pendekatan biomimicry pada desain sarana search …

23

Pendekatan Biomimicry pada Desain Sarana Search and Rescue ... - Bismo Jelantik Joyodiharjo, dkk.

Volume 2 Tahun 2019

I. PENDAHULUAN

Kejadian banjir di Indonesia telah terjadi 187kali sepanjang awal 2019, dengan 177431 manusiaterdampak dan mengungsi, 60 ribu rumah rusak dantenggelam, serta 96 korban jiwa dan 80 luka-luka(BNPB, 10 Maret 2019). Sesuai dengan UU No. 29tahun 2014 pencarian dan pertolongan adalah segalausaha dan kegiatan mencari, menolong,menyelamatkan, dan mengevakuasi manusia yangmenghadapi keadaan darurat dalam kecelakaan,bencana, atau kondisi membahayakan manusia.

Badan SAR Nasional mengatakan korbantenggelam membutuhkan respon atau penangananyang cepat dengan tidak melupakan faktorkeselamatan penyelam saat melakukan pencarian,misalnya hipotermia. Peralatan berupa robot atau un-manned vehicle yang digunakan untukpenyelenggaraan pencarian dan pertolongan di airdapat membantu meringankan tugas tim SAR yangberpengaruh terhadap proses pencarian danpertolongan di air.

PENDEKATAN BIOMIMICRY PADA DESAIN SARANA SEARCH AND RESCUEDENGAN TEKNOLOGI ADDITIVE MANUFACTURING

Bismo Jelantik Joyodiharjo1, Yasraf Amir Piliang2, Dwinita Larasati3

1Fakultas Seni Rupa dan Desain, Institut Teknologi Bandungemail: [email protected]



ABSTRACT

As a young species of 200.000 years, human is part of earth ecosystem. For 3.8 billion years, other livingbeings have evolved, adapting and selected by nature, until we came and disrupt the balance. Populationgrowth and climate change impact all of earth’s ecosystem. Urbanization and deforestation resulted in floodingin parts of Indonesia. Flooding is worse in urban areas as more risks involved. The Search and Rescueoperation can benefit from remote controlled unmanned vehicles to help save people. Conventional propulsionuses propeller, however in urban flooding condition, there are lots of debris in the water and the propeller canget stuck. Biomimicry uses nature’s genius to solve problem with emphasis on sustainability. This approachseeks nature’s advice in designing an alternative solution to the propeller problem in certain condition. Mobuliformswimmers, such as Manta Rays, present a model of efficient and debris-proof propulsion that can be used inthe search and rescue unmanned vehicles. This paper will highlight the Biomimicry process in designing aSearch and Rescue vehicle, called RCM3D-SAR that uses inspiration from Manta Ray’s pectoral fins. Thedesign is based on additive manufacturing technology and form follows function approach.

Keywords: additive manufacturing, biomimicry, mobuliform, 3D print.

Permukaan air pada banjir di daerah perkotaan,memiliki banyak material apung, sampah plastik ataudaun yang dapat menghambat propulsi konvensionalyang menggunakan baling-baling, sehinggamembutuhkan pendekatan lain. Metode Biomimicrymenggunakan bentuk, susunan, fungsi danpengalaman alam yang telah berevolusi selama 3.8milyar tahun, untuk memecahkan masalah-masalahyang dihadapi oleh manusia. Dengan mempelajarihewan atau tanaman yang terdapat di alam Indonesia(khususnya ikan pari manta) maka karakteristikgerakan badan ikan tersebut dapat dimanfaatkanmenjadi sistem penggerak pada sarana SAR, sertadapat mengatasi permasalahan yang diakibatkankotoran pada permukaan air. Kementerian Kelautandan Perikanan (KKP) pada awal tahun 2014 ini telahmenetapkan pari manta sebagai jenis ikan yangdilindungi penuh melalui Kepmen KP No 4 Tahun 2014tentang Penetapan Status Perlindungan Penuh PariManta, sehingga pemanfaatan dalam sudut pandangdesain produk diharapkan juga dapat membantupelestarian dan pengertian masyarakat atasperlindungan dan pelestarian habitatnya.

24

Seminar Nasional: Seni, Teknologi, dan Masyarakat #4

Volume 2 Tahun 2019

II. KAJIAN LITERATUR DAN PEGEMBANGANHIPOTESIS

Sistem penggerak konvensional pada perahuatau sarana yang digunakan di air sudah berkembangdan bekerja baik pada kondisi normal. Penggunaanbaling-baling efektif dan efisien karena memanfaatkanputaran dari mesin bakar atau elektrik secara langsungatau direduksi dengan transmisi, dengan output berupaputaran juga. Pada saat tertentu, terdapatpermasalahan dalam fungsi propulsi yangmenggunakan baling-baling. Ketika banjir, kawasanyang sebelumnya kering menjadi terendam air,sehingga banyak kotoran yang tercampur. Kotorantersebut dapat terhisap pada arus yang dihasilkan olehbaling-baling dan kemudian menyangkut.

