Diretrizes para pesquisas em materiais vegetais com análises por elementos finitos baseadas em microtomografia de raios X e implicações para projetos de biônica em design e engenharia

A combinação de análises morfológicas e por elementos finitos (FEA) baseadas em imagens de microtomografia de raios X (μCT) representa uma das mais avançadas abordagens para estudo 3D de materiais de maneira não-invasiva e de alta resolução, tendo seu uso crescente nos últimos anos para diversos ramos da ciência. Contudo, é notável o ainda pouco explorado uso de FEA e μCT para materiais de origem vegetal. De maneira relacionada, o profissional em design possui potencial para trabalhar com pesquisadores de diversas áreas, promovendo o uso de novas tecnologias que possam conduzir a resultados inovadores. Desse modo, esta tese apresenta o desenvolvimento de diretrizes gerais para auxiliar pesquisadores a trabalhar com a investigação por meio de FEA baseada em μCT, com foco em materiais vegetais. Com uma revisão teórica sobre os principais tópicos relacionados às técnicas, desde o papel do designer em pesquisas, a importância da investigação de materiais de origem vegetal, os fundamentos de μCT e de FEA baseada em bioimagens, foram fundamentados e seguidos três estudos de caso de pesquisa científica, levando a novas interpretações sobre a morfologia, estrutura, e funcionalidade de amostras vegetais e de dois estudos de caso de aplicações das informações obtidas em projetos de biônica de design e engenharia. Os resultados incluem contribuições científicas, oriundas dos estudos de caso, e de contribuições técnicas, relacionadas à escolha dos métodos mais adequados para as análises de μCT e FEA. Por fim, foram desenvolvidas diretrizes básicas para auxiliar demais pesquisadores no que diz respeito à preparação de amostras, realização da digitalização por μCT, pós-processamento de imagens, discretização de malhas e execução de análises por elementos finitos.Combining morphological and finite element (FEA) analyses based on X-ray microtomography imaging (μCT) represents one of the most advanced approaches to noninvasive and high-resolution 3D studies of materials, showing an increased use in recent years for several fields of science. However, the still little explored application of FEA and μCT for materials of plant origin is noteworthy. In a related way, designer has shown a potential to work with researchers from different areas, by promoting the use of new technologies that could lead to innovative results. Thus, this thesis presents the development of general guidelines to assist scientists working with investigations by means of FEA based on μCT, focusing on plant materials. With a theoretical review on the main topics related to the techniques, from the role of the designer in researches, the importance of the investigation of plant materials, the fundamentals of μCT, and FEA based on bioimaging, three case studies of scientific research were substantiated and followed, leading to new interpretations regarding the morphology, structure, and functionality of plant samples, and two case studies of application of the gathered information into bionic projects of design and engineering. Results include scientific contributions from the case studies and technical contributions related to the selection of the most appropriate methods for the analysis of μCT and FEA. Finally, basic guidelines were developed aiming to assist other researchers in the preparation of samples, the execution of μCT scanning, post-processing of images, discretization of meshes and conduction of finite element analysis

The importance of STEAM facing the new challenges of higher education and multidimensional research in Design

