DOI 10.24412/2413-046Х-2021-10247

ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ БИОМАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

EFFECTIVE USE OF BIOMATERIAL COMPOUNDS IN CONSTRUCTION

Арханова Наталья Николаевна, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Гузей Даниил Николаевич, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Ковалева Алена Владимировна, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Кондрашева Юлия Александровна, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Чупрова Екатерина Евгеньевна, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Arkhanova Natalia Nikolaevna, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Siberian Federal University» (SFU)

Guzei Daniil Nikolaevich, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Siberian Federal University» (SFU)

Kovaleva Alena, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Siberian Federal University» (SFU)

Kondrasheva Yulia Alexandrovna, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Siberian Federal University» (SFU)

Chuprova Ekaterina Evgenievna, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Siberian Federal University» (SFU)

Аннотация. В статье исследуются химические свойства биоматериалов и их интеграция с современными технологиями. В последние несколько лет патогенная природа некоторых оомицетов побудила к скрупулезной характеристике особенностей их стенок как возможных мишеней для борьбы с болезнями. Эти исследования также пролили свет на характеристики природных структур из хитина и целлюлозы. Эти знания имеют прямое применение при разработке материалов, созданных с использованием биологических материалов. Теперь мы знаем, что оомицеты — это не гомогенная популяция, а комбинация членов, по крайней мере, с тремя отличительными типами клеточной стенки.

Summary. The article examines the chemical properties of biomaterials and their integration with modern technologies. In the past few years, the pathogenic nature of some oomycetes has prompted a scrupulous characterization of the features of their walls as possible targets for disease control. These studies have also shed light on the characteristics of natural structures from chitin and cellulose. This knowledge has direct application in the development of materials created using biological materials. We now know that oomycetes are not a homogeneous population, but a combination of members with at least three distinctive cell wall types.

Ключевые слова: химия и материалы, органические технологии, строительство, экспертиза и недвижимость, инженерные исследования.

Keywords: сhemistry and materials, organic technologies, construction, expertise and real estate, engineering research.

Введение

 Эволюция технологий и сдерживание из-за COVID-19 позволяют нам утверждать, что мы находимся на поворотном этапе, когда аддитивное производство готово стать жизнеспособной альтернативой традиционным производственным процессам во многих аспектах.

Целлюлоза — это наиболее распространенное и широко распространенное органическое соединение, и промышленный побочный продукт на Земле. Однако, несмотря на десятилетия обширных исследований, восходящее использование целлюлозы для изготовления 3D-объектов по-прежнему сопряжено с проблемами, ограничивающими его практическое применение: производные с огромными эффектами загрязнения, использование в сочетании с пластмассами, отсутствие масштабируемости и высокая стоимость производства. Здесь демонстрируется общее использование целлюлозы для изготовления больших трехмерных объектов. Аддитивное производство, является одним из наиболее перспективных технологий производства, слияние в Четвертой промышленной революции также называется промышленностью 4.0

Методы исследования: сравнительный, аналитический.

Результаты. Данный подход отличается от общепринятой ассоциации целлюлозы с зелеными растениями, и он основан на стенке грибовидных оомицетов, которая воспроизводится путем введения небольшого количества хитина между волокнами целлюлозы. Полученные грибковые клеевые материалы (ФЛАМ) являются прочными, легкими и недорогими, и могут быть отформованы или обработаны с использованием технологий деревообработки. Мы считаем, что это первое крупномасштабное аддитивное производство с повсеместно распространенными биологическими полимерами станет катализатором перехода к экологически безвредным и замкнутым моделям производства.[1-2]

Одна из главных проблем, связанных с принятием аддитивных технологий, как и в любой новой технологии, является отсутствие знаний о воздействии этой технологии на пересмотр цепочки конфигурациями и принятия (создания новой) модели бизнеса, ориентированные, все больше и больше, на (почти обязательные для конкурентоспособности давления) экологичные цели. В контексте Индустрии 4.0 аддитивные технологии производства становятся одной из ключевых технологических концепций следующего десятилетия.

