Viele neue Erfindungen und Technologien lassen sich von der Natur inspirieren. Die Modellierung künstlicher Produkte nach biologischen Prozessen wird als Biomimikrie oder Biomimetik bezeichnet. Janine Benyus, Mitbegründerin des Biomimicry Institute, popularisierte den Begriff in ihrem 1997 erschienenen Buch Biomimicry. „Biomimikry“, schrieb sie, “ nimmt im Grunde genommen eine Designherausforderung an und findet dann ein Ökosystem, das diese Herausforderung bereits gelöst hat, und versucht buchstäblich zu emulieren, was Sie lernen.,“
Während Wissenschaftler, die die natürliche Welt studieren, ihre Ergebnisse enthüllen, ziehen Erfinder und Ingenieure aus diesen neuen Enthüllungen und wenden die Lösungen der Natur auf neue Technologien an. Ob die Probleme, die Forscher lösen wollen, den Bau besserer Roboter, die effizientere Verfolgung von Krebszellen oder die Verbesserung von Teleskopen zur Erforschung des Weltraums beinhalten, eine nützliche Lösung kann in Lebewesen gefunden werden.
Hier sind zehn Erkenntnisse aus dem Jahr 2020, die eines Tages zu neuen Erfindungen führen könnten.,
Saugerfische surfen auf dem Rücken anderer Meerestiere
Schiffshaltern sind die ocean ‚ s Anhalter., Auch bekannt als Saugerfische, Walfänger oder Sharksucker, Die ein-bis drei Fuß langen Schwimmer verankern sich an Blauwale oder Zebrahaie mit einer saugnapfähnlichen Scheibe, die „wie ein flacher, klebriger Hut auf dem Kopf sitzt“, so die New York Times. Aber diese Saugerfische sind nicht nur mooching eine freie Fahrt. In diesem Jahr fanden Forscher heraus, dass die Fische tatsächlich auf dem Rücken ihres Chauffeurs „surfen“ können, während das Paar unterwegs ist., Die Remoras gleiten entlang des Körpers ihres Wirts und gruppieren sich in der Nähe des Blaslochs und der Rückenflosse eines Wals, wo es nur minimalen Widerstand gibt—während sie an abgestorbener Haut und Parasiten knabbern.
Die Forscher Brooke Flammang, Jeremy Goldbogen und ihre Teams fanden heraus, dass der Standort der Remora der Schlüssel zum Abhängen ist. Der Bereich zwischen Blasloch und Rückenflosse, insbesondere bei Blauwalen, hat „viel niedrigere Geschwindigkeit Flüssigkeit“, als wenn es „nur ein paar Zentimeter höher“ auf dem Körper des Wals wäre, Flammang erzählt the Times.
Die „Saugscheibe“ des Fisches klebt auch nicht wirklich an der Haut des Wals., Stattdessen schwebt es knapp darüber und schafft eine Niederdruckzone, die den Fisch in der Nähe des Wals saugt und verhindert, dass er in den Abgrund fliegt—die meiste Zeit.
Flammang, Biologin am New Jersey Institute of Technology, hat bereits an einer künstlichen Saugscheibe gearbeitet, die von der Remora inspiriert ist und mit der Kameras und Tracking-Geräte an gefährdeten Meerestieren wie Blauwalen befestigt werden sollen. Derzeit verwenden Forscher regelmäßige Saugnäpfe, um Kameras an ihren Forschungsthemen zu befestigen, aber diese halten nur ihren Griff von 24 bis 48 Stunden., Flammangs neues Gerät wird wochenlang eingeschaltet bleiben und den Widerstand reduzieren. Sie und ihr Team testen derzeit die Scheibe auf konformen Oberflächen und entwerfen ein remora-förmiges Gehäuse für die Kamera. Schließlich werden sie das Gerät an lebenden Tieren testen, darunter Wale, Delfine, Haie und Mantarochen.
