que son más prometedoras para una materialización técnica,

4. recogida directa de los datos constructivos de las estructuras de precisión seleccionadas,

5. escalado de los datos constructivos recogidos elevándolos a los parámetros básicos de la estructura técnica deconstrucción ligera a confeccionar,

6. combinación y adaptación de los datos constructivos escalados para obtener un juego de datos para un primermodelo de la estructura técnica de construcción ligera a confeccionar y

7. optimización del primer modelo.

Procedimiento para determinar datos constructivos de un primer modelo para una estructura técnica de construcción ligera.

La presente invención se refiere a un procedimiento asistido por ordenador para determinar datos constructivos de un primer modelo para una estructura técnica de construcción ligera.

El empleo de prototipos de la naturaleza para aplicaciones técnicas es conocido desde hace mucho tiempo y hace suponer el comportamiento humano. La naturaleza ha producido en el transcurso de la evolución, por selección natural, construcciones y procedimientos extremadamente economizadores de energía como respuesta a la cuestión de la mejor estrategia en la lucha permanente por la supervivencia de las especies, que parecen adecuados y deseables para muchas aplicaciones técnicas, si bien por otros motivos. Sin embargo, la transposición fracasa a este respecto generalmente en la problemática de hacer que el sistema biológico se pueda aplicar directamente al sistema técnico deseado. El fundamento de esta transposición tiene que ser, por un lado, el estudio exacto de la constitución morfológica de sistemas biológicos, incluyendo los materiales naturales empleados y sus propiedades, y, por otro lado, la adquisición de conocimientos exactos sobre su finalidad, es decir, sobre la correlación completadel sistema considerado en su entorno natural. Únicamente una extensa clarificación de esta clase desde el punto de vista biológico-técnico le permite al constructor configurar sistemas técnicos teniendo en cuenta mecanismos biológicos activos. La ciencia de la transposición técnica sistemática de construcciones y procedimientos biológicos al mundo técnico se denomina en general biónica o biomimética.

Un gran número de publicaciones se ocupa de la interpretación de tales principios y de la presentación del respectivo estado de la técnica. La publicación I (Werner Nachtigall, "Vorbild Natur-Bionik-Design für funktionelles Gestalten", Springer Verlag, 1997) describe los principios básicos de construcciones naturales [I, páginas 21 y siguientes]: La naturaleza no construye componentes aditivos maximizados en propiedades principales individuales, sino que desarrolla sistemas integrados optimizados en cuanto a la suma de sus propiedades necesarias. En la naturaleza se contrapone al sistema de la energía adquirible por la ingesta de alimentos el gasto energético para, por un lado, la defensa/fuga y, por otro, la propagación. Cuanto más efectivamente pueda utilizarse la energía tanto mayor será la probabilidad de supervivencia. La consecuencia son construcciones ligeras y a la vez estables y adaptaciones detalladas a condiciones ambientales muy diferentes, y estas construcciones y adaptaciones representan un gran combinado de diseños utilizable en la técnica. Como ejemplo conocido de diseño biónico puede servir el efecto del loto [I, páginas 43-44]. En este caso, se ha podido demostrar que las superficies, por ejemplo de hojas, con una distribución definida de microrrugosidades impiden muy eficazmente la adherencia de partículas de suciedad y gotas de agua, ya que las gotas de agua no se adhieren superficialmente, sino que, debido a su tensión superficial, ruedan sobre las puntas de las rugosidades y entonces enrollan sobre ellas y arrastran la suciedad que reposa también solamente sobre las puntas de la rugosidades. Esta capacidad les permite a las plantas limpiarse ellas mismas de una manera efectiva y mantener con ello en un alto nivel el rendimiento lumínico importante para la supervivencia. Sobre superficies técnicas se puede lograr también este efecto de autolimpieza por revestimiento con otros materiales que imiten la rugosidad de las hojas de las plantas. Se puede reducir así netamente no sólo el gasto de limpieza, por ejemplo de células solares para mantener el rendimiento lumínico, sino también de superficies ópticas tales como fachadas de casas y cristales de ventanas. Existe una serie de otros ejemplos tomados del mundo animal, por ejemplo el aprovechamiento de las propiedades reotécnicas y las propiedades antiensuciamiento de la piel de las ballenas, la generación de rozamiento de la piel de las serpientes en función de la dirección, etc. Sin embargo, para la transposición técnica de tales analogías no se describe con detalle en la publicación [I, páginas 127-130] la necesaria formación de modelos en el paso de realización final del modelo nulo de principio (figura 67) .

En la publicación II (Claus Mattheck, "Design in der Natur - Der Baum als Lehrmeister", Rombach Ökologie, 1997) [II, páginas 13-18, 45-47] se trata el mecanismo de la autooptimización biológica, es decir, la optimización de la utilización de la energía, con ayuda del ejemplo del crecimiento adaptativo de árboles. Debido a las variaciones constantes de las condiciones de vida en el transcurso de su existencia el tronco de los árboles está sometido a diferentes condiciones de tensión originadas por el viento, el sol, la naturaleza del suelo, etc. La disposición genética del árbol le capacita para contrarrestar distribuciones desfavorables de la tensión mediante un crecimiento de espesor diferente entre sitios amenazados y sitios no amenazados. Persigue siempre el objetivo de dejar que, en promedio temporal, actúe una tensión constante sobre toda la superficie del tronco del árbol. Las mismas condiciones rigen también para otros componentes de la naturaleza sometidos a altas cargas mecánicas, como huesos, dientes, garras, etc. El principio básico, el axioma de la tensión constante, puede considerarse como el fundamento de la construcción biológico-técnica. También aquí se pone nuevamente de manifiesto que el diseño de la naturaleza optimizado en energía, es decir con aportaciones de fuerza necesarias para la finalidad de utilización prevista, se realiza por supresión de zonas exentas de tensión, peso minimizado de componentes y funciones de prototipo para estructuras ecológica y económicamente optimizadas. En la descripción del modo de proceder para transponer diseños ecológicos [II, páginas 63, 64], del que parte la invención como estado de la técnica más próximo, se presentan brevemente los métodos aplicables y su cooperación. El planteamiento del problema técnico proporciona primeramente los parámetros básicos relevantes para la estructura técnica de una construcción a realizar. Se trata aquí, por ejemplo, de la dimensión aproximada del componente (dimensión límite) , las cargas

