«Открытый университет» на Новой сцене Александринского театра: проректор по перспективным проектам, научный руководитель Института передовых производственных технологий СПбПУ профессор А.И. Боровков выступил с лекцией «Как бионический дизайн меняет производство»

7 и 8 ноября 2015 года в Санкт-Петербурге в третий раз прошёл фестиваль «Открытый университет». В рамках данного проекта лучшие преподаватели вузов выступают с бесплатными лекциями для всех желающих на Новой сцене Александринского театра.

Одним из спикеров третьего «Открытого университета» стал А.И. Боровков, проректор по перспективным проектам, научный руководитель Института передовых производственных технологий (ИППТ), руководитель Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ Петра Великого. В лекции «Как бионический дизайн меняет производство?» он представил принципиально новый подход - бионический дизайн - к проектированию и созданию "best-in-class" оптимизированных конструкций, когда получаемые в результате детали, элементы конструкций и изделия напоминают структуры, встречающиеся в живой природе.

В начале лекции А.И. Боровков остановился на терминологии и определениях, входящих в понятие «бионический дизайн».  Достаточно узкий класс, примеры из которого чаще всего приводятся, относится к  заимствованиям из живой природы для создания более совершенных технических систем.

Так, в одном из концептов автомобильной компании Local Motors  кузов сконструирован в форме капли для улучшения аэродинамических характеристик, а каркас напоминает устройство грудной клетки, что обеспечивает  эффективное энергопоглощение в случае удара. Дизайнеры  автоконцерна Daimler предложили идею бионического автомобиля, форма которого, обеспечивающая низкий коэффициент гидродинамического лобового сопротивления, является отсылкой к тропической рыбке кузовку. Для снижения шума при выходе скоростного поезда из тоннеля конструкторы японского поезда серии 500 Shinkansen опирались на исследования клюва зимородка, идеально приспособленного для плавного и мягкого перехода из одной среды в другую (из воздуха в воду).

Как подчеркнул А.И. Боровков, его лекция посвящена другому подходу к бионическому дизайну: «Задача состоит в том, чтобы с помощью современных технологий компьютерного инжиниринга, оптимизации и аддитивных технологий получать решения, столь же совершенные, как те, к которым природа приходила за тысячелетия эволюции. Созданные таким образом конструкции могут напоминать какие-то природные структуры».

Примеры концептов best-in-class оптмизированных конструкций, представленных ведущими компаниями мировой промышленности 

Характерной особенностью моделей, которые получаются в результате применения передовых технологий оптимизации (за которыми скрывается мощный математический аппарат), являются, как правило, крайне сложные геометрические формы, которые лежат "за гранью интуиции генерального конструктора".  Такие оптимизированные конструкции часто невозможно изготовить на станке: здесь на помощь приходят аддитивные технологии, снимающие многие производственные ограничения.

Приводя примеры бионически оптимизированных конструкций, А.И. Боровков рассказал о концепте грузовика Power Entry инжиниринговой компании EDAG (Германия), которая на протяжении 10 лет является основным стратегическим партнером и заказчиком CompMechLab^®. Скелетоподобная структура кабины и шасси грузовика обеспечивает оптимальное распределение нагрузки при минимальном весе.

Далее профессор А.И. Боровков рассказал о разработках сотрудников Института передовых производственных технологий СПбПУ. Среди представленных конструкций - изготовленная аддитивным способом опора раздаточной коробки передач, оптимизированная с целью уменьшения металлоёмкости и снижения веса при сохранении всех функциональных характеристик; крышка багажника автомобиля, имеющая минимальный вес и оптимальную форму при сохранении всех требуемых параметров.

Одна из последних разработок ИППТ СПбПУ - металлический кронштейн, применяемый в авиационной промышленности. Благодаря бионическому дизайну, включающему компьютерный  инжиниринг, топологическую оптимизацию и аддитивные технологии, массу детали удалось снизить в 4.39 (!) раз по сравнению с оригинальным изделием на основе традиционных для отрасли решений. 

А.И. Боровков продемонстрировал слушателям бионический оптимизированный металлический кронштейн, спроектированный в ИППТ и напечатанный на 3D-принтере. Фото: ifmo.ru

В авиационной и космической промышленности задача получения максимально легких конструкций является наиболее актуальной. Снижение веса на 1 кг оценивается порядка 1000 долларов для авиастроения, 100 000 долларов – для ракетно-космической техники (например, спутников и космических аппаратов).