„Bioinspirierte Fortschritte in der Befestigung, die von Dr. Flammangs Labor entwickelt wurden, werden revolutionieren, wie wir in der Lage sind, Tags an Tieren mit größerem Erfolg und Wirksamkeit zu erhalten“, schreibt Goldbogen, ein Meeresbiologe an der Stanford University, an Smithsonian Magazine., „Vielleicht könnten zukünftige Tags nicht nur anbringen, sondern auch wie Remoras an den idealen Ort für spezifische physiologische Probenahmen surfen und kriechen.“
Fischflossen sind so empfindlich wie Fingerspitzen
Fischflossen dienen nicht nur zum Lenken und Schwimmen, fanden der Neurowissenschaftler der Universität Chicago, Adam Hardy, und sein Labor in diesem Jahr. Tatsächlich entdeckten die Forscher, dass Flossen so empfindlich sind wie Fingerspitzen von Primaten. Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, untersuchten die Wissenschaftler runde Grundeln, eine Art Grundwohnfisch, der an Orten wie dem Schwarzen Meer und dem Kaspischen Meer heimisch ist, aber invasive Populationen leben überall von europäischen Flüssen bis zu den Großen Seen., Diese kleinen Lebewesen sind dafür bekannt, auf Felsen zu „sitzen“ und ihre Flossen entlang des Felsbetts der Seen zu bürsten.
Um festzustellen, wie empfindlich die Flossen der Grundeln waren, injizierte das Team eingeschläferten Fischen eine Kochsalzlösung, die ihre Nerven während ihres Experiments normal funktionierte. Sie verwendeten dann ein spezielles Gerät, um die Muster der elektrischen Impulse aufzuzeichnen, die die Nerven erzeugten, als die Flossen des Fisches gegen ein geriffeltes Rad gebürstet wurden., Diese Maßnahme zeigte dem Team, dass Flossen „wirklich feine Details wahrnehmen“, sagte Studienautorin Melina Hale, ebenfalls Neurowissenschaftlerin an der University of Chicago, gegenüber Science News.
Die Forscher hoffen, dass diese Entdeckung Fortschritte in der sensorischen Robotertechnologie anregen kann, insbesondere bei Unterwasser-Bots.
Das Exoskelett des teuflischen eisernen Käfers ist unzerstörbar
Der teuflische Eisenkäfer wird seinem Namen absolut gerecht. Während die meisten Käfer nur wenige Wochen leben, haben diese Käfer eine Lebensdauer von etwa acht Jahren, was in etwa einem Menschen entspricht, der mehrere tausend Jahre lebt. Um eine solche Leistung zu erreichen, haben sie einige bemerkenswerte Rüstungen entwickelt.
Das ungefähr Zoll lange Insekt kann überleben, wenn es von einem Auto überfahren wird—und wenn Sie das nicht glauben können, University of California, Irvine Ingenieur David Kisailus und sein Team stapelten sich in einem Toyota Camry und liefen einen über zweimal, und es lebte., Nach mehreren weiteren technischen Experimenten stellte das Team fest, dass der Käfer immensem Druck standhalten kann—bis zum 39.000-fachen seines eigenen Körpergewichts.
Mehrere Faktoren tragen zur Robustheit des Käfers bei. Das Exoskelett des Käfers ist flach, nicht abgerundet, wie zum Beispiel ein Marienkäfer. Innerhalb des Exoskeletts befinden sich proteinreiche Schichten, die sich einzeln verschieben können, ohne dass die gesamte Schale bricht. Die beiden Hälften der Schale sind wie ein Puzzleteil miteinander verbunden. Die Schichten folgen den rätselartigen Kurven und verstärken den dünnsten Teil des Gelenks—den halsartigen Teil, in dem die beiden Hälften ineinander greifen.,
In ihrem Papier schlagen die Forscher vor, dass ein Käfer-inspirierter Verriegelungsverschluss möglicherweise ähnlich geformte, aber schichtlose Verbindungen ersetzen könnte, die zur Sicherung von Flugzeugturbinen verwendet werden. Das Team erstellte ein 3D-Druckmodell mit „Laminierung“ oder Schichten. Sie prognostizieren, dass dieser Befund „sofortigen Nutzen gegenüber Luftfahrtbefestigungselementen“ bringen könnte, die eine verbesserte Festigkeit und eine erheblich erhöhte Zähigkeit bieten.“Aber wirklich, dieses Design könnte jederzeit verwendet werden zwei verschiedene Materialien-wie Metall und Kunststoff—müssen verbunden werden, wie in Brücken, Gebäuden und Fahrzeugen, auch.,
Die ultraschwarze Pigmentierung von sechzehn Tiefseefischarten wird erklärt
Als die Meeresbiologin Karen Osborn und ihr Team versehentlich einen Fangzahnfisch im Netz der Krabben im tiefen Ozean hochzogen, versuchten sie, sein Bild zu machen., Aber versuchen Sie es, Details des Jet-Black-Fisches konnten nicht erfasst werden. Der Fisch war buchstäblich unfotogen, erfuhren sie später, weil sein Gewebe 99,5 Prozent des Lichts aus dem Blitz einer Kamera absorbierte.
