Biomimicry: Πώς η φύση εμπνέει τους μηχανικούς να καινοτομούν

Η φύση είχε 3.8 δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης σε τέλειες διαδικασίες επιβίωσης – από το σχεδιασμό των φτερών των πτηνών μέχρι τη μέθοδο της επικονίασης των λουλουδιών. Αντίθετα, οι άνθρωποι έχουν υπάρξει μόνο για ένα κλάσμα της διάρκειας ζωής της Γης, ωστόσο αναζητούμε συνεχώς έμπνευση από τη φύση. Σε όλο αυτό το διάστημα, η φύση παρείχε ένα είδος σχεδίου για να ακολουθήσει η ανθρωπότητα.

Η φύση είναι τέλεια στη μοναδικότητά της, αποτελεσματική, εξοικονομεί πόρους και αυτοσυντηρείται. Τα σχέδια και οι διαδικασίες που έχει αναπτύξει έχουν δοκιμαστεί εδώ και εκατομμύρια χρόνια, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητά τους σε διαφορετικά περιβάλλοντα.

Για παράδειγμα, η εξαγωνική δομή που χρησιμοποιούν οι μέλισσες για να χτίσουν τις κυψέλες τους. Η υψηλή αντοχή και η σταθερότητα της γεωμετρίας το καθιστούν ιδανικό για τις μέλισσες, ενώ χρησιμοποιεί αποτελεσματικά ελάχιστη ποσότητα υλικού. Σήμερα, οι άνθρωποι εφαρμόζουν αυτή τη δομή σε διάφορους τομείς, από αεροπλάνα και διαστημόπλοια μέχρι την κατασκευή και τη συσκευασία. Η βιομίμηση αναφέρεται στη μελέτη και μίμηση φυσικών σχεδίων και διαδικασιών για πρακτική χρήση. Σε αυτό το άρθρο, θα διερευνήσουμε μερικά από τα σχέδια και τις διαδικασίες που προσφέρει η φύση και πώς έχουν προσαρμοστεί για να δημιουργήσουν πιο βιώσιμες ανθρωπογενείς δομές.

αεροπλάνα

Το πιο διάσημο και παλαιότερο παράδειγμα βιομιμίας είναι το αεροπλάνο. Πιστεύεται ότι το πέταγμα των περιστεριών ενέπνευσε τους αδελφούς Ράιτ να δημιουργήσουν το πρώτο αεροπλάνο, το οποίο εκτόξευσαν το 1903. Από το σχήμα του πουλιού και τον τρόπο που λειτουργούν τα φτερά του, μέχρι το πώς το πουλί γλιστράει στον αέρα, όλα αυτά τα στοιχεία εξυπηρετούν ως σχέδια για σύγχρονα αεροσκάφη. Αυτά τα χαρακτηριστικά μελετώνται προσεκτικά και οι επιστήμονες προσπαθούν να τα αναπαράγουν.

Οι σχεδιαστές αεροσκαφών διαμορφώνουν τα φτερά για να μιμούνται την καμπύλη επιφάνεια του φτερού ενός πουλιού, δημιουργώντας μια διαφορά στην πίεση αέρα πάνω και κάτω από το φτερό για να δημιουργήσει ανύψωση. Τα πηδάλια στην ουρά του αεροπλάνου μιμούνται τα φτερά της ουράς ενός πουλιού για να παρέχουν ισορροπία και έλεγχο κατεύθυνσης. Εφαρμόζοντας αρχές φυσικού σχεδιασμού, οι επιστήμονες δημιούργησαν μια μηχανή βαρύτερη από τον αέρα που μπορεί να ταξιδέψει στον ουρανό. Εκτός από τα εμπορικά αεροσκάφη, έχει μελετηθεί και ο σχηματισμός πτηνών σε σχήμα V, όπως οι χήνες.

