Cách thức hoạt động của Biomimicry

Tàu ngầm của tương lai phóng nhanh trên mặt nước với sự hỗ trợ của những chiếc vây cá ngọ nguậy. Máy bay bay qua những đám mây với đôi cánh vỗ. Trong sa mạc, một người leo núi đều đặn tiến đến đỉnh của một vách đá, mở lòng bàn tay dễ dàng bám vào đá bằng cách sử dụng công nghệ nano lấy cảm hứng từ tắc kè . Bạn có thể chỉ bắt gặp những công nghệ tương lai lấy cảm hứng từ thiên nhiên như vậy trong thế giới tưởng tượng của khoa học viễn tưởng và truyện tranh, nhưng phương pháp thiết kế đã tồn tại. Các nhà phát minh và kỹ sư đã tìm kiếm nguồn cảm hứng từ thiên nhiên kể từ thời tiền sử.

Con người ban đầu đã học các kỹ thuật săn bắn, trú ẩn và sinh tồn bằng cách quan sát động vật khi chúng tương tác với môi trường xung quanh. Trong khi con người thiếu móng vuốt hung dữ và bản năng săn mồi siêu việt của loài gấu, con người có thể bắt chước kỹ thuật của chúng. Và khi con người bắt đầu thiết kế những công trình phức tạp hơn bao giờ hết, họ tiếp tục hướng tới ví dụ của tự nhiên. Từ bản phác thảo máy bay ở thế kỷ 15 của Leonardo da Vinci đến nguyên mẫu thành công đầu tiên của anh em nhà Wright bốn thế kỷ sau, giấc mơ về chuyến bay của con người tập trung vào việc quan sát các loài chim.

Thế giới có đầy những phát kiến ​​sinh học đáng kinh ngạc, mỗi phát minh đều là sản phẩm của hàng triệu năm tiến hóa . Khi thiết kế công nghệ, chỉ có ý nghĩa là nghiên cứu những cách thức mà tự nhiên đã làm chủ được những thách thức liên quan. Ngày nay, chúng ta gọi đây là phỏng sinh học hoặc phỏng sinh học - thực hành bắt chước các mô hình trong tự nhiên để tạo ra các hình thức, quy trình, hệ thống và chiến lược tốt hơn.

Bạn bắt gặp các ví dụ về phép đo sinh học mỗi ngày, có lẽ mà bạn không hề nhận ra. Ví dụ, công nghệ Velcro được lấy cảm hứng từ cách các túi hạt có gờ bám vào lông động vật. Kim tiêm dưới da hiện đại lấy một vài điểm từ nanh của rắn đuôi chuông. Nike thậm chí đã áp dụng những phẩm chất của lực kéo móng dê vào các thiết kế giày chạy bộ của họ.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá những cách mà phép đo sinh học làm cầu nối giữa các ngành sinh học và kỹ thuật, sử dụng những đổi mới của thế giới tự nhiên để cải thiện công nghệ và thiết kế.

Biomicry of Sharks

Ai có thể nghĩ rằng cá mập có rất nhiều thứ để dạy chúng ta? Những sinh vật biển này đã truyền cảm hứng cho một số phát kiến ​​về mô phỏng sinh học. Da cá mập bao gồm các vảy nhỏ giống như răng để ngăn hình thành các xoáy và xoáy nhỏ (làm chậm chúng). Speedo đã tái tạo hiệu ứng này với bộ quần áo bó sát Fastskin ®, cho phép các vận động viên bơi lội cạnh tranh loại bỏ những giây quan trọng trong thời gian đua của họ. Những người khác đã sử dụng công nghệ này để tạo ra những vỏ tàu có tốc độ di chuyển nhanh để ngăn chặn sự bám của các sinh vật dưới nước một cách tự nhiên. BioPower Systems của Úc đang nghiên cứu một cải tiến khác lấy cảm hứng từ cá mập. Công ty hy vọng sẽ neo các vây cơ học - dựa trên sinh lý học của cá mập - ở giữa các dòng nước biển để tạo ra năng lượng thủy điện.