Der Fangtooth und 15 andere in der Studie enthaltene Arten haben eine ultraschwarze Pigmentierung, die es ihnen ermöglicht, sich in die pechdunkle Umgebung des Tiefen Ozeans einzufügen. Obwohl Licht diesen Teil des Ozeans nicht erreichen kann, sind einige Fische Biolumineszenz. Für hinterhältige Raubtiere ist die Tarnung in den dunklen Abgrund—oder besser noch das Absorbieren von Licht-der beste Unsichtbarkeitsmantel der Natur.,
Viele Tiere an Land und auf See haben eine sehr schwarze Färbung, aber vom Menschen hergestellte Farbe reflektiert etwa 10 Prozent des Lichts und die meisten anderen schwarzen Fische reflektieren 2 Prozent des Lichts. Um die ultraschwarze Schwelle zu überschreiten, mussten diese 16 Arten nur reflektieren .5 prozent aller Licht scheint ihren weg. Diese Arten erreichten dieses Kunststück mit dicht gepackten, jumbo-großen, kapselförmigen Melanosomen oder Zellen, die dunkles Pigment enthalten. In anderen schwarzen, aber nicht ultraschwarzen Tieren sind Melanosomen lose verteilt, kleiner und runder in der Form.,
Durch die Nachahmung der Form, Struktur und Dispersion der Melanosomen des ultraschwarzen Fisches können Materialwissenschaftler möglicherweise künstliches ultraschwarzes Pigment erzeugen. Dieses Pigment könnte verwendet werden, um das Innere von Teleskopen zu beschichten, um einen besseren Blick auf den Nachthimmel zu erhalten oder die Lichtabsorption auf Sonnenkollektoren zu verbessern. Es könnte sogar Marineforscher interessieren, sagte Osborn Smithsonian im Juli. „Wenn Sie, sagen wir, Rüstungen herstellen würden, die Melanin auf der Außenseite hatten, wären Sie großartig für Nachtoperationen“, sagt sie.,
Wenn tropische Schlangen von Baum zu Baum aufsteigen, wellen Sie sich für Stabilität
Als ob Bodenschlangen und Schwimmschlangen nicht genug wären, fliegen fünf Schlangenarten.“Um fair zu sein, ist dieser Flug eher ein hochkoordinierter Fall. Es sieht dem Zappeln und Seitenwickeln an Land ähnlich, aber mit Hilfe der Schwerkraft. Oder wie Virginia Tech Biomechanik Forscher Jake Socha sagte der New York Times, Snake Flight ähnelt einem “ großen, wackelig, Band Sache.,“
Die Schlangen glätten ihren runden Torso in eine abgeflachte, dreieckige Form, um mehr Luft zu fangen und von einem Baum zum anderen zu gleiten, manchmal Dutzende Meter entfernt. Aber die ganzen Seite-zu-Seite, loopy Lunges, die sie in der Luft machen, machten für Wissenschaftler nicht so viel Sinn. Das ist, bis Socha und sein Team die vierstöckige Blackbox-Arena von Virginia Tech namens The Cube vermietet haben. Darin rüsteten sie sieben fliegende Schlangen mit reflektierendem Klebeband aus und zeichneten ihre Sprünge mehr als 150 Mal auf Hochgeschwindigkeitskameras auf. (Keine Sorge., Das Team musste das Sicherheitsprotokoll bestehen, und die Arena war mit Schaumböden und gefälschten Bäumen ausgestattet.)