O STEAM é uma das principais práticas da atualidade no que diz respeito a uma abordagem transdisciplinar envolvendo diferentes campos do conhecimento. Com as novas perspectivas de avaliação da graduação e da avaliação multidimensional da pós-graduação em Design no Brasil, surgem desafios na formação do estudante no que tange sua integração com diferentes locais de fala e sua participação em ambientes de pesquisa. Neste trabalho, refletimos sobre a importância da prática do STEAM em pesquisas em Design, através de casos de aplicação de tecnologias 3D de investigação, representação e fabricação. Apresentamos um exemplo prático da ligação entre as áreas por meio do desenvolvimento de um objeto de uso cotidiano com um software generativo e impressão 3D, referenciado no binômio arte-tecnologia, advindos do diagrama matemático de Voronoi que se faz presente em muitos elementos naturais. Por fim, é mostrado o papel do STEAM na integração de áreas e frente aos novos critérios da avaliação multidimensional, bem como a importância dos ambientes de pesquisas capazes de abarcar essas tecnologias, fornecendo, assim, ao aluno um estímulo e o ambiente necessário à sua formação de excelência.STEAM is one of today’s main practices concerning a transdisciplinary approach involving different fields of knowledge. With the new perspectives for evaluating undergraduate courses and a multidimensional evaluation of graduate programs in Design in Brazil, challenges arise in the students’ training regarding their integration with different standpoint speech and their participation in research environments. In this work, we reflect on the importance of the practice of STEAM in Design research, through cases of 3D technologies in the investigation, representation, and manufacturing. We present a practical example of link among areas through the development of a daily use object with generative software and 3D printing, referenced in the art-technology binomial, arising from Voronoi mathematical diagram. Finally, the STEAM role is showed in the integration of areas and facing the new criteria of multidimensional evaluation, and the importance of research environments capable of embracing such technologies, thus providing students with a stimulus and the necessary environment for their excellence in training

Projetos experimentais com materiais problemáticos no ensino de joalheria

Contemporary jewelry is characterized by a greater appeal to sustainability attributes, turning its attention to current needs. In Municipal Solid Waste treatment, one of the main associated issues is the lack of interest in the commercialization of certain sorted materials, which have almost zero commercial value. Thus, increasing the value of waste can be a tool to enable its use as secondary material, which is a practice that should be encouraged in the teaching of disciplines associated with Design courses. This article covers the theme of design experiments with a focus on sustainability and is aimed at jewelry education. Three projects developed by students are presented, which include the use of problematic materials, i.e., which have no commercial interest and would be wasted, even after selective collection. The projects include the processes of problem definition, research, and experimentation, for the development of jewelry which include as a highlight material: glass, aluminum from coffee capsules, and naturally dyed wood. The examples demonstrate that sustainable design practices can be carried out even by hand and can bring direct benefits by valuing wast

DESIGN E SUSTENTABILIDADE: PRÁTICAS EXPERIMENTAIS COM MATERIAIS PROBLEMÁTICOS NO ENSINO DE JOALHERIA CONTEMPORÂNEA: DESIGN AND SUSTAINABILITY: EXPERIMENTAL PRACTICES WITH PROBLEMATIC MATERIALS IN CONTEMPORARY JEWELRY EDUCATION

Contemporary jewelry is characterized by a greater appeal to sustainability attributes, turning its attention to current needs. In Municipal Solid Waste treatment, one of the main associated issues is the lack of interest in the commercialization of certain sorted materials, which have almost zero commercial value. Thus, increasing the value of waste can be a tool to enable its use as secondary material, which is a practice that should be encouraged in the teaching of disciplines associated with Design courses. This article covers the theme of design experiments with a focus on sustainability and is aimed at jewelry education. Three projects developed by students are presented, which include the use of problematic materials, i.e., which have no commercial interest and would be wasted, even after selective collection. The projects include the processes of problem definition, research, and experimentation, for the development of jewelry which include as a highlight material: glass, aluminum from coffee capsules, and naturally dyed wood. The examples demonstrate that sustainable design practices can be carried out even by hand and can bring direct benefits by valuing waste.La joyería contemporánea se caracteriza por una mayor apelación a los atributos de sostenibilidad, dirigiendo su atención a las necesidades actuales. En el tratamiento de los Residuos Sólidos Urbanos una de las principales cuestiones asociadas es la falta de interés en la comercialización de ciertos materiales clasificados, que casi no tienen valor comercial. Así, aumentar el valor de los residuos puede ser una herramienta para posibilitar su utilización como material secundario, una práctica que debería ser estimulada en la enseñanza de las disciplinas asociadas a los cursos de Diseño. Este artículo aborda el tema de los experimentos de proyectos centrados en la sostenibilidad y destinados a la enseñanza de la joyería. Se presentan tres proyectos desarrollados por estudiantes, que abarcan el uso de materiales problemáticos, es decir, que no tienen interés comercial y serían desperdiciados, incluso después de una recogida selectiva. Los proyectos incluyen los procesos de definición del problema, investigación y experimentación, para el desarrollo de joyas entre las que destacan: vidrio, aluminio a partir de cápsulas de café y madera con tinte natural. Los ejemplos demuestran que es posible llevar a cabo prácticas de diseño sostenible, incluso de forma artesanal, y que pueden aportar beneficios.A joalheria contemporânea caracteriza-se por um maior apelo a atributos de sustentabilidade, voltando sua atenção às necessidades atuais. No tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos uma das principais questões associadas é a falta de interesse na comercialização de determinados materiais triados, que possuem valor comercial quase nulo. Desse modo, aumentar o valor de resíduos pode ser uma ferramenta para possibilitar sua utilização como material secundário, prática que deve ser estimulada no ensino de disciplinas associadas a cursos de Design. Este artigo abrange a temática de experimentações projetuais com foco em sustentabilidade e voltadas ao ensino de joalheria. São apresentados três projetos desenvolvidos por alunos que englobam a utilização de materiais problemáticos, i.e., que não possuem interesse comercial e seriam desperdiçados, mesmo após a coleta seletiva. Os projetos incluem os processos de definição do problema, pesquisa e experimentação, para o desenvolvimento de joias incluindo como destaque: vidro, alumínio proveniente de cápsulas de café e madeira com tingimento natural. Os exemplos demonstram que práticas de projetos sustentáveis são possíveis de serem executadas mesmo artesanalmente, e podem trazer benefícios diretos ao valorizarem rejeitos

