Biomimikri: Kuinka luonto innostaa insinöörejä innovoimaan

Luonto on kehittynyt 3.8 miljardia vuotta täydelliseen selviytymisprosesseihin – linnunsiipien suunnittelusta kukkien pölytysmenetelmään. Sitä vastoin ihmiset ovat olleet olemassa vain murto-osan maapallon eliniästä, mutta etsimme jatkuvasti inspiraatiota luonnosta. Koko tämän ajan luonto on tarjonnut ihmiskunnalle eräänlaisen suunnitelman, jota voi seurata.

Luonto on ainutlaatuinen ainutlaatuisuudessaan, tehokas, resursseja säästävä ja itseään ylläpitävä. Sen kehittämiä malleja ja prosesseja on testattu miljoonien vuosien ajan, mikä on osoittanut tehokkuutensa erilaisissa ympäristöissä.

Esimerkiksi kuusikulmainen rakenne, jota mehiläiset käyttävät pesänsä rakentamiseen. Geometrian suuri lujuus ja vakaus tekevät siitä ihanteellisen mehiläisille samalla kun se käyttää tehokkaasti mahdollisimman vähän materiaalia. Nykyään ihmiset soveltavat tätä rakennetta eri aloilla lentokoneista ja avaruusaluksista rakentamiseen ja pakkaamiseen. Biomimikri tarkoittaa luonnollisten mallien ja prosessien tutkimista ja jäljittelyä käytännön käyttöön. Tässä artikkelissa tutkimme joitain luonnon tarjoamia malleja ja prosesseja ja kuinka niitä on mukautettu kestävämpien ihmisten tekemien rakenteiden luomiseksi.

Lentokoneet

Tunnetuin ja vanhin esimerkki biomimikrista on lentokone. Uskotaan, että kyyhkysten lento inspiroi Wrightin veljekset luomaan ensimmäisen lentokoneen, jonka he laukaisivat vuonna 1903. Kaikki nämä elementit palvelivat linnun muodosta ja siipien toimintatavasta lintujen liukumiseen ilmassa. piirustuksina nykyaikaisille lentokoneille. Näitä ominaisuuksia tutkitaan huolellisesti, ja tutkijat pyrkivät jäljittelemään niitä.

Lentokonesuunnittelijat muotoilevat siivet jäljittelemään linnun siiven kaarevaa pintaa ja luovat ilmanpaineen eron siiven ylä- ja alapuolelle nostovoiman aikaansaamiseksi. Lentokoneen perässä olevat peräsimet jäljittelevät linnun hännän höyheniä tasapainon ja suunnanhallinnan takaamiseksi. Luonnollisia suunnitteluperiaatteita soveltamalla tiedemiehet ovat luoneet ilmaa raskaamman koneen, joka voi kulkea taivaalla. Kaupallisten lentokoneiden lisäksi on tutkittu myös lintujen, kuten hanhien, V-muotoista muodostumista.

V-muotoinen muodostelma auttaa säästämään energiaa vangitsemalla ylävirran edellä olevasta linnusta, mikä vähentää energian määrää, jonka takana oleva lintu tarvitsee pysyäkseen ilmassa. Sotilaslentueet soveltavat tätä periaatetta energiatehokkuuden maksimoimiseksi.

Lue myös: 8 parasta tulevaisuuden sotilastekniikkaa, joihin kannattaa kiinnittää huomiota

tarranauha

Sveitsiläinen insinööri George de Mestral keksi tarranauhan vuonna 1941 palattuaan metsäkävelyltä ja huomattuaan takiaisen kasvien purseet, jotka tarttuivat hänen vaatteisiinsa ja koiran turkkiin. Tutkiessaan niitä mikroskoopilla de Mestral näki, että purseiden siemenissä oli pieniä koukkuja, jotka saivat ne tarttumaan vaatteisiin ja turkkiin.

Koukun suunnittelun innoittamana de Mestral loi tarranauhan, joka koostuu kahdesta osasta. Toisella puolella oli pieniä koukkuja, kun taas toisella puolella oli pieniä silmukoita. Kun molemmat puolet puristettiin yhteen, koukut tarttuivat silmukoihin muodostaen vahvan sidoksen. Liitos kuitenkin suunniteltiin riittävän lujaksi pitämään, mutta riittävän helposti irrotettavaksi riittävällä voimalla.

Nykyään tarranauhaa käytetään monenlaisissa tuotteissa vaatteista ja laukkuista lääketieteellisiin siteisiin ja kaapelien järjestäjiin. Itse asiassa, NASA Käytettiin myös tarranauhaa esineiden kiinnittämiseen ilman painovoimaa. Yksinkertaisen mutta tehokkaan siementen levityssuunnittelun innoittamana tarranauhasta on tullut jokapäiväinen elementti jokapäiväisessä elämässä. Se toimii vaihtoehtona nappeille ja vetoketjuille tarjoten etuja, kuten helppokäyttöisyyden, uudelleenkäytettävyyden ja tehokkuuden.