Snake-Flug passiert wirklich schnell, so dass die reflektierende Band konnte die Mannschaft wieder den Flug mit 3-D-Computermodell. Das Team stellte fest, dass sich die Schlangen doppelt so oft vertikal wellten wie horizontal und ihren Schwanz auch auf und ab bewegten. Virginia Tech Maschinenbauingenieur Isaac Yeaton sagte der Times, “ Andere Tiere wellenförmig für den Antrieb. Wir zeigen, dass fliegende Schlangen für Stabilität wellenförmig sind.,“
Das Team hofft, dass ihre Ergebnisse verwendet werden können, um eine Art fliegenden Schlangensuch-und-Rettungsroboter zu entwickeln. Yeaton sagt, der Vorteil von schlangeninspirierten Robotern sei ihre stabile Fortbewegung und die Fähigkeit, sich durch enge Räume zu schleichen, die dazu führen können, dass Ihr typischer Bot stolpert oder fällt. Er hat vielleicht eines Tages im Visier, einen Bot zu entwickeln, der alle Drehungen, Biegungen, Schwärme und Wackeln der Schlange in einem einzigen Roboter nachahmen kann.,
„Kombiniert man sie zusammen, könnte man eine Plattform haben, die sich durch komplexe Umgebungen bewegen könnte: Der Roboter kann einen Baum oder ein Gebäude besteigen, schnell in einen anderen Bereich gleiten und dann woanders hinrutschen oder schwimmen“, erzählt Yeaton Smithsonian Magazin per E-Mail. „Es gibt technische Herausforderungen, aber ich bin inspiriert davon, wie fähig die echten fliegenden Schlangen sind und die jüngsten Fortschritte im bioinspirierten Design.,“
Kleine, Kaulquappen-ähnliche Meerestiere machen schleimige aufblasbare Filtersysteme
Riesenlarven sind wie Kaulquappen geformt, nur etwas größer; Ihre Körper messen bis zu vier Zoll lang., Diese winzigen Kreaturen leben frei Hunderte von Fuß unter der Meeresoberfläche, wo Nahrungsquellen knapp sind.
In diesem Jahr verwendeten die Forscher Laserscanning-Tools, um die komplexen „Rotzpaläste“ zu enthüllen, die die Kreaturen bauen, wie Studienautor und Bioingenieur Kakani Katija vom Monterey Bay Aquarium Research Institute die Strukturen nennt. Diese winzigen armlosen, beinlosen Kreaturen bauen mit ihren eigenen Sekreten aufwändige Rotzwolken mit Kammern, gerippten Wänden, Tunneln, Hallen und Rutschen.,
Ähnlich wie Spinnen und ihre Netze nutzen Larven diese schleimigen Strukturen, um winzige, spärliche Nahrungspartikel einzufangen. Ihr kleiner Körper sitzt mitten im „Haus“, während sie mit ihrem kleinen Schwanz wedeln, um Wasser durch das Labyrinth der Kanäle und in ihren Mund zu pumpen—fast wie ein ausgeklügeltes Sanitärsystem. Die Wolke dient gleichzeitig als Unsichtbarkeitsmantel, indem sie die Bewegung des Lebewesens in den dunklen Tiefen verbirgt, in denen jede falsche Bewegung ein Todesurteil ist.
Katija hofft, sich von diesen Lebewesen inspirieren zu lassen, um eines Tages ein biomimetisches aufblasbares Filtersystem zu schaffen., Da diese Tiere Partikel herausfiltern können, die kleiner als Viren sind, könnten möglicherweise medizinische oder HEPA-Filter mit einem solchen Gerät verbessert werden.
„Wir befinden uns noch in der Entdeckungsphase dieses Projekts, und ich hoffe, dass andere Forscher die Fackel abholen werden“, sagt Katija dem Smithsonian Magazine per E-Mail.