Целью исследования является применение принципов клеточной стенки грибов и оомицетов для создания общей производственной системы, основанной на трех предпосылках: (i) полученный биоинспирированный композит должен состоять из его природных компонентов; (ii) Компоненты должны быть доступны и в изобилии в каждой среде обитания на Земле; (iii) Стоимость, воздействие на окружающую среду и масштабируемость должны обеспечивать универсальное использование.

Несмотря на то, что многие последствия этой технологии потенциально позитивны, другие будут иметь неблагоприятные последствия для различных отраслей промышленности с потерей рабочих мест, особенно в неквалифицированной рабочей силе. Схема продемонстрирована на рис.1.

Таким образом, преодолевая ограничения аддитивного процесса производства, такие как интероперабельность систем и подсистем, скорость производства, материальная безопасность и производство крупных деталей, промышленность будущего будет опираться на эту технологию для большей эффективности, экономичности и качества при одновременном повышении потенциала индивидуализации.

Исследования сосредоточены на воспроизведении синергии между молекулами в биологических композитах, и мы подходим к этому, искусственно связывая структурные биомолекулы в их организации в живых системах. Это отличается от двух преобладающих подходов к биоинспирированным материалам, основанных на воспроизведении природных композитов с синтетическими материалами известной технологичности, и на преобразовании природных компонентов для соответствия уже существующим технологиям производства.

В отличие от химической стабильности целлюлозы, хитин с низкой степенью ацетилирования (например, хитозан) содержит достаточно протонируемых групп, чтобы обеспечить его диспергирование в низких концентрациях. [3-4]

Дополнительно исследована возможность производства хитин-целлюлозного грибоподобного материала, оценивая влияние концентрации хитина на способность композита достигать пластичного состояния и сохранять форму. Хитозан вводится в композит в виде водного раствора. В результате композиты с большим количеством хитозана (> 12%) требуют удаления части этой воды до тех пор, пока материал не достигнет состояния, способного соответствовать и сохранять трехмерную форму.

Аддитивное производство не только влияет на создание и стоимостное предложение компаний, но и влияет на коммуникацию, распределение и захват стоимости в большей степени, чем предполагает литература. Путем категоризации видов бизнеса по пяти сегментам (производители конечнойпродукции, производители 3D принтеров, компании, использующие 3D для внутреннего прототипирования, поставщики 3D услуг и разработчики) было проверено, что во всех из них происходит изменение ценностного предложения, ценностей коммуникации и создание новых.

В настоящее время, поскольку процессы аддитивного производства более выгодны для небольших производств, становится нецелесообразным производить адгезию оборудования для каждого вида производства. Одним из способов решения этой проблемы является подход облачного производства, поскольку он позволяет совместно использовать ресурсы между клиентами и участниками платформы.

Интересно, что недавние исследования стенки оомицетов сделали аналогичные выводы для соотношений хитин / целлюлоза, а также сообщили об аномальном поглощении воды клеточной стенкой, когда продукция хитина нарушена. Механические характеристики FLAM находятся в пределах диапазона натуральных целлюлозных композитов, таких как древесина средней и низкой плотности и пены высокой плотности, обычно используемые при проектировании продукции, строительстве, авиационной и автомобильной промышленности. Тем не менее, они значительно отличаются от любого натурального материала. FLAM является воспроизведением природного материала, синтезированного в микромасштабе (то есть стенки оомицета), поэтому, вероятно, его характеристики аналогичны не охарактеризованным материалам, существующим только в этом масштабе.