Lue myös: Miltä tulevaisuuden matkustajajunat näyttävät

termiittejä

Termiittikummot ovat merkittävä rakennelma, jonka termiitit ovat luoneet tarjoamaan suojaa ja säätelemään siirtokuntansa elinympäristöä. Maaperästä, pureskeltavasta puusta, lialta ja syljestä valmistetuissa kukkuloissa on keskeinen savumainen ilmanvaihtorakenne, joka on yhdistetty maanalaisiin tunneleihin ja kammioihin. Tämä muotoilu auttaa ylläpitämään optimaalista ympäristöä maanalaisilla alueilla.

Kuuma ilma nousee keskirakenteen läpi, jolloin viileämpi ilma pääsee sisään alempien aukkojen kautta. Näin varmistetaan, että ympäristö pysyy kukkuloiden sisällä ulkoisista olosuhteista riippumatta. Suunnittelu helpottaa myös ilmanvaihtoa ja kaasunvaihtoa. Nämä rakenteet voivat nousta jopa 9 metrin korkeuteen ja kestää vuosikymmeniä, mikä osoittaa niiden kestävyyden.

Termiittikumpujen innoittamana arkkitehdit ovat suunnitelleet rakennuksia, jotka jäljittelevät tätä rakennetta. Yksi tunnetuimmista esimerkeistä on Eastgate Center Zimbabwessa. Mike Pearcen suunnittelema Eastgate Center pyrkii ylläpitämään hallittua ilmastoa kuumassa ilmastossa ja samalla vähentämään jäähdytyksen energiankulutusta.

Lue myös: Miksi kryptovaluutat nousevat Trumpin voiton jälkeen: selitetty

Itsepuhdistuvat pinnat

Huolimatta siitä, että lootus on hämärässä vedessä, se pysyy puhtaana lehtiensä ultrahydrofobisen luonteen ansiosta. Pienet, vahalla peitetyt kohoumat peittävät lootuksenlehden pinnan, jolloin vesipisarat vierivät pois ja kuljettavat mukanaan likaa ja roskia. Lehden pinnan nanorakenteet (nämä pienet kohoumat) vähentävät vesipisaroiden tarttumista, jolloin ne voivat poimia pölyhiukkasia. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä "lootusefekti", jonka Barthlott ja Ehler otettiin käyttöön vuonna 1977, kun he kuvasivat lootuslehden itsepuhdistuvia ominaisuuksia.

Siitä lähtien tutkijat ovat tutkineet pinnoitteita, jotka ovat saaneet inspiraationsa lootuksenlehdistä, jotka puhdistuvat itsestään. Amerikkalainen yhtiö Sto Corp. kehitti lootusefektistä inspiraation saaneen maalin, joka hylkii likaa ja likaa.

Itsepuhdistuvien maalien, kankaiden ja pinnoitteiden lisäksi tätä menetelmää käytetään myös aurinkolämpökeräimien, liikenteenohjausanturien ja markiisimateriaalien kehittämiseen.

Lue myös: Miltä tulevaisuuden matkustajalentokoneet näyttävät

Japanin suurnopeusjunat

Kingfisherit ovat uskomattoman ketteriä ja nopeita lintuja, jotka syöksyvät saaliinsa kiinni saadakseen sen. Ne lähestyvät hiljaa, varsinkin vesistöjen läheisyydessä, jotteivät saalis järkyttyisi. Kingfisherin nokan ainutlaatuinen muotoilu antaa sille tämän edun. Siinä on kapea, pitkä ja terävä nokka, jonka halkaisija kasvaa kärjestä tyveen. Tämä muotoilu auttaa jakamaan veteen osuessa syntyvän paineen, vähentäen roiskemelua ja varmistaen tehokkaan, hiljaisen ja vakaan sukelluksen.

Japanilaiset insinöörit, jotka kehittivät Shinkansen-suurnopeusjunan, kohtasivat aluksi kovaäänisen tunnelin puomin ongelman, jonka aiheutti junan etuosaan syntyvä ilmanpaine.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi insinöörit tarkastelivat kuningaskalan nokan suunnittelua. He suunnittelivat uudelleen junan etuosan jäljittelemään nokan muotoa ja eliminoivat tunnelin puomin. Tämän rakenteen ansiosta juna pystyi liikkumaan 10 % nopeammin ja kuluttamaan 15 % vähemmän sähköä.

Lue myös: Europa Clipper: Kaikki mitä sinun tulee tietää ennen suurimman avaruusaluksen laukaisua

Innovaatioita hainnahasta

Hait tunnetaan nopeudestaan ​​ja vedenalaisen uintiosaamisestaan. Ei ole yllätys, että tutkijat ovat yrittäneet jäljitellä hain ihoa eri käyttötarkoituksiin, mukaan lukien uimapukujen ja antibakteeristen pinnoitteiden valmistukseen. Hain iho koostuu pienistä, hammasta muistuttavista rakenteista, joita kutsutaan ihohampaiksi ja jotka tuntuvat yhteen suuntaan sileältä ja toisessa sahalaitaisilta. Näillä dermaalisilla hampailla on kaksi tehtävää: ne toimivat suojaavana panssarina ja tehostavat liikkumista veden läpi.