Mặc dù hành động bắt chước tự nhiên trong quá trình đổi mới của con người đã tồn tại qua nhiều thời đại, nhưng thử nghiệm mô phỏng sinh học đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu và lập trường đạo đức nổi bật vào cuối thế kỷ 20. Nhà sinh vật học người Mỹ Janine M. Benyus đã trở thành một nhà lãnh đạo nổi tiếng của phong trào vào cuối những năm 90 với việc xuất bản cuốn sách của cô, "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature". Kể từ đó, Benyus đã thành lập Hiệp hội Biomimicry, một công ty tư vấn môi trường và Viện Biomimicry, một nhóm vận động phi lợi nhuận.

Trong khi các nhóm phát triển và các nhà nghiên cứu tiếp tục lấy cảm hứng từ thiên nhiên, Benyus thúc đẩy sự hiểu biết toàn diện hơn về phép đo sinh học, trong đó thiên nhiên là mô hình , thước đo và người cố vấn . Mô hình đề cập đến nguyên tắc cơ bản của việc mô phỏng tự nhiên trong thiết kế của con người; và đo tính bền vững của ứng suất .

Thế giới tự nhiên, với tư cách là một hệ thống, được coi là bền vững, trong đó các hệ thống của nó tái sử dụng và tái chế tài nguyên một cách hiệu quả và liên tục. Trong khi đó, hầu hết công nghệ và cách sống của chúng ta không bền vững . Điều này có nghĩa là các tài nguyên cần thiết thường xuyên bị cạn kiệt hoặc bị hư hỏng vĩnh viễn. Benyus lập luận rằng một cách tiếp cận phỏng sinh học thực sự đối với một vấn đề nên liên quan đến tính bền vững của tự nhiên.

Thiên nhiên với tư cách là người cố vấn nhấn mạnh một cách nhìn mới về môi trường của chúng ta - tách khỏi quan điểm công nghiệp hóa về thế giới như một tập hợp các nguồn tài nguyên có sẵn để cướp bóc. Benyus nhấn mạnh rằng bất kỳ dự án phỏng sinh học nghiêm túc nào cũng nên làm nhiều hơn là bắt chước thiết kế và hiệu quả của tự nhiên. Cô ấy nói rằng các nhà thiết kế nên tuân theo đạo đức môi trường. Ví dụ, một chiếc xe chạy bằng năng lượng mặt trời được tạo hình theo chuyển động của một con cua cát có thể là một phát minh tuyệt vời. Tuy nhiên, cô cho biết sản phẩm sẽ mất hết uy tín về mặt mô phỏng sinh học nếu mục đích sử dụng chính của nó là chặt phá rừng nhiệt đới hoặc dùng làm nền tảng vũ khí.

Chín quy luật tự nhiên

Benyus nhấn mạnh đến chín quy luật tự nhiên trong các bài viết của cô. Cô lập luận rằng mỗi thuộc tính nên được xem xét quan trọng đối với bất kỳ thiết kế phỏng sinh học thực sự nào.

• Thiên nhiên chạy trên ánh sáng mặt trời
• Thiên nhiên chỉ sử dụng năng lượng mà nó cần
• Năng lượng phù hợp với hình thức để hoạt động
• Năng lượng tái tạo mọi thứ
• Thiên nhiên khen thưởng sự hợp tác
• Ngân hàng tự nhiên về sự đa dạng
• Thiên nhiên đòi hỏi chuyên môn địa phương
• Thiên nhiên hạn chế sự dư thừa từ bên trong
• Thiên nhiên khai thác sức mạnh của giới hạn

[nguồn: Benyus ]

Phép thử sinh học, với tư cách là một quá trình đổi mới, thường xuất phát từ một trong hai hướng. Đôi khi, người đổi mới nhìn thấy một quá trình trong tự nhiên và kết nối nó với một công nghệ hoặc vấn đề hiện có. Lần khác, nhà đổi mới nghiên cứu một vấn đề thiết kế hiện có và hướng về thiên nhiên để được giúp đỡ. Đây là nơi mà kỹ thuật sinh học đóng vai trò là cầu nối giữa sinh học và kỹ thuật.

