Biomimicry: Hvordan naturen inspirerer ingeniører til at innovere

Naturen har haft 3.8 milliarder års evolution til perfekte overlevelsesprocesser - fra design af fuglevinger til metoden med blomsterbestøvning. I modsætning hertil har mennesker kun eksisteret i en brøkdel af Jordens levetid, men alligevel søger vi konstant inspiration fra naturen. Igennem hele denne tid har naturen givet en slags plan, som menneskeheden kan følge.

Naturen er perfekt i sin unikhed, effektiv, ressourcebesparende og selvbærende. De designs og processer, det har udviklet, er blevet testet over millioner af år, hvilket beviser deres effektivitet i forskellige miljøer.

For eksempel den sekskantede struktur, der bruges af bier til at bygge deres bistader. Geometriens høje styrke og stabilitet gør den ideel til bierne, samtidig med at den effektivt bruger en minimal mængde materiale. I dag anvender mennesker denne struktur på forskellige områder, fra fly og rumfartøjer til konstruktion og emballering. Biomimicry refererer til undersøgelse og efterligning af naturlige designs og processer til praktisk brug. I denne artikel vil vi udforske nogle af de designs og processer, naturen tilbyder, og hvordan de er blevet tilpasset til at skabe mere bæredygtige menneskeskabte strukturer.

airplanes

Det mest berømte og ældste eksempel på biomimik er flyet. Det menes, at dueflugten inspirerede Wright-brødrene til at skabe det første fly, som de lancerede i 1903. Fra fuglens form og måden dens vinger fungerer på, til hvordan fuglen glider gennem luften, tjente alle disse elementer som tegninger til moderne fly. Disse funktioner studeres omhyggeligt, og videnskabsmænd stræber efter at replikere dem.

Flydesignere former vingerne til at efterligne den buede overflade af en fugls vinge, hvilket skaber en forskel i lufttrykket over og under vingen for at generere løft. Rorene ved flyets hale imiterer en fugls halefjer for at give balance og retningsbestemt kontrol. Ved at anvende naturlige designprincipper har videnskabsmænd skabt en maskine, der er tungere end luft, og som kan rejse gennem himlen. Ud over kommercielle fly er den V-formede dannelse af fugle, som gæs, også blevet undersøgt.

Den V-formede formation hjælper med at spare energi ved at fange opstrømningen fra fuglen foran, hvilket reducerer mængden af ​​energi, der kræves af fuglen bagved for at forblive i luften. Militære eskadriller anvender dette princip for at maksimere energieffektiviteten.

Læs også: Fremtidens 8 bedste militærteknologier at være opmærksom på i dag

Velcro

Den schweiziske ingeniør George de Mestral opfandt velcro i 1941 efter at have vendt tilbage fra en tur i skoven og bemærket grater fra burreplanter, der klistrede til hans tøj og hans hunds pels. Efter at have undersøgt dem under et mikroskop, så de Mestral, at graterne havde små kroge på deres frø, hvilket fik dem til at hænge fast i tøj og pels.

Inspireret af krogdesignet skabte de Mestral Velcro - et system bestående af to dele. Den ene side havde små kroge, mens den anden side havde små løkker. Når de to sider blev presset sammen, ville krogene fange sig i løkkerne og danne en stærk binding. Forbindelsen blev dog designet til at være stærk nok til at holde, men let nok til at adskille med en tilstrækkelig mængde kraft.

Velcro bruges i dag i en lang række genstande, lige fra tøj og tasker til medicinske bandager og kabel-arrangører. Faktisk NASA brugte også velcro til at sikre genstande under nul tyngdekraftsforhold. Inspireret af det enkle, men effektive frøspredningsdesign, er velcro blevet et allestedsnærværende element i hverdagen. Det fungerer som et alternativ til knapper og lynlåse, og tilbyder fordele som brugervenlighed, genbrugelighed og effektivitet.

