Biomimikrija: kaip gamta įkvepia inžinierius naujovėms

Gamta evoliucionavo 3.8 milijardo metų iki tobulų išgyvenimo procesų – nuo ​​paukščių sparnų dizaino iki gėlių apdulkinimo metodo. Priešingai, žmonės egzistavo tik dalį Žemės gyvenimo trukmės, tačiau mes nuolat semiamės įkvėpimo iš gamtos. Per visą šį laiką gamta žmonijai suteikė tam tikrą planą, kuriuo vadovautis.

Gamta yra tobula savo unikalumu, efektyvi, tausojanti išteklius ir save išlaikanti. Jo sukurti dizainai ir procesai buvo išbandyti milijonus metų, įrodant jų veiksmingumą įvairiose aplinkose.

Pavyzdžiui, šešiakampė struktūra, kurią bitės naudoja savo aviliams kurti. Dėl didelio geometrijos stiprumo ir stabilumo jis idealiai tinka bitėms, tuo pačiu efektyviai naudojant minimalų kiekį medžiagos. Šiandien žmonės šią struktūrą taiko įvairiose srityse – nuo ​​lėktuvų ir erdvėlaivių iki statybos ir pakavimo. Biomimika reiškia natūralių dizainų ir procesų tyrimą ir imitavimą praktiniam naudojimui. Šiame straipsnyje mes išnagrinėsime kai kuriuos gamtos siūlomus dizainus ir procesus ir kaip jie buvo pritaikyti kuriant tvaresnes žmogaus sukurtas struktūras.

lėktuvai

Garsiausias ir seniausias biomimikos pavyzdys yra lėktuvas. Manoma, kad balandžių skrydis įkvėpė brolius Wrightus sukurti pirmąjį lėktuvą, kurį jie paleido 1903 m. Nuo paukščio formos ir jo sparnų veikimo iki paukščio sklandymo oru – visi šie elementai buvo šiuolaikinių orlaivių brėžiniai. Šios savybės yra kruopščiai ištirtos, o mokslininkai stengiasi jas atkartoti.

Orlaivių dizaineriai formuoja sparnus taip, kad imituotų lenktą paukščio sparno paviršių, sukurdami oro slėgio skirtumą virš ir žemiau sparno, kad būtų sukurtas keliamasis pakilimas. Lėktuvo uodegoje esantys vairai imituoja paukščio uodegos plunksnas, kad užtikrintų pusiausvyrą ir krypties valdymą. Taikydami natūralaus dizaino principus, mokslininkai sukūrė mašiną, sunkesnę už orą, galinčią keliauti dangumi. Be komercinių lėktuvų, buvo tiriamas ir paukščių, kaip ir žąsų, V formos formavimas.

V formos darinys padeda taupyti energiją, nes užfiksuoja priekyje esančio paukščio srautą ir sumažina energijos kiekį, reikalingą užpakaliui paukščiui išlikti ore. Karinės eskadrilės taiko šį principą, kad maksimaliai padidintų energijos vartojimo efektyvumą.

Skaitykite taip pat: 8 geriausios ateities karinės technologijos, į kurias reikia atkreipti dėmesį šiandien

Velcro "

Šveicarų inžinierius George'as de Mestral išrado Velcro 1941 m., grįžęs iš pasivaikščiojimo miške ir pastebėjęs prie jo drabužių ir šuns kailio prilipusias varnalėšų atplaišas. Ištyręs jas mikroskopu, de Mestral pamatė, kad ant spygliuočių sėklų buvo nedideli kabliukai, dėl kurių jos užsifiksavo ant drabužių ir kailio.

Įkvėptas kabliuko dizaino, de Mestral sukūrė Velcro – sistemą, sudarytą iš dviejų dalių. Vienoje pusėje buvo nedideli kabliukai, o kitoje pusėje buvo mažos kilpos. Kai abi pusės buvo suspaustos kartu, kabliukai užsikimšdavo ant kilpų, sudarydami tvirtą ryšį. Tačiau jungtis buvo sukurta taip, kad būtų pakankamai tvirta, kad būtų galima laikyti, bet pakankamai lengvai atskirti naudojant pakankamai jėgos.

Šiandien Velcro naudojamas įvairiausiems daiktams, nuo drabužių ir krepšių iki medicininių tvarsčių ir kabelių laikiklių. Tiesą sakant, NASA taip pat naudojo Velcro, kad pritvirtintų objektus be gravitacijos. Įkvėptas paprasto, bet veiksmingo sėklų paskirstymo dizaino, Velcro tapo visur esančiu kasdienio gyvenimo elementu. Jis naudojamas kaip mygtukų ir užtrauktukų alternatyva, siūlanti tokius privalumus kaip paprastas naudojimas, pakartotinis naudojimas ir efektyvumas.

