Енциклопедия

Биомимикрия -

В процъфтяващата област на биомимикрията, в която инженери, изследователи и архитекти търсят отговорите на често срещаните дизайнерски проблеми в биологичния свят, 2014 г. се разви като богата година за иновации в роботиката, зелените технологии и медицината. Учените и инженерите официално признаха стойността на прилагането на еволюционно подбрани черти към трудни предизвикателства в дизайна и разработиха огромен брой нови технологии, вдъхновени от живите организми. От роботизирани октоподи до слънчеви клетки от молец, биомимикрията оформя начина, по който се решават инженерните предизвикателства, предвещавайки големи обещания за бъдещето на технологиите.

сблъсък на птици и прозорци

Търсенето на природата за вдъхновение за дизайна не беше нова концепция. По време на италианския Ренесанс изобретателят Леонардо да Винчи изучава различни летящи животни в стремежа си да създаде машина за полет, задвижван от човека. Вдъхновен от мембранните крила на прилепите и техните уникални движения, Леонардо оформя крилата на своя „орнитоптер“, използвайки борова рамка, покрита с фина коприна; крилата се извиваха, докато се клатушкаха. Въпреки че измислицата никога не е летяла, дизайнът на Леонардо очевидно е опит да се имитират природните подвизи, които той толкова наблюдава. По същия начин швейцарският инженер Джордж де Местрал намери вдъхновение през 1941 г. в упоритите прорези, залепени в ловното му яке и козината на кучето му. Ефективният механизъм за закачане на бурите в крайна сметка доведе до създаването му на системата за закопчалки, известна като велкро.

Съвременната биомимикрия е възможна чрез еволюцията - механизмът, чрез който природата сортира и тества безброй прототипи, за да намери подходящи адаптации за дадена популация от организми. Селективният натиск поставя всяка вариация в най-добрия тест: оцеляване. Ако даден признак не позволява на организма да се конкурира, експлоатира ресурси и да се възпроизвежда, той се изкоренява от популацията. Имайки това предвид, биологът Джанин Бенюс въведе термина биомимикрияпрез 1997 г. за идеята, че хората могат и трябва да заемат тестваните дизайни, предоставени от природния свят. Биомимикрията позволява на инженерите и изследователите да използват успехите на еволюцията и да ги прилагат, за да отговорят на изискванията на човешката среда. Вместо да се опитват да разрешат предизвикателствата при проектирането от нулата, учените могат да търсят изпитани и истински резултати за идеи.

Биомимикрия в медицината.

Биомимикрията даде възможност за няколко очарователни разработки в медицинската област. Изследователи от Тексаския университет в Остин потърсиха слуховия механизъм на паразитната муха Ormia ochracea, за да разработят мъничко свръхчувствително слухово устройство през 2014 г. Оборудван със специализирани уши, O. ochracea е в състояние да следва звуците на цвърченето на крикет, за да го усъвършенства. индивиди да паразитират. При хората звуците пристигат в едното ухо малко преди да пристигнат в другото, позволявайки на мозъка да разпознае посоката, от която звуците излъчват. Ушите на мухите са толкова малки и толкова близо един до друг, че звуците пристигат и до двете уши почти по едно и също време. За компенсиране на тъпанчетата на O. ochraceaса свързани чрез структура, подобна на въртяща се клатушка, която усилва малките разлики във времето на пристигане на звуците и по този начин позволява на насекомото да локализира точно плячката си. Изследователите са копирали този механизъм на въртене, за да създадат мъничко устройство, което може да се използва в следващото поколение слухови апарати или за създаване на адаптивни микрофони, фокусирани върху определени звуци или разговори.

Паразитите също служат като вдъхновение за нови хирургически микроигли, използвани за закрепване на кожни присадки. Подобно на главата на Pomphorhynchus laevis , паразитен чревен червей, върховете на тези малки игли се подуват при контакт с вода. Тази функция позволява както на червеите, така и на иглите да се придържат към меките тъкани с минимални щети и да причиняват малка травма на тъканта, когато се издуха и отделят от нея. Учените установиха, че тези микроигли са лесно обратими и че осигуряват три пъти по-силна адхезия от конвенционалните хирургически скоби.