Ein eisengepacktes Protein ist der Schlüssel zum glühenden blauen Goo eines Röhrenwurms
Die Blitze von biolumineszierenden Lebewesen, wie Glühwürmchen, dauern in der Regel von weniger als einer Sekunde bis höchstens 10 Sekunden. Aber nicht der Meerespergamentrohrwurm-diese Ozeanschwimmer produzieren einen leuchtend blauen Goo, der zwischen 16 und 72 Stunden lang ruhig bleibt. Weil der Schleim außerhalb des Wurmkörpers immer wieder scheint, verschwendet er nicht die Energie des Organismus, was großartig für das Überleben des Wurms ist, sondern wirft die Frage auf: Wie schimmert er so lange?,
Die Forscher Evelien De Meulenaere, Christina Puzzanghera und Dimitri D. Deheyn von der University of California in San Diego untersuchten die komplizierte Chemie des Wurmschleims und stellten fest, dass er ein eisengepacktes Protein namens Ferritin enthält, das Ionen oder elektrisch geladene Atome emittiert. Diese Form von Ferritin reagiert mit dem blauen Licht und löst mehr Ionenproduktion aus, was wiederum das Licht in einer Rückkopplungsschleife glühen lässt.
Das Team hofft, das einzigartige Photoprotein des Röhrenwurms—oder ein Protein, das mit Biolumineszenz verbunden ist—zu replizieren, um Krebszellen während der Operation zu beleuchten., Einfacher gesagt, sagt Deheyn auch, dass sie eine synthetische biologische Batterie entwickeln könnten, die in Notsituationen verwendet werden könnte, wenn Strom aus ist. Er vergleicht die Idee mit Glow-in-the-Dark-Aufklebern.
„Leuchtende Aufkleber leuchten weiter, weil sie tagsüber Sonnenlicht angesammelt und nachts freigesetzt haben“, sagt er Smithsonian. „Stellen Sie sich jetzt vor, Sie brauchen kein Sonnenlicht, Sie müssten nur Eisen hinzufügen. Diese Arten von Anwendungen könnten als tragbare biologische Lichter für den Notfall verwendet werden., Zum Beispiel brauchen Sie vielleicht Licht auf einem Landeplatz für Hubschrauber oder Flugzeuge bei einem Stromausfall.“
Hummeln wissen vielleicht, wie groß sie sind
Hummeln haben den Ruf, ungeschickt zu sein, aber vielleicht ist das ein bisschen eine Fehleinschätzung in unserem Namen. An einem Sommertag beobachtete Ingenieur Sridhar Ravi von der University of New South Wales in Canberra, wie Bienen mühelos durch Äste und Sträucher navigierten. Er war schockiert, dass ein Organismus mit einem eher kleinen Gehirn diese Herausforderungen meistern kann.,
Um die Bienen auf die Probe zu stellen, verbanden Ravi und sein Team in ihrem Labor einen Tunnel mit einem Bienenstock. Sie platzierten einen schmalen Spalt innerhalb des Tunnels als Hindernis und machten ihn mit der Zeit immer kleiner. Als die Lücke kleiner war als die Flügelspannweiten der Bienen, machten sie eine Pause, um die Öffnung zu scannen, und drehten sich dann zur Seite, um durch die Lücke zu gelangen, ohne ihre Flügel zu beschädigen. Das Erreichen selbst dieser kleinen Leistung erfordert ein gewisses Bewusstsein dafür, wie groß der Körper aus verschiedenen Blickwinkeln ist, eine Begabung, von der Insekten im Allgemeinen nicht angenommen werden.,
Aber wenn kleine Bienen damit umgehen können, sagt Ravi, dass Roboter möglicherweise keine großen komplizierten Prozessoren benötigen, um besser in ihrer Umgebung zu navigieren. „Komplexe Wahrnehmungen brauchen kein ausgeklügeltes, großes Gehirn und können auf kleinen Skalen mit viel weniger Neuronen erreicht werden“, sagt er Smithsonian. Diese Idee ist aufregend, wenn man darüber nachdenkt, weniger ungeschickte Roboter zu entwickeln. Hoffentlich können die Forscher ihre Ergebnisse nutzen, um die Flug-oder Schwimmfähigkeiten von Robotern zu verbessern.,
„Der Abschluss von bloßer Sensorik, um wahrnehmen zu können, wird eine Epoche auf dem Gebiet der Robotik markieren“, sagt Ravi.