DESIGN E SUSTENTABILIDADE: PRÁTICAS EXPERIMENTAIS COM MATERIAIS PROBLEMÁTICOS NO ENSINO DE JOALHERIA CONTEMPORÂNEA: DESIGN AND SUSTAINABILITY: EXPERIMENTAL PRACTICES WITH PROBLEMATIC MATERIALS IN CONTEMPORARY JEWELRY EDUCATION

Contemporary jewelry is characterized by a greater appeal to sustainability attributes, turning its attention to current needs. In Municipal Solid Waste treatment, one of the main associated issues is the lack of interest in the commercialization of certain sorted materials, which have almost zero commercial value. Thus, increasing the value of waste can be a tool to enable its use as secondary material, which is a practice that should be encouraged in the teaching of disciplines associated with Design courses. This article covers the theme of design experiments with a focus on sustainability and is aimed at jewelry education. Three projects developed by students are presented, which include the use of problematic materials, i.e., which have no commercial interest and would be wasted, even after selective collection. The projects include the processes of problem definition, research, and experimentation, for the development of jewelry which include as a highlight material: glass, aluminum from coffee capsules, and naturally dyed wood. The examples demonstrate that sustainable design practices can be carried out even by hand and can bring direct benefits by valuing waste.La joyería contemporánea se caracteriza por una mayor apelación a los atributos de sostenibilidad, dirigiendo su atención a las necesidades actuales. En el tratamiento de los Residuos Sólidos Urbanos una de las principales cuestiones asociadas es la falta de interés en la comercialización de ciertos materiales clasificados, que casi no tienen valor comercial. Así, aumentar el valor de los residuos puede ser una herramienta para posibilitar su utilización como material secundario, una práctica que debería ser estimulada en la enseñanza de las disciplinas asociadas a los cursos de Diseño. Este artículo aborda el tema de los experimentos de proyectos centrados en la sostenibilidad y destinados a la enseñanza de la joyería. Se presentan tres proyectos desarrollados por estudiantes, que abarcan el uso de materiales problemáticos, es decir, que no tienen interés comercial y serían desperdiciados, incluso después de una recogida selectiva. Los proyectos incluyen los procesos de definición del problema, investigación y experimentación, para el desarrollo de joyas entre las que destacan: vidrio, aluminio a partir de cápsulas de café y madera con tinte natural. Los ejemplos demuestran que es posible llevar a cabo prácticas de diseño sostenible, incluso de forma artesanal, y que pueden aportar beneficios.A joalheria contemporânea caracteriza-se por um maior apelo a atributos de sustentabilidade, voltando sua atenção às necessidades atuais. No tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos uma das principais questões associadas é a falta de interesse na comercialização de determinados materiais triados, que possuem valor comercial quase nulo. Desse modo, aumentar o valor de resíduos pode ser uma ferramenta para possibilitar sua utilização como material secundário, prática que deve ser estimulada no ensino de disciplinas associadas a cursos de Design. Este artigo abrange a temática de experimentações projetuais com foco em sustentabilidade e voltadas ao ensino de joalheria. São apresentados três projetos desenvolvidos por alunos que englobam a utilização de materiais problemáticos, i.e., que não possuem interesse comercial e seriam desperdiçados, mesmo após a coleta seletiva. Os projetos incluem os processos de definição do problema, pesquisa e experimentação, para o desenvolvimento de joias incluindo como destaque: vidro, alumínio proveniente de cápsulas de café e madeira com tingimento natural. Os exemplos demonstram que práticas de projetos sustentáveis são possíveis de serem executadas mesmo artesanalmente, e podem trazer benefícios diretos ao valorizarem rejeitos