Хотя большинство целлюлозных и хитиновых природных структур также включают другие органические и неорганические компоненты, оказалось, что взаимодействия между целлюлозой и хитозаном достаточно для образования твердых композитов. Эти взаимодействия достаточно сильны даже в присутствии деструктивных компонентов, таких как лигнин или гемицеллюлоза, что позволяет формировать композиты на основе древесной муки. Механические характеристики этих композитов на древесной основе значительно ниже, чем у FLAM на основе чистой целлюлозы, но они позволяют распространить технологию на многие другие источники необработанных побочных продуктов. Например, в США 14% городских отходов составляет древесина, в то время как в таких отраслях, как сельское хозяйство, пищевая, текстильная и бумажная промышленность, образуется большое количество отходов с высоким содержанием целлюлозы.

В настоящее время Китай является третьей страной в мире с наибольшим количеством промышленных систем 3D печати, и второе место по общему количеству публикаций и патентных заявок в этой отрасли. Исследование, проведенное в китайском контексте, показало необходимость улучшения связей между каждой подсистемой, особенно между технологической и бизнес-экосистемами. Это важно для развивающихся технологических отраслей, где компании открыто используют местные исследовательские ресурсы для инноваций.[5]

 Несмотря на обширные прошлые и текущие исследования по адаптации целлюлозы для 3D-печати, прогресс по-прежнему сталкивается с препятствиями, такими как использование опасных растворителей, лиофилизация небольших целлюлозных каркасов и загрязнение в результате смешивания полимера с товарными пластиками. Никогда не сообщалось ни о какой технологии, обладающей уникальными характеристиками FLAM. Кроме того, насколько нам известно, не существует другого биотического материала, который можно было бы отливать, формовать, шлифовать, распиливать и печатать на 3D-принтере.

Система 3D-печати состоит из коммерческого шестиосевого шарнирно-сочлененного промышленного робота с максимальным горизонтальным вылетом 1,65 м и полезной нагрузкой 20 кг на фланце, установленного на специальной конструкции, и встроенной мобильной платформы с гидравлическим ножничным подъемником для увеличения рабочей зоны.

Для передачи сигналов и обмена данными между контроллером робота и системой экструзии используется специальное программное и аппаратное обеспечение с программируемой логикой управления. Различные электрические и механические интерфейсы между роботом и экструзионной системой, такие как монтажные плиты, сопла и муфты, были изготовлены в SUTD FabLab.

Программное обеспечение параметрического проектирования было разработано для проектирования прототипов и артефактов лопастей, а также для преобразования геометрии конструкции в машинные инструкции для автономного программирования роботов. Уплотнение материала по вертикали и расширение по горизонтали были закодированы для создания предварительно заданной модели из геометрии конструкции. Впоследствии были созданы алгоритмы траектории машины для внутренней структуры ядра, которые учитывают непрерывность траектории каждого слоя, чтобы уменьшить запуск / остановку дозатора и устранить артефакты, такие как хвосты, подача материала и калибровка скорости, для максимального увеличения времени производства без деформации валика за счет перетаскивания, скорости вылета для уменьшения провисания, поперечное перекрытие валиков для улучшения горизонтального плавления, увеличение площади внутренней полости для ускорения твердения при испарении.

Несколько пробелов, выявленных между исследованиями и формированием рыночной стоимости, демонстрируют важность создания бизнес-моделей, ориентированных на развивающуюся область аддитивного производства.Рост целенаправленных исследований, технологий и рынка AM не сопровождался практикой разработки бизнес-моделей, ориентированных на эту технологию. В настоящее время литература по-прежнему отсутствует иимеет пробелы в создании бизнес-моделей, а также анализе влияния с глобальными перспектива миаддитивного производства, но в последние годы можно наблюдать, что количество научных работ и дискуссий на эту тему все усиливается. Однако почти ни одна из них не затрагивает аспект устойчивости этих моделей, и уж точно не в контексте того, что может принести революция Индустрии 4.0.