exteriores atacantes y las condiciones marginales (empotramiento, apoyo, guías, etc.) . La mecánica proporciona, por ejemplo con el método de elementos finitos (FEM) como herramienta numérica manual, las tensiones, dilataciones y deformaciones que se presentan en la estructura técnica. Con la llamada opción de muerte blanda (SKO) se pueden eliminar entonces como lastre innecesario las zonas de construcción no portantes. Por tanto, se puede proporcionar una propuesta de diseño de construcción ligera preoptimizada como primer modelo, pero éste presenta todavía zonas problemáticas. Éstas pueden tratarse posteriormente con la llamada optimización asistida por ordenador (CAO) mediante una contracción y variación adicionales de la construcción, de modo que, mediante un proceso de optimización iterativa, se obtiene finalmente la construcción a erigir con una estructura de construcción ligera resistente a la fatiga. En este caso, el alcance del proceso de optimización depende directamente de la optimización del primer modelo. Cuanto más cerca de la construcción final terminada se encuentre ya éste tanto menor será el gasto de optimización. Sin embargo, se pueden transponer tan sólo estructuras relativamente sencillas y ya la confección del primer modelo basado en datos según el prototipo tomado de la naturaleza requiere en el estado de la técnica engorrosos procesos de transferencia y cálculo. Hasta ahora, solamente ofrece remedios el empleo de primeros modelos muy sencillos, pero con esto el gasto de cálculo se traslada solamente a la optimización en la construcción definitiva, ya que la desviación con respecto al primer modelo es muy grande.

La publicación III (Hamm, Merkel, Springer, Jurkojs, Maier, Prechtel, Smetacek, "Architecture and material properties of diatom shells provide effective mechanical protection", Nature, Vol. 421, páginas 841-843, Febrero de 2003) se ocupa de la constitución constructiva especial y múltiple de Diatomeas (algas silícicas) como dispositivo de protección. Particularmente en lo que respecta a estructuras de construcción ligera sometidas a esfuerzos mecánicos para construcciones en el campo de la fabricación de maquinaria o creaciones mecánico-estéticas de la arquitectura, los costructos de las valvas de organismos unicelulares biomineralizados... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento asistido por ordenador para determinar datos constructivos de un primer modelo para una estructura técnica de construcción ligera, que comprende los pasos de procedimiento siguientes:

1. habilitación de los parámetros básicos relevantes de la estructura técnica de construcción ligera a confeccionar con respecto al problema técnico planteado,

2. preselección de uno o varios organismos unicelulares biomineralizados con arquitecturas de valvas naturales idóneas para los parámetros básicos habilitados,

3. selección de una o varias estructuras de precisión de las zonas de las arquitecturas de valvas preseleccionadas que son más prometedoras para una materialización técnica,

4. recogida directa de los datos constructivos de las estructuras de precisión seleccionadas,

5. escalado de los datos constructivos recogidos elevándolos a los parámetros básicos de la estructura técnica de construcción ligera a confeccionar,

6. combinación y adaptación de los datos constructivos escalados para obtener un juego de datos para un primer modelo de la estructura técnica de construcción ligera a confeccionar y

7. optimización del primer modelo.

2. Procedimiento asistido por ordenador según la reivindicación 1 con un archivado de propiedades descriptivas comunes de estructuras técnicas de construcción ligera y arquitecturas de valvas de organismos unicelulares biomineralizados como colección organizada de aspectos y valores de aspecto en un banco de datos.

3. Procedimiento asistido por ordenador según la reivindicación 1 ó 2 con un archivado de una jerarquía caracterizada por sus propiedades conocidas - de elementos de estructura individuales, subestructuras mayores y arquitecturas de valvas enteras de organismos unicelulares biomineralizados como colección organizada en un banco de datos.

4. Procedimiento asistido por ordenador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 con una recogida directa de los datos constructivos de las estructuras de precisión o las subestructuras seleccionadas por medio de al menos un escaneo microscópico semiautomático.

5. Procedimiento asistido por ordenador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 con un archivado de los datos constructivos directamente recogidos como colección organizada en un banco de datos.

6. Procedimiento asistido por ordenador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 con un archivado de criterios para el escalado, la combinación y la adaptación de los datos constructivos, de primeros modelos y de sus resultados de optimización como colección organizada en un banco de datos.

7. Procedimiento asistido por ordenador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 con una preselección de Arachnoidiscus o Coscinodiscus del grupo de las Diatomeas como organismo unicelular biomineralizado.

8. Procedimiento asistido por ordenador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 con una preselección de Feodarios del grupo de los Radiolarios como organismos unicelulares biomineralizados.