A problem solving methodology for the development of bio-inspired products. Systematic use of natural design principles for designers without biological knowledge

The observation of Nature to learn how to solve technical problems has been something that has characterized all the history of the humankind. In the XIX century, the new possibilities given by the latest technologies i.e. production systems, materials etc. allowed scientists using Nature as a model to realize technical reproductions of Nature’s solutions. Nowadays, the use of Nature as a Source of Inspiration for the development of new solutions cannot be left to the “chance”. In the last decades, the Bio-Inspired Design (BID) research has been focused on the development of methods and tools for the systematic use of natural information. Accepting the hypothesis that Nature’s solutions can be a source of innovation in the product development process, the main research question is the following: How to systematically conceive a new Bio-Inspired Product? The scientific community has developed several tools for the BID tasks. Unfortunately, despite that, these are singularly effective and it has not been developed a methodology that groups them and allows a systematic use. The present research has been aimed at the integration of the most appropriate BID tools into a Problem-Solving Methodology that can be used by designers without Biological knowledge. The methodology’s targets are the SMEs and the young designers that are at their first Design experiences and that do not have any specific expertise in biology. At last, the methodology proposed is suitable for the development of technical products. The proposed methodology adopts a set of tools i.e. The NIST Functional Basis: a standardized set of function-related terminology, the Biomimicry Taxonomy (BT): the classification system used by the Biomimicry 3.8 Institute to organize the information about the Natural Sources of Inspiration (NSoI) and the NIST-BT Correlation Matrix. Thanks to these tools, it is possible to systematically carrying out a new Bio-Inspired Design that starts from a technical problem in order to develop a Bio-Inspired Conceptual Solution. Among the proposed tools, some of them have been simply selected or improved and others have been specifically developed for the methodology, such as the NIST-BT correlation matrix that allows translating the technical problem in biological terms. The methodology’s validation has been obtained by combining two validation approaches: A. Ability of the methodology to guide the generation of the Bio-Inspired Conceptual Solution A.I.Usability of the "Nature’s Solution(s)" during the Design Phase A.II.Multiple requirements satisfaction approach A.III.Effectiveness of the methodology B. Fulfilment of the project requirements by the developed Bio-Inspired Conceptual Solution Three designers from the Institute of Product Development (Lehrstuhl für Produktentwicklung) of the TUM Technische Universität München have individually applied the full methodology on a set of four Test Cases. Furthermore, a tools’ use validation has been obtained by a set of experiments carried out by two Control Groups corresponding to the target designers. As an output of the research, it has been obtained a methodology that collects the most appropriate tools in order to carry out the necessary BID tasks to systematically conceive a new Bio-Inspired Product. The most relevant aspect of the methodology is that no Biological Knowledge is necessary to perform the BID. This result has been obtained by the use of the NIST-BT Correlation Matrix combined with the approach adopted to perform the search in the database of Natural Phenomena. Furthermore, no knowledge about Biological Keywords or Natural Phenomena is needed to perform the search. Finally, this tool has been validated showing that the problem reframing in Biological terms is robust in terms of output quality. In order to improve the capability of the models used for BID tasks, it has been proposed a SAPPhIRE-DANE integrated model. The new model has been used to describe all the 13 NSoI individuated. Thanks to the structured description of the Natural Information, the designers have been able to solve singularly each problem and no compromise solutions have been adopted. With the extraction of the natural information represented in the items of the models, it has been possible to individuate a specific solution for each technical problem. The methodology has been effective both in terms of time and in the number of Bio-Inspired Conceptual Solutions developed i.e. four out of four, which satisfy all the correspondent requirement lists. Moreover, it is suitable for supporting the solution of both ordinary and inventive technical problems. At last, the method can be inserted in the standard Product Development Processes in order to systematically use Nature as a source of inspiration. The methodology has shown some limitations. For example for the designers: no mental inertia and a basic knowledge on functional modelling are required. Besides, the search can be done into a limited number of natural phenomena i.e. ≈2000. With the aim of reducing the gap between academic research and industry, stringent constrains have been imposed to the methodology. First, the methodology has to be able to support individuating the correct NSoI also without Biological Knowledge. In fact, the use of the BT-NIST correlation matrix allows the creation of direct link between the design problems expressed in technical terms and the correspondent class of “Nature’s Solutions”. Second, the methodology can be adoptable by the SMEs that usually have low budgets, that imply no possibility to hire consultants, or biologists specialized in solving technical problems and, have free or low budget tools. At the moment, the methodology is paper based and the logical future development is the implementation of the methodology in an IT tool.