Gambar 1. Baling-baling yang tersangkut kotoran.Sumber: Emrhys Barrell, April 14, 2015, diunduh

dari https://www.yachtingmonthly.com/gear/propel-ler-rope-cutter-test-30012

Permasalahan baling-baling yang menyangkutpada kotoran dapat diatasi dengan alternatif sistempenggerak berbasis inspirasi dari alam yang dapatdipergunakan pada kondisi air kotor dan berisiko tinggi.Hal ini memungkinkan penggunaan sarana yangdidesain pada saat banjir, di mana banyak kotoranyang semula berada di dasar permukaan keringmenjadi naik dan tercampur oleh air. Kotoran yangtercampur ini memiliki densitas yang beragam,sehingga berada dalam banyak tingkat kedalamanpermukaan air. Sampah dengan densitas ringan,misalnya plastik dan daun-daunan akan mengapungatau berada pada kedalaman yang dangkal sehinggamenjadi risiko ketika menggunakan baling-baling.

Biomimicry menggunakan pendekatan alamuntuk menyelesaikan masalah. Dengan mempelajarisistem, susunan, pola dan fungsi dari alam, kemudianmengabstraksi dan menggabungkan dengan inovasidesain dan teknologi, kita dapat mencari solusi padapermasalahan baling-baling yang menyangkut pada

kotoran. Tahap pertama adalah mengamati bagaimanaalam bergerak pada kondisi air yang banyak kotoran,misalnya ikan yang dapat bermanuver dengan baikpadahal airnya bercampur dengan kotoran nabatimaupun hewani.

Gambar 2. Kerangka dari ikan Pari Manta. Sumber:Petrel (2009) diunduh dari http://www.elasmo-

research.com

Ikan pari manta merupakan mahluk alam yangmemiliki sistem penggerak alami yang unik. Termasukkeluarga hiu, ikan ini beradaptasi dan berevolusi baikdari fungsi dan bentuk. Dengan sirip penggerak hori-zontal dan bentuk yang mendatar, hewan ini berbedadengan ikan pada umumnya. Dengan menggerakkansirip yang menyatu dengan tubuhnya, ikan pari mantamemiliki layout yang dapat dipergunakan sebagaiinspirasi untuk sarana air. Sebagai bagian dari ikan-ikan batoidea, ikan pari manta bergerak denganmengepak sirip dada (pectoral fins) yang sangat besar.Mereka adalah perenang yang sangat efisien dandapat bergerak cepat dengan jarak yang jauh.

Gambar 3. Dua mode gerakan renang ikan parimanta. Sumber: Urai, K. Ishiguro Lab, 2015,

diunduh dari http://member.irl.sys.es.osaka-u.ac.jp/urai-1/research-interests

Ada dua gerakan utama renang yang menjadikarakteristik ikan ini, yaitu mobuliform dan rajiform.Mobuliform adalah mengepakkan sirip dada ke atasdan ke bawah, menyerupai gerakan sayap padaburung. Sedangkan gerakan rajiform adalahpenggunaan lebih dari satu gelombang pada siripdisaat yang bersamaan, sehingga dapat menghasilkankemampuan manuver yang gesit.

25


Volume 2 Tahun 2019

Gambar 4. Urutan gerakan mobuliform pada siripdada ikan Pari Manta yang menghasilkan propulsi.

Sumber: Morton, J. dalam Fish, F.E., 2016.

Biomimicry adalah emulasi secara sadar darikepintaran alam. Dengan intensi aktif dalam mencariprinsip dan strategi alam sebelum mendesain sesuatu(Benyus, J). Lebih mendalam lagi, emulasi adalahmeniru pelajaran desain secara cermat dalam hal yangkita pelajari dari dunia natural di alam, denganpertimbangan utama yaitu keberlanjutan. Selama 3,8milyar tahun alam telah berevolusi, adaptasi danbertahan, jauh melebihi research and development dariproduk industri yang telah diciptakan oleh manusiasampai era 4.0 ini. Bentuk, proses dan sistemmerupakan alat inovasi dalam melihat alam sebagaisumber inspirasi.10 pola pemersatu alam:1. Alam hanya menggunakan energi bebas secara

secukupnya.2. Alam mendaur ulang semua materialnya.3. Alam bertahan terhadap gangguan.4. Alam cenderung mengoptimalkan daripada

memaksimalkan.5. Alam menyediakan keuntungan bersama.6. Alam bekerja berdasarkan informasi.7. Alam menggunakan bahan dan material yang aman

bagi makhluk hidup.8. Alam dibangun menggunakan sumber daya yang

melimpah, menggabungkan sumber daya langkasecara hemat.