Ο σχηματισμός σχήματος V βοηθά στη διατήρηση της ενέργειας συλλαμβάνοντας το ανοδικό ρεύμα από το πουλί μπροστά, μειώνοντας την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται από το πουλί πίσω για να παραμείνει στον αέρα. Οι στρατιωτικές μοίρες εφαρμόζουν αυτήν την αρχή για να μεγιστοποιήσουν την ενεργειακή απόδοση.

Διαβάστε επίσης: Οι 8 κορυφαίες στρατιωτικές τεχνολογίες του μέλλοντος που πρέπει να δώσετε προσοχή στο σήμερα

Velcro

Ο Ελβετός μηχανικός George de Mestral εφηύρε το Velcro το 1941 αφού επέστρεψε από μια βόλτα στο δάσος και παρατήρησε γρέζια από φυτά κολλιτσίδας που κολλούσαν στα ρούχα του και στη γούνα του σκύλου του. Όταν τα εξέτασε στο μικροσκόπιο, ο ντε Μεστράλ είδε ότι τα γρέζια είχαν μικροσκοπικά άγκιστρα στους σπόρους τους, που τα έκαναν να κολλήσουν πάνω στα ρούχα και τη γούνα.

Εμπνευσμένος από το σχέδιο του γάντζου, ο de Mestral δημιούργησε το Velcro—ένα σύστημα που αποτελείται από δύο μέρη. Η μία πλευρά είχε μικροσκοπικά άγκιστρα, ενώ η άλλη πλευρά είχε μικρές θηλιές. Όταν οι δύο πλευρές πιέζονταν μεταξύ τους, τα άγκιστρα έπιαναν στις θηλιές, σχηματίζοντας έναν ισχυρό δεσμό. Ωστόσο, η σύνδεση σχεδιάστηκε για να είναι αρκετά ισχυρή για να συγκρατηθεί αλλά αρκετά εύκολη για να διαχωριστεί με επαρκή ποσότητα δύναμης.

Σήμερα, το Velcro χρησιμοποιείται σε μια μεγάλη γκάμα ειδών, από ρούχα και τσάντες μέχρι ιατρικούς επιδέσμους και οργανωτές καλωδίων. Οντως, NASA χρησιμοποίησε επίσης Velcro για να ασφαλίσει αντικείμενα σε συνθήκες μηδενικής βαρύτητας. Εμπνευσμένο από τον απλό αλλά αποτελεσματικό σχεδιασμό διασποράς σπόρων, το Velcro έχει γίνει ένα πανταχού παρόν στοιχείο στην καθημερινή ζωή. Λειτουργεί ως εναλλακτική λύση στα κουμπιά και τα φερμουάρ, προσφέροντας πλεονεκτήματα όπως ευκολία στη χρήση, επαναχρησιμοποίηση και αποτελεσματικότητα.

Διαβάστε επίσης: Πώς θα είναι τα επιβατικά τρένα του μέλλοντος

τερμίτες

Οι τύμβοι τερμιτών είναι μια αξιοσημείωτη δομή που δημιουργήθηκε από τερμίτες για να παρέχουν καταφύγιο και να ρυθμίζουν το περιβάλλον διαβίωσης για την αποικία τους. Φτιαγμένοι από χώμα, μασημένο ξύλο, βρωμιά και σάλιο, αυτοί οι τύμβοι διαθέτουν μια κεντρική δομή αερισμού που μοιάζει με καπνό και συνδέεται με υπόγειες σήραγγες και θαλάμους. Αυτός ο σχεδιασμός βοηθά στη διατήρηση ενός βέλτιστου περιβάλλοντος εντός των υπόγειων περιοχών.

Ο ζεστός αέρας ανεβαίνει μέσω της κεντρικής δομής, επιτρέποντας στον ψυχρότερο αέρα να εισέλθει από τα χαμηλότερα ανοίγματα. Αυτό διασφαλίζει ότι το περιβάλλον μέσα στους τύμβους διατηρείται, ανεξάρτητα από τις εξωτερικές συνθήκες. Ο σχεδιασμός διευκολύνει επίσης τον αερισμό και την ανταλλαγή αερίων. Αυτές οι κατασκευές μπορούν να φτάσουν έως και τα 9 μέτρα σε ύψος και να στέκονται για δεκαετίες, επιδεικνύοντας την αντοχή τους.