Termi dermaaliset hampaat on osoittautunut tehokkaaksi työkaluksi haille. Häiritsemällä veden virtausta sahalaitaisilla reunoillaan, ihohampaiden hampaat vähentävät hain vetoa liikkuessaan vedessä, jolloin se voi uida nopeasti, tehokkaasti ja hiljaa. Nämä rakenteet estävät myös mikro-organismeja kiinnittymästä hain ihoon. Pienet harjanteet ihon pinnalla estävät ei-toivottuja liftaajia saamasta ilmaista kyytiä.

Tämän ainutlaatuisen pinnan inspiroimana tutkijat kopioivat sen uimapukuihin parantaakseen niiden suorituskykyä. Nämä uimapuvut menestyivät olympialaisissa niin paljon, että Kansainvälinen uimaliitto kielsi yhden niistä, Speedo LZR Racerin.

Jotkut tutkijat kuitenkin väittävät, että hainnahasta inspiroidut uimapuvut itse asiassa lisäävät ilmanvastusta kuin vähentävät sitä. Hain vartalo on paljon joustavampi kuin ihmisen, minkä vuoksi dermaaliset hampaat auttavat vähentämään vastustuskykyä. Vaikka uimapuvut kehitettiin tarkkailemalla hain ihoa, niiden menestys saattaa olla yritys-erehdys-prosessin sivutuote eikä suora kopio hain hydrodynaamisista eduista.

Hain ihoa on tutkittu myös lääketieteellisten teknologioiden, kuten sairaalan seinille levitettävien muovilevyjen, kehittämiseksi. Nämä levyt estävät bakteerien ja muiden haitallisten mikro-organismien leviämisen, koska ne eivät pysty tarttumaan seiniin.

Lue myös: Päästä päähän -salaus: mitä se on ja miten se toimii

Hunajakennorakenteet

Kuten johdannossa mainittiin, mehiläisten käyttämä kennorakenne on erittäin tehokas geometrinen muoto. Syy, miksi mehiläiset valitsivat kuusikulmaisen muodon, on ollut tieteellisen mielenkiinnon kohteena Charles Darwinin ajoista lähtien. Hän oletti, että tämä muoto oli mukautettu optimoimaan vahan tuotantoprosessia. Tämä lomake maksimoi käytettävissä olevan säilytystilan ja käyttää mahdollisimman vähän vahaa.

Vuonna 1999 amerikkalainen matemaatikko Thomas Hales osoitti, että kuusikulmio minimoi kehäalueen ja maksimoi tilan samalla kun käytetään mahdollisimman vähän materiaalia. Tämä tunnetaan "hunajakenno-oletuksena". Vahan varastoinnin lisäksi kuusikulmainen solu suojaa ja pitelee toukkia varmistaen, että vaha ei sula kuumassa ilmastossa.

Mehiläisten innoittamana tutkijat soveltavat geometriaa lentokonepeileissä, rakennusmateriaaleissa ja tuuliturbiinien siivissä. Suunnittelussa keskitytään resurssitehokkuuteen, painon ja materiaalikustannusten vähentämiseen.

Erityisesti James Webbin avaruusteleskoopin (JWST) peilit koostuvat 18 kuusikulmaisesta segmentistä, jotka on järjestetty hunajakennokuvioon. Tämä geometria maksimoi pinta-alan valon sieppausta varten säilyttäen samalla rakenteellisen eheyden ja minimoi painon, mikä on ratkaisevan tärkeää avaruustehtävissä.

Nämä ovat vain muutamia esimerkkejä biomimikristä ja siitä, miten luonto inspiroi tehokkaita suunnitteluja ja innovaatioita. Tämä luettelo ei suinkaan ole tyhjentävä, ja se koskee vain luonnon rakenteissa ja prosesseissa tehtyjä parannuksia. Nykyään tiedemiehet tutkivat monia luonnollisia järjestelmiä ja prosesseja parantaakseen olemassa olevia teknologioita.

Luonto jatkaa kehittymistään ja järjestelmiensä optimointia hyödyttäen paitsi luontoa myös innostaen ihmisiä luomaan innovaatioita, joista he voivat saada inspiraatiota.

Jos olet kiinnostunut ilmailua ja avaruusteknologiaa koskevista artikkeleista ja uutisista, kutsumme sinut uuteen projektiimme AERONAUT.media.

Lue myös:

• 6 mannertenvälistä ballistista ohjusta (ICBM), jotka voivat lopettaa maailman
• Kuinka valita polkupyörä: Aloittelijan opas ja