Biomimicry: Hvordan naturen inspirerer ingeniører til innovasjon

Naturen har hatt 3,8 milliarder år med evolusjon til perfekte overlevelsesprosesser – alt fra konstruksjonen av en fuglevinge til måten blomstene pollineres på. Derimot har mennesker bare eksistert i en brøkdel av jordens levetid, men ser til naturen for inspirasjon. Hele tiden ga naturen en slags plan for mennesket, som det kunne arbeide etter.

Følg kanalen vår for siste nytt Google News online eller via appen.

Naturen er perfekt i sin originalitet, effektiv, sparsommelig med ressurser og selvforsynt. Designene og prosessene som er utviklet har blitt testet over millioner av år og har vist seg effektive i en rekke miljøer.

For eksempel bikakestrukturen som brukes av bier til å bygge bikuber. Den høye styrken og stabiliteten til geometrien gjør den ideell for bier. Og samtidig bruker den effektivt et minimum av materiale. I dag bruker folk denne strukturen på en rekke felt, fra fly og romfartøy til konstruksjon og emballasje. Biomimicry betyr at mennesker studerer og imiterer naturlige strukturer og prosesser for å bruke dem. I dag skal vi se på noen av designene og prosessene som naturen har å tilby og hvordan de har blitt tilpasset for å skape mer bærekraftige menneskeskapte strukturer.

Fly

Det mest kjente og eldste eksemplet på biomimicry er flyet. Det antas at dueflukten inspirerte Wright-brødrene til å lage flyet, som de lanserte i 1903. Fra formen på fuglen og måten vingene fungerer på til måten fuglen glir gjennom luften, dette er alle tegninger for moderne fly. Disse funksjonene er nøye studert, og forskere prøver å reprodusere dem.

Designere former flyvinger for å etterligne den buede overflaten til en fugls vinge, og skaper en forskjell i lufttrykk over og under vingen for å skape løft. Rorene i halen på flyet etterligner halefjærene til en fugl for å gi balanse og retningskontroll. Ved hjelp av naturlig design har forskere laget en tyngre enn luft-maskin som kan reise gjennom himmelen. I tillegg til kommersielle fly er V-formen til fugler som gjess også studert.

V-linjen hjelper til med å spare energi ved å fange opp strømmen til fuglen foran og dermed redusere mengden energi som fuglen bak trenger for å holde seg i luften. Militære skvadroner bruker dette prinsippet for maksimal energieffektivitet.

Også interessant:  TOP-8 militære teknologier i fremtiden, som bør tas hensyn til i dag

Lipučka

Den sveitsiske ingeniøren George de Mestral oppfant borrelås i 1941 da han kom tilbake fra en tur i skogen og fant grater fra burdockplanter som satt fast på klærne hans og hundens pels. Mestral undersøkte dem under et mikroskop og la merke til at disse gratene hadde små kroker på frøene. Dette resulterte i at de klamret seg til klær og pels.

Inspirert av utformingen av kroker, skapte Mestral borrelås, et todelt system. Små kroker utgjorde den ene siden av borrelåsen, og bittesmå løkker utgjorde den andre, så når de ble satt sammen, ville kroken fange seg i løkken og danne et sterkt bånd. Men slik at det ville være en sterk nok innsats for å bryte den.

I dag brukes borrelås i mange ting, fra klær og vesker til medisinske bandasjer og kabeloppleggere. Ikke bare det, NASA brukte også borrelås for å feste ting i vektløshet. Inspirert av den enkle, men effektive utformingen av frøspredning, er borrelås nå et kjent element som vi bruker overalt. Det er et alternativ til knapper og glidelåser, med fordelene som brukervennlighet, gjenbrukbarhet og effektivitet.

Også interessant: Hvordan vil fremtidens persontog se ut?

Termitter

Termitthauger er geniale strukturer skapt av termitter for å gi ly og regulere habitat for kolonien. Disse haugene er laget av jord, tygget tre, skitt og spytt, og har en sentral røyklignende ventilasjonsstruktur koblet til underjordiske tunneler og kamre. Denne strukturen bidrar til å opprettholde et optimalt miljø i de underjordiske regionene.

Varm luft stiger gjennom den sentrale strukturen og slipper inn kjølig luft fra de nedre åpningene. Dette sikrer at miljøet inne i haugene opprettholdes til tross for ytre miljø. Designet letter også ventilasjon og gassutveksling. Disse strukturene kan nå opptil 9 m og stå i flere tiår, noe som viser deres holdbarhet.

Inspirert av termitthauger designer arkitekter bygninger som imiterer denne strukturen. Det mest kjente eksemplet er Eastgate Center i Zimbabwe. Mick Pearce designet Eastgate Center for å opprettholde et kontrollert klima for beboere i varmt klima og redusere energibruken til kjøling.

Også interessant: Hvordan ser kanten av solsystemet vårt ut?

Selvrensende overflater

Selv om den trives i gjørmete vann, forblir lotusen alltid ren takket være den ultrahydrofobe naturen til bladene. Små voksdekkede støt dekker overflaten av lotusbladet, og får vanndråper til å rulle av sammen med skitt og rusk. Nanostrukturene på overflaten av bladet (de bittesmå ujevnheter) får vanndråper til å plukke opp støvpartikler, noe som reduserer dråpens adhesjon til bladoverflaten. Dette fenomenet er kjent som "lotuseffekten", og selve begrepet ble foreslått i 1977 av Bartlott og Eller, som beskrev de selvrensende egenskapene til lotusbladet.

Siden den gang har forskere forsket på selvrensende lotusblad-inspirerte belegg. Det amerikanske selskapet Sto Corp. har laget en maling inspirert av lotuseffekten som avviser smuss og skitt.