Индустрия 4.0 обещает значительные улучшения в текущих производственных процессах, и очень важно, чтобы аддитивное производство стало неотъемлемой частью Индустрии 4.0. Многие области с высоким потенциалом, такие как большие данные, могут оказать огромное влияние на формирование новых бизнес-моделей, но только несколько исследований адресуют его. Например, Джек Фрэнсис и Линкан Бьян предлогают модель, использующую облачную вычислительную систему, связанную, производственную среду Индустрии 4.0, мудро используя большие данные для получения повышенной геометрической точности деталей, изготовленных с использованием лазерного аддитивного производства. Объединяя дизайн продукта и аддитивное производство, производственные затраты могут быть рассчитаны путем оценки большего количества функций модели продукта с большими данными.

С точки зрения устойчивого развития компании изо всех сил пытаются признать и понять полный потенциал технологий аддитивного производства. Руководители индустрии 4.0 должны быть знакомы с этими бизнес-моделями, а также с методами анализа больших объемов данных, уметь руководить новыми цифровыми работниками и, прежде всего, выдвигать на первый план устойчивое развитие.

Они должны знать о самых разрушительных пагубных технологиях, знать их воздействие на структуру затрат и ощущать влияние на компанию сейчас и в будущем, а также понимать правовые риски и угрозы связанные с применением современных цифровых технологий [6-15].

Вывод. Исследования показывают, что эта технология может способствовать устойчивости производственных систем, основываясь наее потенциале оптимизации расхода материалов, создания новых форм, настройки дизайна и сокращения сроков производства, что в совокупности значительно трансформирует некоторые из существующих бизнес-моделей. Хотя для полного внедрения этой технологии в промышленную среду требуется достижение определенного уровня зрелости дизайна, аддитивное производство потенциально может благоприятно повлиять на окружающую среду. Заметный рост интеллектуальных инфраструктур, обусловленный Индустрией 4.0, может нанести серьезное бремя окружающей среде, типичная практика оценки жизненного цикла которая в основном неспособна на адекватную количественную оценку таким видам воздействия. Поэтому был выявлен разрыв между областью экологической оценки и ощутимыми достижениями в области производства. Часто приходится идти на компромисс между эффективным использованием ресурсов и возможными выгодами от передовых технологий в сокращении материалов и других нежелательных эффектов, таких как увеличение потребления энергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Байер, В. Архитектурное материаловедение: Учебник / В. Байер. — М.: Архитектура-С, 2012. — 264 c.
2. Трачук А.В., Линдер Н.В. (2017а) Распространение инструментов электронного бизнеса в России: результаты эмпирического исследования // Российский журнал менеджмента. 2017. Т 15. № 1. С. 27-50.
3. Капустин, В.И. Материаловедение и технологии электроники: Учебное пособие / В.И. Капустин, А.С. Сигов. — М.: Инфра-М, 2018. — 224 c.
4. European Parliament, Policy department A: Economic and scientific policy / Industry 4.0
5. Чумаченко, Ю.Т. Материаловедение и слесарное дело (спо) / Ю.Т. Чумаченко, Г.В. Чумаченко. — М.: КноРус, 2018. — 352 c
6. Begishev I.R., Khisamova Z.I., Mazitova G.I. Criminal legal ensuring of security of critical information infrastructure of the Russian Federation // Revista Gênero e Direito. – 2019. – Vol. 8. – No 6. – P. 283-292.
7. Begishev I.R., Khisamova Z.I., Mazitova G.I. Information Infrastructure of Safe Computer Attack // Helix. – 2019. – Vol. 9. – No 5. – P. 5639-5642.
8. Bokovnya A.Yu., Khisamova Z.I., Begishev I.R. Study of Russian and the UK Legislations in Combating Digital Crimes // Helix. – 2019. – Vol. 9. – No 5. – P. 5458-5461.
9. Бегишев И.Р. Ответственность за нарушение правил эксплуатации средств хранения, обработки или передачи компьютерной информации и информационно-телекоммуникационных сетей // Вестник УрФО. Безопасность в информационной сфере. – 2012. – № 1(3). – С. 15-18.
10. Бегишев И.Р. Уголовная ответственность за приобретение или сбыт цифровой и документированной информации, заведомо добытой преступным путем // Актуальные проблемы экономики и права. – 2010. – № 1. – С. 123-126.
11. Бегишев И.Р. Проблемы уголовной ответственности за обращение со специальными техническими средствами, предназначенными для негласного получения информации // Следователь. – 2010. – № 5. – С. 2-4.
12. Бегишев И.Р. Изготовление, сбыт или приобретение специальных технических средств, предназначенных для нарушения систем защиты цифровой информации: правовой аспект // Информация и безопасность. – 2010. – Т. 13. – № 2. – С. 255-258.
13. Бегишев И.Р. Правовые аспекты безопасности информационного общества // Информационное общество. – 2011. – № 4. – С. 54-59.
14. Бегишев И.Р. Проблемы ответственности за незаконные действия с информацией, заведомо добытой преступным путем // Безопасность информационных технологий. – 2010. – Т. 17. – № 1. – С. 43-44.
15. Бегишев И.Р. Создание, использование и распространение вредоносных компьютерных программ // Проблемы права. – 2012. – № 3(34). – С. 218-221.