Bước đầu tiên của việc giải quyết một vấn đề thông qua phép đo sinh học là chuyển những gì bạn cần từ một thiết kế thành các thuật ngữ sinh học. Ví dụ, nếu bạn muốn thiết kế một bình chữa cháy có phạm vi hoạt động xa hơn thì sao? Nơi nào trong tự nhiên các sinh vật đã tiến hóa để đối phó với một vấn đề tương tự? Bọ cánh cứng có thể không giải quyết được việc dập tắt bếp lửa, nhưng chúng đã tiến hóa để phun ra một luồng nọc độc nóng, bùng nổ vào những kẻ săn mồi.

Sau khi được phát hiện, thử thách tiếp theo là lấy bài học từ thiên nhiên và áp dụng nó trở lại thiết kế của bạn. Trong trường hợp của bọ hung bắn phá, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu việc côn trùng sử dụng một "buồng đốt" áp suất cao trong bụng của nó. Các nhà thiết kế đã bắt đầu áp dụng khám phá này vào công nghệ phun hiện có.

Bạn có thể tìm thấy phép đo sinh học trong một số lĩnh vực khác nhau. Bất kể thách thức về thiết kế là gì, rất có thể một loài trên Trái đất đã giải quyết được một vấn đề tương tự. Hãy xem xét các ví dụ sau:

Nhu cầu của con người: Các nhà xây dựng muốn có một phương tiện rẻ hơn để làm mát các tòa nhà lớn.

Ví dụ về tự nhiên: Các gò mối châu Phi nhất định phải duy trì nhiệt độ ổn định là 87 độ C (189 độ F) để nấm có thể tồn tại. Để đạt được điều này, họ xây dựng các lỗ thông khí liên tục di chuyển không khí khắp gò đất, làm mát hoặc làm nóng nó đến nhiệt độ tương đương với nhiệt độ của gò đất.

Giải pháp mô phỏng sinh học: Các kiến ​​trúc sư và kỹ sư đang xây dựng một số khu phức hợp văn phòng lớn bắt chước cách tiếp cận của mối để kiểm soát nhiệt độ.

Nhu cầu của con người: Các nhà sản xuất ô tô muốn phát triển một hệ thống chống va chạm.

Ví dụ về tự nhiên: Bầy cào cào tránh chạy thành bầy bằng cách sử dụng đôi mắt tiến hóa cao cho phép những con côn trùng này có thể nhìn theo nhiều hướng đồng thời.

Giải pháp phỏng sinh học: Các nhà thiết kế ô tô đã bắt chước tầm nhìn của châu chấu khi phát triển các cảm biến phát hiện chuyển động trực tiếp xung quanh ô tô và cảnh báo người lái xe về những vụ va chạm sắp xảy ra.

Nhu cầu của con người: Các công ty hóa chất muốn có một lớp sơn tự làm sạch.

Ví dụ về thiên nhiên: Cây sen phải giữ cho bề mặt của lá sạch sẽ, mặc dù sống trong ao và đầm lầy. Các đường gờ và vết lồi nhỏ của lá giúp các giọt nước không lan ra khắp bề mặt. Kết quả là, các hạt nước và trượt đi, mang theo các hạt bụi bẩn.

Giải pháp phỏng sinh học: Các nhà phát triển đã áp dụng hiệu ứng hoa sen này vào sơn. Khi sơn khô, các vết sần nhỏ vẫn còn trên bề mặt giúp các giọt nước loại bỏ bụi bẩn.

Nhu cầu của con người: Nhân viên y tế muốn có một cách bảo quản vắc xin mà không cần làm lạnh.

Ví dụ về tự nhiên: Cây phục sinh ở châu Phi hoàn toàn khô héo trong các đợt hạn hán hàng năm và sau đó tự hồi sinh khi mưa trở lại. Các loại cây này có chứa polyphenol giúp bảo vệ khỏi tổn thương màng tế bào trong quá trình mất nước.

Giải pháp phỏng sinh học: Các nhà nghiên cứu đang tìm cách sử dụng những loại đường này để bảo quản vắc xin sống thông qua quá trình khử nước.

Trên khắp thế giới, các nhà nghiên cứu đang hướng về thiên nhiên để tìm câu trả lời cho những thách thức thiết kế khác nhau của họ. Bằng cách nghiên cứu cách thức tiến hóa vượt qua những thách thức, một ngày nào đó kỹ thuật sinh học có thể giúp chúng ta giải quyết các vấn đề từ váng xà phòng đến các vấn đề bền vững toàn cầu.

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn

Nguồn

­