L'osservazione della natura per prendere spunto per la risoluzione di problemi tecnici è stato qualcosa che ha caratterizzato tutta la storia del genere umano . Nel XIX secolo, le nuove possibilità offerte dalle nuove tecnologie come ad esempio i sistemi di produzione, i materiali etc. hanno consentito agli scienziati di utilizzare la natura come un vero e proprio modello per realizzare delle “riproduzioni tecniche” di soluzioni della Natura. Al giorno d'oggi, l'uso della natura come fonte di ispirazione per lo sviluppo di nuove soluzioni non può essere lasciata al "caso". Negli ultimi decenni, la ricerca nell’ambito del Design Bio-Ispirato (BID) si è focalizzata sullo sviluppo di metodi e strumenti per l'uso sistematico delle informazioni naturali. Accettando l'ipotesi che le soluzioni della natura possono essere una fonte di innovazione nel processo di sviluppo del prodotto, la domanda di ricerca principale è la seguente: Come concepire sistematicamente un nuovo prodotto Bio-Ispirato? La comunità scientifica ha sviluppato numerosi strumenti per svolgere i compiti legati al BID. Purtroppo, nonostante questi strumenti sono singolarmente efficaci non è stata sviluppata una metodologia che li raggruppa insieme e ne consente un uso sistematico. La presente ricerca è stata finalizzata all’integrazione di una serie di strumenti per il BID all’interno di una metodologia Problem Solving che può essere utilizzata anche da progettisti senza nessuna conoscenza biologica. Il target della metodologia sono le PMI ed i giovani designer che sono alle loro prime esperienze di progettazione e che non hanno nessuna competenza specifica in biologia. Inoltre, è importante sottolineare che la metodologia proposta è adatta per lo sviluppo di prodotti tecnici. La metodologia proposta adotta una serie di strumenti quali la base funzionale NIST: che è un insieme standardizzato di termini funzionali; la Biomimicry Taxonomy (BT): che è il sistema di classificazione utilizzato dal Biomimicry 3.8 Institute per organizzare tutte le informazioni relative alle strategie naturali raccolte nel loro database AskNature.org; infine, viene utilizzata la matrice di correlazione NIST-BT. Grazie a questi strumenti, è possibile svolgere sistematicamente il Design Bio-Ispirato di un nuovo prodotto partendo da un problema tecnico fino ad arrivare allo sviluppo di una soluzione concettuale Bio-Ispirata. Tra gli strumenti proposti, alcuni sono stati semplicemente selezionati o migliorati da quelli proposti dalla comunità scientifica e altri sono stati appositamente sviluppati per la metodologia, come ad esempio la matrice di correlazione NIST-BT che consente di tradurre il problema tecnico in termini biologici. La validazione del metodo è stata ottenuta combinando due approcci di convalida: A. Capacità della metodologia di guidare la generazione della soluzione concettuale Bio-Ispirata A.I. Usabilità della "Soluzione ( s) della Natura " durante la fase di progettazione A.II . Approccio requisiti multiple soddisfazione A.III . Efficacia della metodologia B. Soddisfacimento dei requisiti del progetto da parte della soluzione concettuale Bio-Ispirata Tre designer dell'Istituto di Sviluppo Prodotto (Lehrstuhl für Produktentwicklung), del TUM – Technische Universität München hanno applicato singolarmente l’intera metodologia su un insieme di quattro casi studio. Inoltre, è stato validato l'uso degli strumenti selezionati tramite una serie di esperimenti effettuati da due gruppi di controllo corrispondenti ai progettisti considerati come target della metodologia. Come risultati della ricerca, è stata ottenuta una metodologia che raccoglie gli strumenti più appropriati per assolvere i compiti progettuali del BID che permettono di concepire sistematicamente un nuovo prodotto Bio-Inspirato. L'aspetto più rilevante della metodologia è che nessuna conoscenza biologica è necessaria per eseguire il BID. Questo risultato è stato ottenuto grazie all'uso della matrice di correlazione NIST-BT combinata al metodo adottato per eseguire la ricerca nel database di fenomeni naturali. Inoltre, non è necessaria alcuna conoscenza in merito a parole chiave biologiche o fenomeni naturali per eseguire la ricerca. Infine, questo strumento è stato validato grazie alla dimostrazione che il problema riformulato in termini biologici è robusto sia in termini di qualità che in termini di output. Al fine di migliorare la capacità di rappresentazione dei modelli utilizzati per le attività di BID, è stato proposto un modello integrato dei due modelli causali-funzionali maggiormente diffusi ossia il SAPPhIRE ed il DANE. Il nuovo modello è stato usato per descrivere tutte le 13 fonti di ispirazione naturali individuate durante gli esperimenti. Grazie alla descrizione strutturata delle Informazioni naturali, i progettisti sono stati in grado di risolvere singolarmente ogni problema tecnico ed in nessun caso sono state adottate soluzioni di compromesso. Con l'estrazione delle informazioni naturali rappresentate nei componenti dei modelli, è stato possibile individuare una soluzione specifica per ogni problema tecnico o sotto-problema. La metodologia è stata efficace sia in termini di tempo di utilizzo che per quanto riguarda il numero di soluzioni concettuali Bio-Ispirate sviluppate cioè quattro su quattro. Queste hanno soddisfatto tutte le corrispondenti Requirements Lists. Il metodo è inoltre adatto per supportare la risoluzione sia di problemi inventivi che di problemi tecnici ordinari ossia problemi che prevedono una soluzione standard. Infine, il metodo proposto può essere inserito nei processi di sviluppo prodotto standard, al fine di utilizzare sistematicamente la natura come fonte di ispirazione. La metodologia ha dimostrato alcuni limiti. Ad esempio i progettisti sono richiesti con una limitata inerzia mentale e con una conoscenza di base sulla modellazione funzionale. Un ulteriore limite è legato alla ricerca delle fonti di ispirazione Naturale, infatti, può essere effettuata in un numero limitato di fenomeni naturali ≈2000. Con l'obiettivo di ridurre il divario tra la ricerca accademica e l’industria, sono stati imposti alla metodologia vincoli stringenti. In primo luogo, il metodo deve essere in grado di supportare la corretta individuazione della fonte di ispirazione naturale anche senza conoscenza biologica. Infatti, l’utilizzo della matrice di correlazione NIST-BT permette la creazione di link diretto tra i problemi di progettazione espressi in termini tecnici e la corrispondente classe di "soluzione della natura". In secondo luogo, la metodologia può essere adottabile dalle PMI che di solito hanno un budget limitato. Questo aspetto comportano che non sia possibile assumere consulenti di BID o biologi specializzati nella soluzione di problemi tecnici mediante l’uso di fonti di ispirazione Naturale. Si è pertanto previsto l’uso di strumenti gratuiti e/o a basso costo. Al momento, la metodologia è paper based e lo sviluppo futuro più logico è quello di implementarla in uno strumento informatico che ne supporti tutte le fasi.