Die Körperpanzerung einer Blattschneiderameise hat eine zusätzliche Schutzschicht auf Mineralbasis
Als der Evolutionsbiologe Hongjie Li feststellte, dass die von ihm untersuchten Blattschneiderameisen eine dünne Schicht mineralischer Körperpanzerung hatten, sagte er zu seinem Kollegen: „Ich habe Gesteinsameisen gefunden.“
Um das Exoskelett der Ameise weiter zu untersuchen, müsste die Beschichtung entfernt werden, aber wie? Li hatte eine Epiphanie beim Zähneputzen, erzählt er Science News. Mundwasser entfernt viel Müll von unseren Zähnen, ohne Wangen, Zahnfleisch und Zunge zu beschädigen. Seine Vermutung tat den Trick, und Mundwasser löste die Mineralschicht auf, ohne das Exoskelett zu beschädigen., Durch traditionellere Laborexperimente stellte das Team fest, dass die Mineralbeschichtung aus Calcit mit einer hohen Magnesiumkonzentration besteht. Bei Seeigeln wird angenommen, dass diese Mischung aus Calcit und Magnesium die kleine „Steinspitze“ ihres Zahnes in die Lage versetzt, Kalkstein zu durchmahlen.
„Die Integration von Magnesium in Calcit könnte besonders vorteilhaft für jede Nanotechnologie sein, bei der Calcit verwendet wird, z. B. in Kunststoffen, Klebstoffen, Baumörtel und Zahnmedizin“, erklären die Studienautoren Cameron Currie und Pupa Gilbert in einer E-Mail an Smithsonian Magazine.,
Darüber hinaus ist die mineralische Beschichtung nicht etwas, mit dem die Ameisen geboren werden, sondern etwas, mit dem sie sich im Handumdrehen entwickeln können, wenn sie es brauchen, erklärt Currie.
„Es ist unglaublich, dass unsere Ameisen diese Projektion massiv verbessern können, indem sie schnell eine dünne und leichte Nanokristallbeschichtung bilden“, sagt er. „Dies unterstreicht die potenzielle Anwendung einer solchen Nanomaterialbeschichtung zur Verbesserung der Körperpanzerung.,“
Einige Motten haben einen akustischen Umhang, der das Fledermaus-Sonar dämpft
Eine Motte zu sein, die sich verzweifelt vor einem Raubtier versteckt, das Ton zum“ Sehen “ verwendet, ist keine leichte Aufgabe, aber einige dieser geflügelten Insekten haben beeindruckende Eigenschaften entwickelt, um sich vor Fledermäusen zu schützen.,
Neben dem klangenthärtenden Fell haben zwei ohrlose Mottenarten gabelförmige Schuppen an ihren Flügeln, die helfen, Fledermaussonar zu absorbieren, fanden Forscher Anfang dieses Jahres heraus. Die Flügel einzelner Motten sind mit Zehntausenden dieser winzigen Schuppen bedeckt, die jeweils weniger als Millimeter lang und nur wenige hundert Mikrometer dick sind. Jede Skala verzerrt den Klang des Flügels, verlangsamt seine akustische Energie und wiederum reflektiert weniger Schall zurück zu den Fledermäusen., Die Skalen scheinen mit einer anderen Frequenz zu schwingen und als Ganzes können sie „mindestens drei Oktaven Ton absorbieren“, berichtet Anthony King für Chemistry World.
„Sie sind im Nanometermaßstab stark strukturiert mit stark perforierten gewellten Ober-und Unterschichten, die durch ein Netzwerk von winzigen Säulen miteinander verbunden sind“, sagt Studienautor Marc Holderied von der University of Bristol gegenüber Chemistry World.
Holderied schätzt, dass Motten-inspirierte Schallschutztechniken Materialien “ 10 – mal effizienter bei der Schallabsorption machen könnten.,“Anstatt sperrige Paneele in Häusern und Büros zu installieren, sieht er schallabsorbierende Tapeten, die mit skalenartigen Nanostrukturen beschichtet sind.
Holderied könnte auch sehen, dass dieser Befund breitere Anwendungen auf Branchenebene hat. „Wir sind in der Tat sehr begeistert von den breiten Anwendungsperspektiven dieses Materials“, sagt er Smithsonian. „Jeder Bereich von der Architektur -, Maschinen-und Transportakustik, in dem Schallabsorption mit reduziertem Platzbedarf von Vorteil ist, würde von dünneren motteninspirierten Lösungen profitieren.”