Læs også: Hvordan fremtidens passagertog vil se ud

termitter

Termithøje er en bemærkelsesværdig struktur skabt af termitter for at give ly og regulere levemiljøet for deres koloni. Disse høje er lavet af jord, tygget træ, snavs og spyt og har en central, røglignende ventilationsstruktur forbundet med underjordiske tunneler og kamre. Dette design hjælper med at opretholde et optimalt miljø inden for de underjordiske områder.

Varm luft stiger gennem den centrale struktur, hvilket tillader køligere luft at komme ind gennem lavere åbninger. Dette sikrer, at miljøet inde i højene opretholdes, uanset ydre forhold. Designet letter også ventilation og gasudveksling. Disse strukturer kan nå op til 9 meter i højden og stå i årtier, hvilket viser deres holdbarhed.

Inspireret af termithøje har arkitekter designet bygninger, der efterligner denne struktur. Et af de mest kendte eksempler er Eastgate Center i Zimbabwe. Designet af Mike Pearce, Eastgate Center har til formål at opretholde et kontrolleret klima for beboerne i et varmt klima og samtidig reducere energiforbruget til køling.

Læs også: Hvorfor kryptovalutaer stiger efter Trumps sejr: Forklaret

Selvrensende overflader

På trods af at den findes i grumset vand, forbliver lotusen ren takket være dens ultrahydrofobe natur. Små, voksdækkede knopper dækker overfladen af ​​lotusbladet, hvilket får vanddråber til at rulle af og bærer snavs og snavs med sig. Nanostrukturerne på bladets overflade (disse små bump) reducerer vedhæftningen af ​​vanddråber, så de kan opsamle støvpartikler. Dette fænomen er kendt som "lotuseffekten", et begreb, der først blev introduceret i 1977 af Barthlott og Ehler, som beskrev lotusbladets selvrensende egenskaber.

Siden da har forskere udforsket belægninger inspireret af lotusblade, der er selvrensende. Det amerikanske firma Sto Corp. udviklet en maling inspireret af lotuseffekten, som afviser snavs og snavs.

Ud over selvrensende maling, tekstiler og belægninger bruges denne metode også til at udvikle materialer til solfangere, trafikkontrolsensorer og markiser.

Læs også: Hvordan fremtidens passagerfly vil se ud

Japanske højhastighedstog

Isfugle er utroligt adrætte og hurtige fugle, der slår ind på deres bytte for at fange det. De nærmer sig stille, især i nærheden af ​​vandområder, for at undgå at overraske deres fangst. Det unikke design af isfuglens næb giver den denne fordel. Den har et smalt, langt og spidst næb, hvor diameteren øges fra spidsen til bunden. Dette design hjælper med at fordele det tryk, der skabes, når du rammer vandet, reducerer sprøjtstøjen og sikrer et effektivt, stille og stabilt dyk.

Japanske ingeniører, der udviklede Shinkansen højhastighedstoget, stod oprindeligt over for problemet med en høj tunnelbom forårsaget af det atmosfæriske tryk, der blev skabt foran på toget.

For at løse dette problem kiggede ingeniører på designet af isfuglens næb. De redesignede forsiden af ​​toget for at efterligne næbbets form, hvilket eliminerede tunnelbommen. Dette design gjorde det også muligt for toget at bevæge sig 10 % hurtigere og forbruge 15 % mindre elektricitet.

Læs også: Europa Clipper: Alt hvad du behøver at vide før lanceringen af ​​det største rumfartøj

Innovationer inspireret af hajskind

Hajer er kendt for deres hurtighed og svømmeekspertise under vandet. Det er ingen overraskelse, at forskere har forsøgt at replikere hajhud til forskellige anvendelser, herunder fremstilling af badedragter og antibakterielle belægninger. Hajhud består af bittesmå, tandlignende strukturer kaldet dermale dentikler, som føles glatte i den ene retning og takkede i den anden. Disse dermale dentikler har to funktioner: de fungerer som beskyttende rustninger og forbedrer bevægelse gennem vand.