Профессор А.И. Боровков обратил внимание слушателей на сходство полученного кронштейна с тигром (или собакой), который тянет зубами веревку, упираясь в землю всеми четырьмя лапами и изгибая спину.

«Таким образом, бионический дизайн – это основа для проектирования и производства глобально конкурентоспособной и кастомизированной продукции нового поколения на основе применения передовых производственных технологий (компьютерного инжиниринга и оптимизации, аддитивных технологий, новых материалов), когда получаемые оптимизированные «best-in-class» инженерные решения напоминают структуры, встречающиеся в живой природе», - подвел итоги выступления научный руководитель Института передовых производственных технологий СПбПУ.

Затем профессор А.И. Боровков ответил на вопросы из зала.

В частности, слушателей заинтересовало, насколько высока маркетинговая составляющая в презентациях бионических конструкций.

«Фактически, бионический дизайн – это серьезная и наглядная упаковка, за которой, как я уже говорил, скрывается сложнейший математический аппарат, очень грамотная постановка задач с позиций механики и так далее, - сказал А.И. Боровков. - Зачастую заказчикам сложно вникать в суть проблемы на уровне уравнений в частных производных и нелинейных задач. Промышленность, как правило, смотрит какой выигрыш дает новое решение и сколько стоит его получение и применение».

Видео выступления проректора по перспективным проектам, научного руководителя Института передовых производственных технологий СПбПУ профессора А.И. Боровкова в рамках "Открытого университета"

О проекте «Открытый университет»

Просветительский проект «Открытый университет» основан  в Петербурге в 2015 году Университетом ИТМО, Европейским университетом в Санкт-Петербурге и Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого.  Функции организатора выполняет городское интернет-издание «Бумага». Площадкой  «Открытого университета» стала Новая сцена Александринского театра, первые лекции в рамках проекта прошли 12 июня. 

О чем еще говорили на третьем фестивале «Открытый университет»

С лекциями, посвященными биотехнологиям, выступили: Вероника Лапина, PhD студент ЕУСПб, 
Алексей Бобцов, доктор технических наук, декан факультета компьютерных технологий и управления Университета ИТМО.

Спикеры секции «Третий закон Кларка» рассмотрели технологии, которые сегодня кажутся фантастическими, но могут быть реализованы в ближайшие десятилетия. (Английский писатель и футуролог Артур Кларк сформулировал «третий закон Кларка» в редакции своей книги «Черты будущего» в 1973 году. Закон гласит, что любая достаточно развитая технология неотличима от магии).
Лекторы: Егор Гурвиц, инженер Международного института фотоники и оптоинформатики, президент оптического студенческого общества Университета ИТМО; Леонид Лопатухин, профессор, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института наукоемких компьютерных технологий Университета ИТМО, Заслуженный деятель науки Российской Федерации; Андрей Козлов, научный руководитель лаборатории молекулярной онкологии и вирусологии Центра перспективных исследований СПбПУ.

На секции "Среда обитания"  обсуждалось, как Петербург приобрел свой современный вид, насколько он далёк от концепции «умного города» и реалистичны ли планы по избавлению Северной столицы от дорожных пробок и других его главных проблем. Лекторы: Диана Вест, заместитель директора Центра STS ЕУСПб; Дмитрий Кузнецов, проректор, пресс-секретарь, доктор философских наук, заведующий кафедрой философии СПбПУ; Юрий Лазарев, профессор кафедры «Строительство уникальных зданий и сооружений» Инженерно-строительного института СПбПУ;
Михаил Одит, кандидат физико-математических наук, инженер-исследователь лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.

Какую политику проводит Россия в Арктике, кому на самом деле принадлежит север, как в обществе относятся к людям, которые пытались стать проводниками перемен сегодня и сто лет назад  - эти и другие вопросы поднимали спикеры секции «Непубличная политика». Лекторы: Элла Сагинадзе, выпускник ЕУСПб, кандидат исторических наук; Андриан Влахов, младший научный сотрудник программы «Североведение» ЕУСПб; Валерий Ефремов, доктор филологических наук, специалист в области культуры речи и лексикологии, гендерной и когнитивной лингвистики.