Skaitykite taip pat: Kaip atrodys ateities keleiviniai traukiniai

Termitai

Termitų piliakalniai yra nuostabi struktūra, kurią sukūrė termitai, kad suteiktų prieglobstį ir reguliuotų jų kolonijos gyvenamąją aplinką. Pagaminti iš dirvožemio, kramtytos medienos, purvo ir seilių, šie piliakalniai turi centrinę, dūmus primenančią ventiliacijos struktūrą, sujungtą su požeminiais tuneliais ir kameromis. Ši konstrukcija padeda palaikyti optimalią aplinką požeminėse zonose.

Karštas oras pakyla per centrinę konstrukciją, todėl pro apatines angas patenka vėsesnis oras. Taip užtikrinama aplinka piliakalnių viduje, nepaisant išorinių sąlygų. Konstrukcija taip pat palengvina vėdinimą ir dujų mainus. Šios konstrukcijos gali siekti iki 9 metrų aukščio ir stovėti dešimtmečius, parodydamos savo ilgaamžiškumą.

Įkvėpti termitų piliakalnių, architektai suprojektavo šią struktūrą imituojančius pastatus. Vienas žinomiausių pavyzdžių – Eastgate centras Zimbabvėje. Mike'o Pearce'o suprojektuotas Eastgate centras siekia palaikyti kontroliuojamą klimatą karšto klimato gyventojams, tuo pačiu sumažinant energijos sąnaudas vėsinimui.

Skaitykite taip pat: Kodėl kriptovaliutos kyla po Trumpo pergalės: paaiškinta

Savaime išsivalantys paviršiai

Nepaisant to, kad lotosas yra drumstame vandenyje, jis išlieka švarus dėl ultrahidrofobinio lapų pobūdžio. Maži, vašku padengti nelygumai dengia lotoso lapo paviršių, todėl vandens lašeliai nurieda, nešvarumai ir šiukšlės. Lapo paviršiuje esančios nanostruktūros (šie maži iškilimai) sumažina vandens lašelių sukibimą, todėl jie gali surinkti dulkių daleles. Šis reiškinys žinomas kaip „lotoso efektas“ – terminą pirmą kartą 1977 m. įvedė Barthlott ir Ehleris, kurie apibūdino lotoso lapo savaiminio išsivalymo savybes.

Nuo tada mokslininkai tyrinėjo dangas, įkvėptas lotoso lapų, kurios yra savaime išsivalančios. Amerikiečių kompanija Sto Corp. sukūrė lotoso efekto įkvėptus dažus, kurie atstumia nešvarumus ir nešvarumus.

Be savaime išsivalančių dažų, audinių ir dangų, šis metodas taip pat naudojamas kuriant medžiagas saulės kolektoriams, eismo valdymo jutikliams ir tentams.

Skaitykite taip pat: Kaip atrodys ateities keleiviniai lėktuvai

Japonijos greitieji traukiniai

Karališkosios žuvelės yra neįtikėtinai judrūs ir greiti paukščiai, kurie puola prie savo grobio, kad jį sugautų. Jie artėja tyliai, ypač prie vandens telkinių, kad neišgąsdintų laimikio. Unikalus karaliaus snapo dizainas suteikia jai šį pranašumą. Jame yra siauras, ilgas ir smailus snapas, kurio skersmuo didėja nuo galo iki pagrindo. Ši konstrukcija padeda paskirstyti slėgį, susidarantį atsitrenkiant į vandenį, sumažina purslų triukšmą ir užtikrina efektyvų, tylų ir stabilų nardymą.

Japonijos inžinieriai, sukūrę greitąjį traukinį Shinkansen, iš pradžių susidūrė su garsaus tunelio bumo, kurį sukėlė traukinio priekyje susidaręs atmosferos slėgis, problema.

Norėdami išspręsti šią problemą, inžinieriai pažvelgė į karaliaus snapo dizainą. Jie perprojektavo traukinio priekį, kad imituotų snapo formą, pašalindami tunelio strėlę. Ši konstrukcija taip pat leido traukiniui judėti 10 % greičiau ir sunaudoti 15 % mažiau elektros energijos.

Skaitykite taip pat: Europa Clipper: viskas, ką reikia žinoti prieš paleidžiant didžiausią erdvėlaivį

Naujovės, įkvėptos ryklio odos

Rykliai yra žinomi dėl savo greičio ir plaukimo po vandeniu patirties. Nenuostabu, kad mokslininkai bandė atkartoti ryklio odą įvairiems tikslams, įskaitant maudymosi kostiumėlių ir antibakterinių dangų kūrimą. Ryklio odą sudaro mažos į dantis panašios struktūros, vadinamos odos dantukais, kurios viena kryptimi jaučiasi lygios, o kita – dantytos. Šie odos dantukai atlieka dvi funkcijas: veikia kaip apsauginiai šarvai ir pagerina judėjimą vandenyje.