9. Alam bersifat selaras dan responsif padalingkungan sekitarnya.

10.Alam menggunakan dan memanfaatkan bentukuntuk menentukan fungsionalitas.

Alam memanfaatkan material dan sumberdaya yang tersedia secara optimal dan efisien. Dalamproses kehidupannya tidak menciptakan polusi atauzat kimia yang tidak dapat didaur ulang. Secara garis

besar, alam memanfaatkan reinkarnasi dan upcycle.Contohnya dimulai dari pohon, jamur, tikus, elang,bakteri, kompos, kembali menjadi kayu dan berputarkembali.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Tahap desain dimulai dengan prosespencarian ide dan visual brainstorming. Tujuan utamadari proses ini adalah desain yang inovatif namun dapatdiproduksi. Pendekatan konseptual digabung denganpraktikal. Konsep biomimicry yang memanfaatkankemampuan alam dalam memecahkan permasalahan,diabstraksi untuk kemudian diproses menjadi desainyang solutif serta mampu diproduksi.

Gambar 5. Sketsa brainstorming biomimicryalternatif fungsi dari ikan Pari Manta. Sumber:

Catatan kuliah DP3007, Mahasiswa: Lintang, R danBaras, M.A., Dosen: Joyodiharjo, B.J., 2019.

Proses brainstorming tersebut dilanjutkandengan analisa struktur dan fungsi (gambar X) untukmenghasilkan batasan desain. Batasan desaintersebut kemudian dikembangkan secara digital untukmenghasilkan sebuah sistem yang terdiri daribeberapa komponen sesuai fungsinya.

Gambar 6. Penerapan struktur fungsi ikan Pari Mantauntuk aplikasi Propulsi, pada biomimetic design flow,

Cohen, Y. H. dan Reich, Y., Biomimetic DesignMethod for Innovation and Sustainability, hal. 123

26

Seminar Nasional: Seni, Teknologi, dan Masyarakat #4

Volume 2 Tahun 2019

Desain yang dibuat diberi nama RCM3D-SARyang merupakan singkatan dari Remote ControlledManta Ray 3D Search and Rescue. Penggunaanmetode digital dibutuhkan untuk menghasilkan desainyang presisi dan mudah untuk disesuaikan dengankomponen penggerak yang tersedia di pasaran. Desainkomponen yang akan diprint 3D jugamempertimbangkan kemudahan dalam prosesproduksi, dengan parameter yang sudah ditentukansebelumnya yaitu efisiensi material. Pendekatan formfollows function digunakan untuk mendukung konsepdesain yang ramah lingkungan. Desain RCM3D-SARini menghindari kompleksitas, baik dalam tahapproduksi, penggunaan maupun pemeliharaan.

Gambar 7. Gambar tampak dan isometri, desainrapid prototype RCM3D-SAR, Sumber: Joyodiharjo,

B.J., 2019.

Propulsi diperoleh dari putaran motor listrikyang ditransmisikan melalui poros engkol dan link-age sehingga menghasilkan gerakan tarik dan dorong.Gerakan tersebut disambung dengan sirip denganmaterial sirip keras yang bergerak naik turun. Siriptersebut disambung dengan material sirip lembek,sehingga menghasilkan dorongan air ke belakang,seperti gerakan mobuliform pada ikan Pari Manta.

Gambar 8. Mekanisme gerak mobuliform dariRCM3D-SAR. Sumber: Joyodiharjo, B.J., 2019.

Manuver RCM3D-SAR ini menggunakanprinsip sederhana seperti yang digunakan padabanyak kendaraan dengan dual propulsion. Perahu

katamaran dan tank menggunakan perbedaan dayaatau kecepatan pada salah satu bagiannya untukberbelok. Gerakan mobuliform dapat diatur independenpada sirip kiri dan kanan (gambar 9).

Gambar 9. Mekanisme manuver dari RCM3D-SAR.Sumber: Joyodiharjo, B.J., 2019.

Optimasi pada desain komponen dalam sistempenggerak dan badan dari RCM3D-SAR ini dilakukansejak awal untuk mendukung metode produksinya.Pendekatan additive manufacturing, khususnya FDM(Fused Deposition Modeling) yang hemat energi danmaterial, menghindari penggunaan support materialdalam jembatan atau bentuk yang menggantung.Desain setiap komponen mempertimbangkankekuatan dan fungsi utama yang dioptimasikan dengansudut dan ketebalan yang sesuai.

Gambar 10. Komponen RCM3D-SAR menggunakanpendekatan metode Additive Manufacturing, tidak

membutuhkan support material. Sumber:Joyodiharjo, B. J., 2019.