Udtrykket dermale dentikler har vist sig at være et stærkt værktøj til hajer. Ved at forstyrre strømmen af ​​vand med deres takkede kanter, reducerer dermale tandtænder det modstand, som hajen oplever, mens den bevæger sig gennem vandet, så den kan svømme hurtigt, effektivt og stille. Disse strukturer forhindrer også mikroorganismer i at binde sig til hajens hud. De små kamme langs hudens overflade forhindrer uønskede blaffere i at tage en gratis tur.

Inspireret af denne unikke overflade har forskerne kopieret den til badedragter for at forbedre deres ydeevne. Disse badedragter var så succesfulde ved de olympiske lege, at en af ​​dem, Speedo LZR Racer, blev forbudt af Det Internationale Svømmeforbund.

Nogle forskere hævder dog, at hajskindsinspirerede badedragter faktisk øger modstanden i stedet for at reducere den. En hajs krop er meget mere fleksibel end et menneskes, hvorfor dermale tandtænder hjælper med at reducere modstanden. Mens badedragterne blev udviklet ved at observere hajhud, kan deres succes være et biprodukt af en prøve-og-fejl-proces snarere end en direkte replikation af hajens hydrodynamiske fordele.

Hajskind er også blevet undersøgt for udvikling af medicinske teknologier, såsom plastikplader påført hospitalsvægge. Disse plader hjælper med at forhindre spredning af bakterier og andre skadelige mikroorganismer, da de ikke er i stand til at klæbe til væggene.

Læs også: End-to-end-kryptering: Hvad det er, og hvordan det virker

Honeycomb strukturer

Som nævnt i indledningen er bikagestrukturen, der bruges af bier, en meget effektiv geometrisk form. Grunden til, at bier valgte den sekskantede form, har været et emne af videnskabelig interesse siden Charles Darwins tid, som antog, at denne form var tilpasset til at optimere voksproduktionsprocessen. Denne form maksimerer den tilgængelige lagerplads, mens du bruger den mindste mængde voks.

I 1999 beviste den amerikanske matematiker Thomas Hales, at sekskanten minimerer perimeterområdet og maksimerer rummet, mens der bruges den mindste mængde materiale. Dette er kendt som "honeycomb-formodningen." Udover at opbevare voks, beskytter og holder hexagonale celler også larver, hvilket sikrer, at voksen ikke smelter i varmt klima.

Inspireret af bier anvender videnskabsmænd geometri i flyspejle, byggematerialer og vindmøllevinger. Designet fokuserer på ressourceeffektivitet, reduktion af vægt og materialeomkostninger.

Specifikt består spejlene af James Webb Space Telescope (JWST) af 18 sekskantede segmenter arrangeret i et honeycomb-mønster. Denne geometri maksimerer overfladearealet til lysindfangning, samtidig med at den strukturelle integritet bevares og vægten minimeres, hvilket er afgørende for rummissioner.

Dette er blot nogle få eksempler på biomimik og hvordan naturen inspirerer til effektive designs og innovationer. Denne liste er på ingen måde udtømmende og berører kun de forbedringer, naturen har foretaget i dens strukturer og processer. I dag er der mange naturlige systemer og processer, som forskere studerer for at forbedre eksisterende teknologier.

Naturen fortsætter med at udvikle sig og optimere sine systemer, hvilket ikke kun gavner den naturlige verden, men også inspirerer mennesker til at skabe innovationer, som de kan hente inspiration fra.

Hvis du er interesseret i artikler og nyheder om luftfart og rumteknologi, inviterer vi dig til vores nye projekt AERONAUT.media.

Læs også:

• 6 interkontinentale ballistiske missiler (ICBM'er), der kan ende verden
• Sådan vælger du en cykel: En begyndervejledning og