Sąvoka odos dantukai pasirodė esąs galingas įrankis rykliams. Sutrikdydami vandens tekėjimą dantytais kraštais, odos dantukai sumažina ryklio traukimą judant vandeniu, todėl jis gali plaukti greitai, efektyviai ir tyliai. Šios struktūros taip pat neleidžia mikroorganizmams prisitvirtinti prie ryklio odos. Maži įdubimai palei odos paviršių neleidžia nepageidaujamiems autostopininkams pasivažinėti nemokamai.

Įkvėpti šio unikalaus paviršiaus, mokslininkai jį pakartojo maudymosi kostiumėliams, kad pagerintų jų veikimą. Šie maudymosi kostiumėliai buvo tokie sėkmingi olimpinėse žaidynėse, kad vieną iš jų – „Speedo LZR Racer“ – uždraudė Tarptautinė plaukimo federacija.

Tačiau kai kurie tyrinėtojai teigia, kad ryklio odos įkvėpti maudymosi kostiumėliai iš tikrųjų padidina pasipriešinimą, o ne sumažina jį. Ryklio kūnas yra daug lankstesnis nei žmogaus, todėl odos dantukai padeda sumažinti atsparumą. Nors maudymosi kostiumėliai buvo sukurti stebint ryklio odą, jų sėkmė gali būti šalutinis bandymų ir klaidų proceso rezultatas, o ne tiesioginis ryklio hidrodinaminių pranašumų atkartojimas.

Ryklio oda taip pat buvo tiriama siekiant sukurti medicinos technologijas, tokias kaip plastikiniai lakštai, dedami ant ligoninės sienų. Šie lakštai padeda išvengti bakterijų ir kitų kenksmingų mikroorganizmų plitimo, nes negali prilipti prie sienų.

Skaitykite taip pat: Šifravimas nuo galo iki galo: kas tai yra ir kaip jis veikia

Korinės konstrukcijos

Kaip minėta įžangoje, bičių naudojama korio struktūra yra labai efektyvi geometrinė forma. Priežastis, kodėl bitės pasirinko šešiakampę formą, buvo mokslinis susidomėjimas nuo Charleso Darwino laikų, kuris manė, kad ši forma buvo pritaikyta optimizuoti vaško gamybos procesą. Ši forma maksimaliai padidina turimą saugojimo vietą naudojant mažiausią vaško kiekį.

1999 m. amerikiečių matematikas Thomas Halesas įrodė, kad šešiakampis sumažina perimetro plotą ir padidina erdvę, naudodamas mažiausiai medžiagos. Tai žinoma kaip „korio spėliojimas“. Šešiakampės ląstelės ne tik kaupia vašką, bet ir apsaugo ir sulaiko lervas, užtikrindamos, kad vaškas neištirptų karštame klimate.

Įkvėpti bičių, mokslininkai geometriją taiko lėktuvų veidrodžiuose, statybinėse medžiagose ir vėjo turbinų mentėse. Projektuojant daugiausia dėmesio skiriama išteklių efektyvumui, svorio ir medžiagų sąnaudų mažinimui.

Konkrečiai, James Webb kosminio teleskopo (JWST) veidrodžiai susideda iš 18 šešiakampių segmentų, išdėstytų korio pavidalu. Ši geometrija maksimaliai padidina paviršiaus plotą, kad būtų galima užfiksuoti šviesą, kartu išlaikant struktūrinį vientisumą ir sumažinant svorį, o tai labai svarbu vykdant kosmines misijas.

Tai tik keli biomimikos pavyzdžiai ir tai, kaip gamta įkvepia efektyviems projektams ir naujovėms. Šis sąrašas jokiu būdu nėra baigtinis ir apima tik gamtos padarytus savo struktūrų ir procesų patobulinimus. Šiandien mokslininkai tiria daugybę natūralių sistemų ir procesų, kad pagerintų esamas technologijas.

Gamta toliau vystosi ir optimizuoja savo sistemas, duoda naudos ne tik gamtos pasauliui, bet ir įkvepia žmones kurti naujoves, iš kurių jie galėtų semtis įkvėpimo.

Jei jus domina straipsniai ir naujienos apie aviaciją ir kosmoso technologijas, kviečiame į mūsų naują projektą AERONAUT.media.

Skaitykite taip pat:

• 6 tarpžemyninės balistinės raketos (ICBM), kurios gali užbaigti pasaulį
• Kaip išsirinkti dviratį: vadovas pradedančiajam