LIXO INVISÍVEL: CONTRIBUIÇÃO DO DESIGN PARA RECUPERAÇÃO DE MATERIAIS PROBLEMÁTICOS: INVISIBLE WASTE: DESIGN’S CONTRIBUTION FOR THE RECOVERY OF PROBLEMATIC MATERIALS

The recovery of urban solid waste is a matter of global importance, and, in Brazil, it is dependent on the destination that the material will have after its disposal. Generally, if the waste is properly separated and has a commercial interest, it can be recycled; otherwise, it is wasted, leading to environmental, economic, and social problems. Often these materials are widely regarded as problematic, due to their obvious difficulties in recycling them, whether for technical or sanitary reasons. However, a large group of problematic waste hasgone unnoticed by the public, as it is often not considered as such. Therefore, the objective of this paper is to discuss the issue of the “invisible” waste, i.e., materials that, although technically easy to be recycled, have no commercial interest and are then prematurely discarded, in addition to being unknown by the public. Main examples of these materials are cited as well as ways are presented in which Design can contribute to adding value and reinserting them into new production cycles and, finally, it is discussed how this can impact society as a whole.A recuperação dos resíduos sólidos urbanos é uma questão de importância global e, no Brasil, é totalmente dependente do destino que o material terá após o descarte. De maneira geral, se o resíduo é separado corretamente e possui interesse comercial, ele pode ser reciclado; caso contrário é desperdiçado, levando a problemas ambientais, econômicos e sociais. Muitas vezes esses materiais são amplamente considerados como problemáticos, devido às suas óbvias dificuldades em realizar sua reciclagem, seja por motivos técnicos ou sanitários. Entretanto, um grande grupo de resíduos problemáticos tem passado despercebido pelo público, por muitas vezes não ser considerado como tal. Este artigo aborda a questão dos resíduos “invisíveis”, materiais que, embora sejam tecnicamente fáceis de serem reciclados, não possuem interesse comercial e são prematuramente descartados. São abordados exemplos principais desses materiais bem como são apresentadas formas sobre como o Design pode contribuir para valorizá-los e reinseri-los em novos ciclos produtivos e, por fim, é discutido como isso pode impactar a sociedade como um todo

LIXO INVISÍVEL: CONTRIBUIÇÃO DO DESIGN PARA RECUPERAÇÃO DE MATERIAIS PROBLEMÁTICOS: INVISIBLE WASTE: DESIGN’S CONTRIBUTION FOR THE RECOVERY OF PROBLEMATIC MATERIALS