Εμπνευσμένοι από τύμβους τερμιτών, οι αρχιτέκτονες έχουν σχεδιάσει κτίρια που μιμούνται αυτή τη δομή. Ένα από τα πιο γνωστά παραδείγματα είναι το Eastgate Center στη Ζιμπάμπουε. Σχεδιασμένο από τον Mike Pearce, το Eastgate Center στοχεύει στη διατήρηση ενός ελεγχόμενου κλίματος για τους επιβάτες σε ένα ζεστό κλίμα, μειώνοντας παράλληλα την κατανάλωση ενέργειας για ψύξη.

Διαβάστε επίσης: Γιατί ανεβαίνουν τα κρυπτονομίσματα μετά τη νίκη του Τραμπ: Εξηγείται

Αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες

Παρά το γεγονός ότι υπάρχει σε θολό νερό, ο λωτός παραμένει καθαρός χάρη στην υπερυδρόφοβη φύση των φύλλων του. Μικροσκοπικά, καλυμμένα με κερί εξογκώματα καλύπτουν την επιφάνεια του φύλλου του λωτού, προκαλώντας σταγονίδια νερού να κυλήσουν, μεταφέροντας βρωμιά και υπολείμματα μαζί τους. Οι νανοδομές στην επιφάνεια του φύλλου (αυτά τα μικροσκοπικά εξογκώματα) μειώνουν την πρόσφυση των σταγονιδίων νερού, επιτρέποντάς τους να μαζεύουν σωματίδια σκόνης. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως «φαινόμενο λωτού», ένας όρος που εισήχθη για πρώτη φορά το 1977 από τους Barthlott και Ehler, οι οποίοι περιέγραψαν τις αυτοκαθαριζόμενες ιδιότητες του φύλλου του λωτού.

Από τότε, οι επιστήμονες έχουν εξερευνήσει επιστρώσεις εμπνευσμένες από φύλλα λωτού που αυτοκαθαρίζονται. Η αμερικανική εταιρεία Sto Corp. ανέπτυξε ένα χρώμα εμπνευσμένο από το φαινόμενο του λωτού, το οποίο απωθεί τη βρωμιά και τη βρωμιά.

Εκτός από τα αυτοκαθαριζόμενα χρώματα, υφάσματα και επιστρώσεις, αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης για την ανάπτυξη υλικών για ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες, αισθητήρες ελέγχου κυκλοφορίας και τέντες.

Διαβάστε επίσης: Πώς θα είναι τα επιβατικά αεροπλάνα του μέλλοντος

Ιαπωνικά τρένα υψηλής ταχύτητας

Οι αλκυόνες είναι απίστευτα ευκίνητα και γρήγορα πτηνά που πέφτουν πάνω στο θήραμά τους για να το πιάσουν. Πλησιάζουν αθόρυβα, ειδικά κοντά σε υδάτινα σώματα, για να μην τρομάξουν τα αλιεύματά τους. Ο μοναδικός σχεδιασμός του ράμφους της αλκυόνας του δίνει αυτό το πλεονέκτημα. Διαθέτει στενό, μακρύ και μυτερό ράμφος, με τη διάμετρο να αυξάνεται από την άκρη έως τη βάση. Αυτός ο σχεδιασμός βοηθά στην κατανομή της πίεσης που δημιουργείται κατά το χτύπημα του νερού, μειώνοντας τον θόρυβο του πιτσιλίσματος και διασφαλίζοντας μια αποτελεσματική, αθόρυβη και σταθερή κατάδυση.

Οι Ιάπωνες μηχανικοί που ανέπτυξαν το τρένο υψηλής ταχύτητας Shinkansen αντιμετώπισαν αρχικά το πρόβλημα μιας δυνατής έκρηξης της σήραγγας που προκλήθηκε από την ατμοσφαιρική πίεση που δημιουργήθηκε στο μπροστινό μέρος του τρένου.

Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι μηχανικοί εξέτασαν το σχέδιο του ράμφους της αλκυόνας. Επανασχεδίασαν το μπροστινό μέρος του τρένου για να μιμείται το σχήμα του ράμφους, εξαλείφοντας το βραχίονα της σήραγγας. Αυτός ο σχεδιασμός επέτρεψε επίσης στο τρένο να κινείται 10% πιο γρήγορα και να καταναλώνει 15% λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια.

Διαβάστε επίσης: Europa Clipper: Όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε πριν από την εκτόξευση του μεγαλύτερου διαστημικού σκάφους

Καινοτομίες εμπνευσμένες από το δέρμα του καρχαρία

Οι καρχαρίες είναι γνωστοί για την ταχύτητα και την εξειδίκευσή τους στην κολύμβηση κάτω από το νερό. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι επιστήμονες προσπάθησαν να αντιγράψουν το δέρμα του καρχαρία για διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της κατασκευής μαγιό και αντιβακτηριακών επικαλύψεων. Το δέρμα του καρχαρία αποτελείται από μικροσκοπικές δομές που μοιάζουν με δόντια που ονομάζονται δερματικές οδοντοστοιχίες, οι οποίες αισθάνονται λείες προς τη μία κατεύθυνση και οδοντωτές στην άλλη. Αυτές οι δερματικές οδοντοστοιχίες εξυπηρετούν δύο λειτουργίες: λειτουργούν ως προστατευτική θωράκιση και ενισχύουν την κίνηση μέσα στο νερό.

Ο όρος δερματικές οδοντοστοιχίες έχει αποδειχθεί ένα ισχυρό εργαλείο για τους καρχαρίες. Διαταράσσοντας τη ροή του νερού με τις οδοντωτές άκρες τους, οι δερματικές οδοντοστοιχίες μειώνουν την έλξη που βιώνει ο καρχαρίας ενώ κινείται μέσα στο νερό, επιτρέποντάς του να κολυμπά γρήγορα, αποτελεσματικά και αθόρυβα. Αυτές οι δομές εμποδίζουν επίσης τους μικροοργανισμούς να προσκολληθούν στο δέρμα του καρχαρία. Οι μικροσκοπικές ράχες κατά μήκος της επιφάνειας του δέρματος εμποδίζουν τους ανεπιθύμητους ωτοστόπ να κάνουν δωρεάν βόλτα.

Εμπνευσμένοι από αυτή τη μοναδική επιφάνεια, οι επιστήμονες την αναπαρήγαγαν για μαγιό για να βελτιώσουν την απόδοσή τους. Αυτά τα μαγιό ήταν τόσο επιτυχημένα στους Ολυμπιακούς Αγώνες που ένα από αυτά, το Speedo LZR Racer, απαγορεύτηκε από τη Διεθνή Ομοσπονδία Κολύμβησης.

Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι τα μαγιό εμπνευσμένα από το δέρμα του καρχαρία στην πραγματικότητα αυξάνουν την αντίσταση παρά τη μειώνουν. Το σώμα ενός καρχαρία είναι πολύ πιο ευέλικτο από του ανθρώπου, γι' αυτό και οι δερματικές οδοντοστοιχίες συμβάλλουν στη μείωση της αντίστασης. Ενώ τα μαγιό αναπτύχθηκαν παρατηρώντας το δέρμα του καρχαρία, η επιτυχία τους μπορεί να είναι ένα υποπροϊόν μιας διαδικασίας δοκιμής και λάθους παρά μια άμεση αναπαραγωγή των υδροδυναμικών πλεονεκτημάτων του καρχαρία.

Το δέρμα του καρχαρία έχει επίσης μελετηθεί για την ανάπτυξη ιατρικών τεχνολογιών, όπως πλαστικά φύλλα που εφαρμόζονται στους τοίχους του νοσοκομείου. Αυτά τα φύλλα βοηθούν στην πρόληψη της εξάπλωσης βακτηρίων και άλλων επιβλαβών μικροοργανισμών, καθώς δεν μπορούν να προσκολληθούν στους τοίχους.