Material yang digunakan adalah filamenbioplastik PLA (Polylactic Acid) yang mudah didapatdan tidak membutuhkan temperatur yang tinggi. Ma-terial PLA berasal dari tebu atau jagung, merupakanmaterial yang lebih ramah lingkungan dibandingkanf ilamen lain. Penggunaan material lain jugadimungkinkan, khususnya filamen ramah lingkungandan daur ulang yang terus berkembang. Temperaturyang digunakan pada proses printing prototype iniadalah 220oC untuk nozzle hot end dan 55oC untukheated bed, sedangkan untuk infill menggunakan set-

27


Volume 2 Tahun 2019

ting 20-80% dengan pattern honeycomb. Kerapatanlubang untuk baut, bearing dan seal juga menjadipertimbangan, dengan toleransi 0.25mm diantarasambungan. Baut menggunakan ukuran M3 (3mil imeter) dengan panjang yang disesuaikankebutuhan. Bearing untuk linkage dan siripmenggunakan ukuran 3x6x2.5mm (MR63ZZ) yangbanyak tersedia di pasaran. Motor penggerakmenggunakan dua buah worm geared high torque 12VDC motor, dengan spesifikasi 25 RPM (Revolution perminnute). Motor penggerak ini menggunakan outputshaft 6 mm. Untuk menjaga kedap air, maka terdapatdudukan untuk oil seal pada poros tersebut, denganukuran I.D. (Internal diameter) 6 mm, O.D. (Outer di-ameter) 12 mm dan ketebalan 2 mm. Sumber dayalistrik DC (Direct current) dihasilkan oleh sebuahbaterai Lithium Polymer 2000 mAh, 2S (atau 3S) danESC (Electronic Speed Controller) tipe brushed, 1060WP dari Hobbywing yang berjumlah dua buah. Trans-mitter dengan mode mixing dibutuhkan untuk dapatmengontrol gerakan tank mode di mana untuk berbelokdibutuhkan kecepatan yang berbeda diantara duamotor listrik. Dua channel pada transmitter digunakanuntuk motor penggerak, sedangkan sebuah channellagi digunakan untuk mengontrol servo pada siripbelakang.

RCM3D-SAR yang digunakan untuk pencariankorban banjir atau keperluan SAR lain nya, memilikisepasang lampu LED (Light emitting diode) padabagian depannya untuk mendukung penggunaankamera GoPro atau sejenisnya. Dudukan kamera jugamenjadi pertimbangan, dengan ketebalan material dandistribusi berat yang sesuai dengan penggunaan. Tutupatas dapat dibuka dengan mudah untuk penggantianbaterai, dan pemeliharaan part lainnya. Komponenyang digunakan adalah komponen standar yangbanyak tersedia di pasaran, sehingga apabila terjadikerusakan dapat mudah diganti. Dengan metode ad-ditive manufacturing, komponen yang rusak dapat di3D print kembali dan file digitalnya pun dapat disharemelalui platform online.

IV. KESIMPULAN

Metode biomimicry dapat digunakan untukmencari desain alternatif pada sistem propulsikonvensional yang dapat terjerat dan menyangkut

pada kondisi banjir dengan air yang banyak kotoran.Pada pengembangan desain RCM3D-SAR, baling-baling dapat digantikan dengan sirip yang terinspirasidari susunan, pola dan fungsi perenang mobuliform,yaitu ikan Pari Manta. Strategi desain digital tanpasupport material dalam metode produksi additivemanufacturing dapat menghemat bahan dan waktu,sesuai dengan prinsip keberlanjutan dalam pendekatanBiomimicry.

DAFTAR PUSTAKA

Benyus, J. M. (1997), Biomimicry, Innovation Inspiredby Nature, HarperCollins e-books

Cohen, Y. H., Reich, Y. (2016), Biomimetic DesignMethod for Innovation and Sustainability,Springer.

Christopher Williams (2013), Origins of Form, theShape of Natural and Man-made Things,Taylor Trade Publishing. Erwinatu. (2002),Saba Baduy: Sebuah Perjalanan WisataBudaya Inspiratif, PT Gramedia PustakaUtama.

Fish, F.E., Hydrodynamic Performance Of AquaticFlapping: Efficiency Of Underwater Flight InThe Manta, Biomechanics Commons, 9-2016.

Krippendorff, K. (2006), The Semantic Turn, a NewFoundation for Design, CRC Press, Taylor& Francis Group.

Moored, K. W. dkk (2011), Bioinspired PropulsionMechanisms Based on Manta Ray Loco-motion, Marine Technology Society Journal,Vol. 45, No. 4.

Sugiharto, B. (2018). SD7004 Filsafat Kebudayaan[Discussion group].

Urai, K. Ishiguro Laboratorium, Research Interest,online http://member.irl.sys.es.osaka-u.ac.jp/urai-1/research-interests, 2015.

pendekatan biomimicry pada desain sarana search …

Documents