The recovery of urban solid waste is a matter of global importance, and, in Brazil, it is dependent on the destination that the material will have after its disposal. Generally, if the waste is properly separated and has a commercial interest, it can be recycled; otherwise, it is wasted, leading to environmental, economic, and social problems. Often these materials are widely regarded as problematic, due to their obvious difficulties in recycling them, whether for technical or sanitary reasons. However, a large group of problematic waste hasgone unnoticed by the public, as it is often not considered as such. Therefore, the objective of this paper is to discuss the issue of the “invisible” waste, i.e., materials that, although technically easy to be recycled, have no commercial interest and are then prematurely discarded, in addition to being unknown by the public. Main examples of these materials are cited as well as ways are presented in which Design can contribute to adding value and reinserting them into new production cycles and, finally, it is discussed how this can impact society as a whole.A recuperação dos resíduos sólidos urbanos é uma questão de importância global e, no Brasil, é totalmente dependente do destino que o material terá após o descarte. De maneira geral, se o resíduo é separado corretamente e possui interesse comercial, ele pode ser reciclado; caso contrário é desperdiçado, levando a problemas ambientais, econômicos e sociais. Muitas vezes esses materiais são amplamente considerados como problemáticos, devido às suas óbvias dificuldades em realizar sua reciclagem, seja por motivos técnicos ou sanitários. Entretanto, um grande grupo de resíduos problemáticos tem passado despercebido pelo público, por muitas vezes não ser considerado como tal. Este artigo aborda a questão dos resíduos “invisíveis”, materiais que, embora sejam tecnicamente fáceis de serem reciclados, não possuem interesse comercial e são prematuramente descartados. São abordados exemplos principais desses materiais bem como são apresentadas formas sobre como o Design pode contribuir para valorizá-los e reinseri-los em novos ciclos produtivos e, por fim, é discutido como isso pode impactar a sociedade como um todo

Dispositivo de auxílio à locomoção de pessoas com deficiência visual equipado com sensores ultrassônicos e roda direcional esférica

Universidade Federal do Rio Grande do SulArquiteturaDepositad

Design and cellular material selection : characterization and analysis of cork and polymeric foams

Os materiais celulares possuem propriedades interessantes para aplicação no design. Dentre os mais conhecidos destacam-se a cortiça e alternativas poliméricas sintéticos bioinspirados no material natural. Contudo, pouco tem sido estudado em termos da relação entre a microestrutura e propriedades para aplicações no design de produto. Esta pesquisa apresenta a caracterização e comparação de materiais celulares através de um estudo de caso de rolhas, com foco na seleção de materiais, e relacionando a densidade relativa e porosidade das amostras com as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV), termogravimetria (TGA) e ensaios de compressão. As análises foram realizadas em amostras de rolhas confeccionadas fora do Brasil em cortiça natural e aglomerada, e de alternativas sintéticas de polipropileno expandido e EVA. As imagens via MEV apresentam a replicação do padrão celular da cortiça nas alternativas sintéticas. Os ensaios de compressão foram relacionados e discutidos quanto às propriedades mecânicas e à característica celular dos materiais. Foi, também, discutido como a microestrutura dos materiais celulares, sejam naturais ou sintéticos, reflete diretamente nas suas propriedades termomecânicas, bem como considerações na seleção de materiais para projetos de design. Foi possível concluir, ainda, que a análise por TGA mostrou a cortiça natural como um material mais homogêneo em comparação com a aglomerada, já as amostras sintéticas apresentaram-se mais resistentes à degradação térmica.Cellular materials present interesting properties for application in design. Among the most well-known are cork and synthetic polymer alternatives, bio-inspired in the plant material. However, little has been studied about the relationship between microstructure and properties for applications in product design. This research aims the characterization and comparison of cellular materials through a case study of stoppers, with focus on material selection, and relating the relative density and porosity of the samples with techniques of scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetry (TGA) and compression tests. The analyzes were carried out on samples of natural and agglomerated cork and synthetic alternatives of expanded polypropylene and EVA. SEM images show the replication of the cork cell pattern in synthetic alternatives. Compression tests were related and discussed regarding the mechanical properties and the cellular characteristics of the materials. How the microstructure of both natural and synthetic cellular materials directly reflects on their thermomechanical properties was discussed, as well as considerations in the materials selection for design projects. Additionally, it could be concluded that TGA analyses showed natural cork as a more homogeneous material in comparison to the agglomerate, whereas the synthetic samples were more resistant to thermal degradation