I tillegg til selvrensende maling, tekstiler og belegg, bruker folk også denne metoden til å utvikle materialer for solfangere, trafikkkontrollsensorer og markiser.

Også interessant: Hvordan fremtidens passasjerfly vil se ut

Japanske høyhastighetstog

Kingfishers er ekstremt smidige og raske fugler som stikker ned på byttet sitt for å gripe det. De slår inn, spesielt i nærheten av vannforekomster, ikke veldig høyt, for ikke å skremme byttet. Den unike utformingen av isfuglens nebb gir den denne fordelen. Den har et smalt, langt og spiss nebb, hvis diameter øker fra spissen til hodet. Denne designen lar deg jevnt fordele trykket som skapes når du treffer vannet, reduserer lyden av sprut og sikrer et effektivt, stille og stabilt dykk.

De japanske ingeniørene som designet Shinkansen høyhastighetstoget, sto først overfor problemet at toget skapte en høy tunnelbulling på grunn av det atmosfæriske trykket som ble skapt foran på toget.

For å løse dette problemet vendte ingeniører oppmerksomheten mot utformingen av isfuglens nebb. Ingeniører redesignet fronten av toget for å etterligne nebbet til en isfugl, og eliminerte tunnelbommene. I tillegg tillot denne designen toget å bevege seg 10 % raskere og forbruke 15 % mindre strøm.

Også interessant: Europa Clipper: alt du trenger å vite før oppskytingen av det største romfartøyet

Innovasjoner inspirert av haiskinn

Haier er kjent for sin hurtighet og evne til å svømme under vann. Det er derfor ikke overraskende at forskere har forsøkt å gjenskape haiskinn for ulike bruksområder, inkludert badetøy og antibakteriell belegg. Haihud består av bittesmå tannlignende strukturer kalt dermale dentikler, som er glatte å ta på i én retning og taggete i en annen. Dermale dentikler har to roller: de tjener som beskyttende rustning og forbedrer bevegelsen i vann.

Begrepet dermal denticles oversettes som "hudtenner" og viste seg å være et kraftig verktøy for haier. Ved å forstyrre strømmen av vann med sine taggete kanter, reduserer dermale dentikler motstanden en hai møter når den beveger seg gjennom vannet, slik at den kan svømme raskt, effektivt og stille. Disse strukturene hindrer også mikroorganismer i å feste seg til haiens hud. Små rygger langs overflaten av huden hindrer uønskede haikere i å ta en gratis tur.

Inspirert av denne unike overflaten, gjenskapte forskere den for badetøy for å forbedre ytelsen. Disse badedraktene var så vellykkede ved OL at en av Speedos badedrakter kalte LZR Racer ble utestengt av Det internasjonale svømmeforbundet.

Noen forskere hevder imidlertid at badedrakter av haiskinn faktisk ikke reduserer motstanden, men øker den. En hais kropp er mye mer fleksibel enn et menneskes, og det er grunnen til at de dermale serrationene reduserer motstanden. Selv om forskerne utviklet disse badedraktene ved å observere haihud, kan suksessen deres være et biprodukt av en prøving-og-feilprosess.

Haiskinn har også blitt studert for utvikling av medisinsk teknologi, for eksempel plastark som limes på sykehusvegger. Dette hindrer spredning av bakterier og andre farlige mikroorganismer fordi de ikke kan feste seg til veggene.

Også interessant: Nye teknologier – hvordan gjør de det enklere å reise?

Cellestrukturer

Som nevnt i innledningen er cellestrukturen som brukes av bier en svært effektiv geometrisk form. Grunnen til at bier valgte spesielt den sekskantede formen har vært en vitenskapelig kuriositet siden Charles Darwins tid, som antok at denne formen var tilpasset for å økonomisere voksproduksjonsprosessen. Denne formen maksimerer tilgjengelig lagringsplass mens du bruker minst mulig voks.

I 1999 beviste den amerikanske matematikeren Thomas Hales at sekskanten minimerer arealet av omkretsen og maksimerer plassen ved å bruke et minimum av materiale. Dette er kjent som "honeycomb-hypotesen". I tillegg til å lagre voksen, lagrer og holder de sekskantede cellene også larvene, og sikrer at voksen ikke smelter i varmt klima.

Inspirert av bier bruker forskere geometri i flyspeil, byggematerialer og vindturbinblader. Designet fokuserer på ressurseffektivitet, reduksjon av vekt og materialkostnader.

Spesielt består speilene til James Webb Space Telescope (JWST) av 18 sekskantede segmenter arrangert i form av honningkaker. Denne geometrien maksimerer overflaten for å fange lys samtidig som den opprettholder strukturell integritet og minimerer vekten, noe som er en nødvendighet for romfart.

Dette var noen eksempler på biomimicry og hvordan naturen inspirerer til effektive utviklinger og innovasjoner. Denne listen er på ingen måte uttømmende og berører bare forbedringene som naturen har gjort i sine design og prosesser. I dag er det mange naturlige systemer og prosesser som forskere legger vekt på for å forbedre eksisterende teknologier.

Naturen fortsetter å utvikle seg og optimere systemene sine, og hjelper ikke bare den naturlige verden, men inspirerer også mennesker til innovasjon å hente inspirasjon fra.

Hvis du er interessert i artikler og nyheter om luftfart og romteknologi, inviterer vi deg til vårt nye prosjekt AERONAUT.media.

Les også:

• 6 interkontinentale ballistiske missiler (ICBM) som kan ende verden
• Hvordan velge en sykkel: En guide for nybegynnere