Биомимикрията също се използва за борба с нарастването на устойчиви на лекарства бактерии в болници и други медицински заведения. След като са забелязали, че акулите са по-малко уязвими от зъби и водорасли, отколкото много други морски организми, изследователите откриват микроскопични текстури на кожата на акула, които значително инхибират растежа на тези организми и, изненадващо, на различните бактерии, отговорни за инфекциите, придобити в болница. Изследователите са копирали тези текстури, за да създадат синтетична кожа от акула, която може да се прилага върху различни повърхности, вариращи от медицински устройства до компютърни клавиатури, за да се предотврати растежа на вредни бактерии.

Биомимикрия в роботиката.

Биомимикрията доведе до развитието на редица иновативни роботизирани форми. През 2014 г. група италиански изследователи започнаха процеса на патентоване на гъвкав многовъоръжен робот, вдъхновен от октоподи. Традиционно роботите бяха ограничени от ъгловите си форми и твърди тела, фактори, които намаляваха тяхната функционалност. Роботизираният октопод, който е бил в състояние да плува и пълзи над и около препятствия, е с меко тяло и включва шест гъвкави ръце, с които може да хване и манипулира предмети. За да плуват, някои от гъвкавите му придатъци осигуряват тяга, докато другите осигуряват стабилност. С по-нататъшно развитие такива роботи могат да се използват при дълбоководни проучвания и в операции за търсене и спасяване.

По подобен начин инженерите от Университета на Вирджиния изграждаха „Mantabot“, плувен робот с меко тяло, вдъхновен от скатове и манта лъчи. Лъчите са мощни плувци и са в състояние да се плъзгат на дълги разстояния, за да спестят енергия. Mantabot, снабден с гъвкави перки, подобни на крила, изработени от силиций и пластмаса, е излят от истински лъч. Ефективното му плуване имитира това на истински лъчи и може да се използва за събиране на морски данни за учени или провеждане на подводно наблюдение за военните.

Биомимикрия в зелените технологии.

Зелените технологии също се възползваха от нарастването на приложенията за биомимикрия. През 2014 г. швейцарски изследователи публикуваха статия, обявяваща нов тип слънчеви клетки, вдъхновени от очите на молци от градински сортове. За да виждат през нощта и да избягват вниманието на хищниците, очите на молците са високоефективни при поглъщане на светлина. Използвайки частици от волфрамов оксид, покрити с железен оксид, учените успяха да имитират начина, по който очите на молци абсорбират почти цялата падаща светлина и по този начин създават високоефективни слънчеви клетки. Поглъщайки светлината, която другите слънчеви клетки отразяват, тези слънчеви клетки, вдъхновени от молци, имат голям потенциал за напредък на слънчевите технологии.

В опит да намалят значителния брой птици, убити при сблъсъци с прозорци, отразяващи открито небе, учените по биомимикрия търсеха паяжини за вдъхновение. Паяковата коприна отразява ултравиолетовите лъчи (UV) и въпреки че тази характеристика е почти незабележима за хората и много насекоми, тя действа като ефективно възпиращо средство за птиците и по този начин предпазва мрежите от унищожаване. Учените имитираха тази характеристика, за да създадат безопасно за птици стъкло, което беше вградено с ленти от UV-отразяващ материал в шарки, наподобяващи паяжини. С приблизително 100 милиона до един милиард птици, които умират всяка година в Съединените щати поради сблъсъци на прозорци, способността на безопасното за птици стъкло драстично да намалява смъртността на такива птици обещава да бъде екологичен пробив.

Като се има предвид невероятното разнообразие на живота, изследователите на биомимикрия имаха привидно безкрайно количество организми и адаптации, от които да черпят вдъхновение. Биомимикрията доведе до невероятна колекция от технологичен напредък, вариращи от самонапълващи се бутилки за вода, имитиращи пустинни бръмбари, до самопочистваща се боя, вдъхновена от хидрофобни листа от лотос. Ако приемем, че човечеството може да запази биологичното разнообразие, което движи биомимикрията, полето обещава да продължи да генерира иновативни решения. Поглеждайки към чертите, които еволюцията е била строго тествана в продължение на хилядолетия, биомимикрията позволява на инженерите и учените да „се учат от нашите старейшини“ и да използват успехите на природата, за да информират за дизайна и технологиите.

Мелиса Петруцело