From light microscopy to X-ray microtomography: observation and analysis technologies in transdisciplinary approaches for bionic design and botany

Recent achievements in bioinspired designs closely follow growing advances in observation technologies which are essential for comprehending a biological structure or system and correctly adapting them in a project. Likewise, different areas of classical disciplines, such as plant sciences, are even being rewritten thanks to the progress of newer technologies. This paper addresses the impact the use of observation technologies has on the development of state-of-the-art botany research as well as its applications in bionic designs. From light microscopy (LM) to X-ray microtomography (µCT), we present examples of how multiple technologies are contributing to innovations and newer discoveries in plant morphology and anatomy, answering important questions about structure/ function. The evolution of observation technologies is discussed, showing how they are impacting the comprehension of multiple plant characteristics and their consequential adaptation and use in bioinspired projects by examples. Essentially, the transdisciplinary approach of connecting professionals from multiple fields is considered essential for the progress obtained both in bionics and botany. By including newer observation technologies in their research workflow, designers and botanists could benefit from different perspectives in the investigation and application of their findings.Los logros recientes en diseños bioinspirados siguen de cerca los crecientes avances en las tecnologías de observación que son esenciales para comprender una estructura o sistema biológico y adaptarlos correctamente en un proyecto. Asimismo, diferentes áreas de disciplinas clásicas, como las ciencias vegetales, incluso se están reescribiendo gracias al avance de las nuevas tecnologías. Este artículo aborda el impacto que tiene el uso de tecnologías de observación en el desarrollo de la investigación botánica de vanguardia, así como sus aplicaciones en diseños biónicos. Desde microscopía óptica (LM) hasta microtomografía de rayos X (µCT), presentamos ejemplos de cómo múltiples tecnologías están contribuyendo a innovaciones y descubrimientos más recientes en morfología y anatomía de plantas, respondiendo preguntas importantes sobre estructura / función. Se discute la evolución de las tecnologías de observación, mostrando cómo están impactando la comprensión de múltiples características de las plantas y su consiguiente adaptación y uso en proyectos bioinspirados mediante ejemplos. Esencialmente, el enfoque transdisciplinario de conectar profesionales de múltiples campos se considera fundamental para el progreso obtenido tanto en biónica como en botánica. Al incluir nuevas tecnologías de observación en su flujo de trabajo de investigación, los diseñadores y botánicos podrían beneficiarse de diferentes perspectivas en la investigación y aplicación de sus hallazgos.Conquistas recentes em designs bioinspirados seguem de perto os avanços crescentes nas tecnologias de observação, que são essenciais para compreender uma estrutura ou sistema biológico e adaptá-los corretamente em um projeto. Da mesma forma, diferentes áreas de disciplinas clássicas, como as ciências das plantas, estão até mesmo sendo reescritas graças ao progresso de novas tecnologias. Este artigo aborda o impacto do uso de tecnologias de observação no desenvolvimento da pesquisa botânica de ponta, bem como em suas aplicações em projetos biônicos. Da microscopia de luz (LM) à microtomografia de raios-X (µCT), apresentamos exemplos de como várias tecnologias estão contribuindo para inovações e novas descobertas em morfologia e anatomia vegetal, respondendo a questões importantes sobre estrutura / função. A evolução das tecnologias de observação é discutida, mostrando como elas estão impactando a compreensão das múltiplas características das plantas e sua consequente adaptação e uso em projetos bioinspirados por meio de exemplos. Essencialmente, a abordagem transdisciplinar de conectar profissionais de múltiplas áreas é considerada essencial para o progresso obtido tanto na biônica quanto na botânica. Incluindo novas tecnologias de observação em seu fluxo de trabalho de pesquisa, designers e botânicos podem se beneficiar de diferentes perspectivas na investigação e aplicação de suas descobertas