Διαβάστε επίσης: Κρυπτογράφηση από άκρο σε άκρο: Τι είναι και πώς λειτουργεί

Κυψελοειδή κατασκευές

Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή, η δομή της κηρήθρας που χρησιμοποιούν οι μέλισσες είναι μια εξαιρετικά αποδοτική γεωμετρική μορφή. Ο λόγος που οι μέλισσες επέλεξαν το εξαγωνικό σχήμα ήταν αντικείμενο επιστημονικού ενδιαφέροντος από την εποχή του Καρόλου Δαρβίνου, ο οποίος υπέθεσε ότι αυτό το σχήμα ήταν προσαρμοσμένο για να βελτιστοποιήσει τη διαδικασία παραγωγής κεριού. Αυτή η φόρμα μεγιστοποιεί τον διαθέσιμο χώρο αποθήκευσης ενώ χρησιμοποιεί τη λιγότερη ποσότητα κεριού.

Το 1999, ο Αμερικανός μαθηματικός Thomas Hales απέδειξε ότι το εξάγωνο ελαχιστοποιεί το εμβαδόν της περιμέτρου και μεγιστοποιεί τον χώρο ενώ χρησιμοποιεί τη μικρότερη ποσότητα υλικού. Αυτό είναι γνωστό ως «εικασία της κηρήθρας». Εκτός από την αποθήκευση του κεριού, τα εξαγωνικά κύτταρα προστατεύουν και συγκρατούν επίσης τις προνύμφες, διασφαλίζοντας ότι το κερί δεν λιώνει σε ζεστά κλίματα.

Εμπνευσμένοι από τις μέλισσες, οι επιστήμονες εφαρμόζουν τη γεωμετρία σε καθρέφτες αεροπλάνων, δομικά υλικά και πτερύγια ανεμογεννητριών. Ο σχεδιασμός εστιάζει στην αποδοτικότητα των πόρων, μειώνοντας το βάρος και το κόστος υλικών.

Συγκεκριμένα, οι καθρέφτες του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb (JWST) αποτελούνται από 18 εξαγωνικά τμήματα διατεταγμένα σε μοτίβο κηρήθρας. Αυτή η γεωμετρία μεγιστοποιεί την επιφάνεια για σύλληψη φωτός, διατηρώντας παράλληλα τη δομική ακεραιότητα και ελαχιστοποιώντας το βάρος, το οποίο είναι ζωτικής σημασίας για διαστημικές αποστολές.

Αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα βιομιμίας και πώς η φύση εμπνέει αποτελεσματικά σχέδια και καινοτομίες. Αυτή η λίστα δεν είναι καθόλου εξαντλητική και αγγίζει μόνο τις βελτιώσεις που έχει κάνει η φύση στις δομές και τις διαδικασίες της. Σήμερα, υπάρχουν πολλά φυσικά συστήματα και διαδικασίες που μελετούν οι επιστήμονες για να βελτιώσουν τις υπάρχουσες τεχνολογίες.

Η φύση συνεχίζει να εξελίσσεται και να βελτιστοποιεί τα συστήματά της, ωφελώντας όχι μόνο τον φυσικό κόσμο αλλά και εμπνέοντας τους ανθρώπους να δημιουργήσουν καινοτομίες από τις οποίες μπορούν να αντλήσουν έμπνευση.

Εάν ενδιαφέρεστε για άρθρα και νέα σχετικά με την αεροπορία και τη διαστημική τεχνολογία, σας προσκαλούμε στο νέο μας έργο AERONAUT.media.

Διαβάστε επίσης:

• 6 Διηπειρωτικοί Βαλλιστικοί Πύραυλοι (ICBM) που θα μπορούσαν να τελειώσουν τον κόσμο
• Πώς να επιλέξετε ένα ποδήλατο: Οδηγός για αρχάριους και