LIST OF REFERENCES

1. Bayer, V. Architectural materials science: Textbook / V. Bayer. — M.: Architecture-S, 2012. — 264 p.
2. Trachuk A.V., Linder N. V. (2017a) Distribution of e-business tools in Russia: results of an empirical study // Russian Journal of Management. 2017. T 15. No. 1. pp. 27-50.
3. Kapustin, V. I. Material Science and electronics technologies: Textbook / V. I. Kapustin, A. S. Sigov. — M.: Infra-M, 2018. — 224 p.
4. European Parliament, Policy department A: Economic and scientific policy / Industry 4.0
5. Chumachenko, Yu. T. Material Science and plumbing (spo) / Yu. T. Chumachenko, G. V. Chumachenko. — M.: KnoRus, 2018. — 352 p.
6. Begishev I.R., Khisamova Z.I., Mazitova G.I. Criminal legal ensuring of security of critical information infrastructure of the Russian Federation // Revista Gênero e Direito. – 2019. – Vol. 8. – No 6. – P. 283-292.
7. Begishev I.R., Khisamova Z.I., Mazitova G.I. Information Infrastructure of Safe Computer Attack // Helix. – 2019. – Vol. 9. – No 5. – P. 5639-5642.
8. Bokovnya A.Yu., Khisamova Z.I., Begishev I.R. Study of Russian and the UK Legislations in Combating Digital Crimes // Helix. — 2019. — Vol. 9. — No 5. — P. 5458-5461.
9. Begishev I. R. Responsibility for violation of the rules of operation of means of storage, processing or transmission of computer information and information and telecommunications networks // Bulletin of the Ural Federal District. Security in the information sphere. – 2012. – № 1(3). – Pp. 15-18.
10. Begishev I. R. Criminal liability for the acquisition or sale of digital and documented information, knowingly obtained by criminal means / / Actual problems of economics and law. – 2010. – No. 1. — p. 123-126.
11. Begishev I. R. Problems of criminal liability for handling special technical means intended for tacit receipt of information / / Investigator. — 2010. — No. 5. — p. 2-4.
12. Begishev I. R. Production, sale or purchase of special technical means intended for violation of digital information protection systems: a legal aspect / / Information and security. – 2010. Vol 13. – No. 2. – P. 255-258.
13. The Begishev I. R. Legal aspects of security information society Information society. – 2011. – No. 4. – P. 54-59.
14. The Begishev I. R. Problems of responsibility for illegal actions, information, knowingly obtained by criminal means // Safety of information technology. — 2010. — Vol. 17. — No. 1. — p. 43-44.
15. Begishev I. R. Creation, use and distribution of malicious computer programs / / Problems of law. – 2012. – № 3(34). – Pp. 218-221.