Molte nuove invenzioni e tecnologie traggono ispirazione dalla natura. La pratica di modellare prodotti artificiali dopo processi biologici è chiamata biomimetica o biomimetica. Janine Benyus, co-fondatrice del Biomimicry Institute, ha reso popolare il termine nel suo libro del 1997, Biomimicry. “La biomimetica”, ha scritto, ” sta fondamentalmente prendendo una sfida progettuale e poi trovando un ecosistema che ha già risolto quella sfida, e letteralmente cercando di emulare ciò che impari.,”
Mentre gli scienziati che studiano il mondo naturale rivelano le loro scoperte, inventori e ingegneri stanno attingendo da queste nuove rivelazioni e applicando le soluzioni della natura alle nuove tecnologie. Sia che i problemi che i ricercatori stanno cercando di risolvere coinvolgano la costruzione di robot migliori, il monitoraggio delle cellule tumorali in modo più efficiente o il miglioramento dei telescopi per studiare lo spazio, una soluzione utile può essere trovata negli esseri viventi.
Ecco dieci risultati del 2020 che potrebbero un giorno portare a nuove invenzioni.,
Suckerfish Surf on the Backs of Other Sea Creatures
Le remore sono gli autostoppisti dell’oceano., Conosciuto anche come suckerfish, whalesuckers o sharksuckers, i nuotatori lunghi da uno a tre piedi si ancorano alle balene blu o agli squali zebra con un disco simile a una ventosa che “si siede sulla loro testa come un cappello piatto e appiccicoso”, secondo il New York Times. Ma questi suckerfish non stanno solo muggendo un giro gratis. Quest’anno, i ricercatori hanno scoperto che i pesci possono effettivamente “navigare” lungo la schiena del loro autista mentre la coppia è in transito., Le remore scivolano lungo il corpo del loro ospite, raggruppandosi vicino allo sfiatatoio di una balena e alla pinna dorsale dove c’è una minima resistenza—per tutto il tempo rosicchiando pelle morta e parassiti.
I ricercatori Brooke Flammang, Jeremy Goldbogen e le loro squadre hanno scoperto che la posizione scelta del remora è la chiave per appendere. L’area tra lo sfiatatoio e la pinna dorsale, specialmente sulle balene blu, ha “fluido molto più basso” che se fosse “solo pochi centimetri più alto” sul corpo della balena, Flammang dice al Times.
Il “disco di suzione” del pesce non si attacca nemmeno alla pelle della balena., Invece si libra appena sopra, creando una zona di bassa pressione che risucchia il pesce vicino alla balena e gli impedisce di volare nell’abisso—la maggior parte del tempo.
Flammang, un biologo presso il New Jersey Institute of Technology, ha già ottenuto di lavorare su un disco di aspirazione artificiale ispirato alla remora che spera sarà utilizzato per collegare telecamere e dispositivi di localizzazione di animali marini in via di estinzione, come le balene blu. Attualmente, i ricercatori utilizzano ventose regolari per fissare le telecamere ai loro soggetti di ricerca, ma quelli mantengono solo la presa da 24 a 48 ore., Il nuovo dispositivo di Flammang rimarrà acceso per settimane e ridurrà la resistenza. Lei e il suo team stanno attualmente testando il disco su superfici conformi e progettando un involucro a forma di remora per la fotocamera. Alla fine, proveranno sul campo il dispositivo su animali vivi, tra cui balene, delfini, squali e mante.
“I progressi bioinspirati nell’attaccamento sviluppati dal laboratorio del Dr. Flammang rivoluzioneranno il modo in cui siamo in grado di ottenere tag sugli animali con maggiore successo ed efficacia”, Goldbogen, un biologo marino della Stanford University, scrive alla rivista Smithsonian., “Forse i tag futuri potrebbero non solo attaccare, ma anche navigare e gattonare proprio come remoras nel punto ideale per un campionamento fisiologico specifico.”
Le pinne dei pesci sono sensibili come la punta delle dita
Pinne di pesce non sono solo per lo sterzo e il nuoto, Università di Chicago neuroscienziato Adam Hardy e il suo laboratorio ha trovato quest’anno. In effetti, i ricercatori hanno scoperto che le pinne sono sensibili quanto le dita dei primati. Per raggiungere questa conclusione, gli scienziati hanno studiato i ghiozzi rotondi, un tipo di pesce di fondo originario di luoghi come il Mar Nero e il Mar Caspio, ma popolazioni invasive vivono ovunque dai fiumi europei ai Grandi Laghi., Queste piccole creature sono note per “posarsi” sulle rocce, spazzolando le pinne lungo il letto roccioso dei laghi.
Per determinare la sensibilità delle pinne dei ghiozzi, il team ha iniettato ai pesci eutanizzati una soluzione salina che manteneva i loro nervi funzionanti normalmente durante il loro esperimento. Hanno poi usato un dispositivo speciale per registrare i modelli di impulsi elettrici i nervi prodotti quando le pinne del pesce spazzolato contro una ruota increspata., Questa misura ha mostrato al team che le pinne percepivano “dettagli davvero fini”, ha detto a Science News la coautore dello studio Melina Hale, anche lei neuroscienziata presso l’Università di Chicago.
I ricercatori sperano che questa scoperta possa ispirare progressi nella tecnologia sensoriale robotica, specialmente nei robot subacquei.
L’esoscheletro del diabolico Scarabeo Ironclad è indistruttibile
Il diabolico scarabeo ironclad è assolutamente all’altezza del suo nome. Mentre la maggior parte degli insetti vive solo poche settimane, questi coleotteri hanno una durata di circa otto anni, che è all’incirca l’equivalente di un essere umano che vive diverse migliaia di anni. Per raggiungere una tale impresa, hanno evoluto alcune armature notevoli.
L’insetto lungo circa un pollice può sopravvivere investito da un’auto-e se non riesci a crederci, l’Università della California, l’ingegnere di Irvine David Kisailus e il suo team si sono ammassati in una Toyota Camry e ne hanno eseguito uno su due volte, ed è vissuto., Dopo diversi esperimenti più tecnici, il team ha scoperto che il coleottero può sopportare un’immensa pressione – fino a 39.000 volte il proprio peso corporeo.
Diversi fattori contribuiscono alla robustezza del coleottero. L’esoscheletro del coleottero è piatto, non arrotondato, come una coccinella, per esempio. All’interno dell’esoscheletro ci sono strati ricchi di proteine, che possono spostarsi individualmente senza che l’intero guscio si rompa. Le due metà del guscio sono unite insieme come un pezzo di puzzle. Gli strati seguono le curve simili a puzzle, rinforzando la parte più sottile dell’articolazione—la punta simile al collo in cui le due metà sono interbloccate.,
Nel loro articolo, i ricercatori suggeriscono che un dispositivo di fissaggio ad incastro ispirato al coleottero potrebbe forse sostituire i giunti a forma simile, ma senza strati, utilizzati per fissare le turbine degli aerei. Il team ha creato un modello stampato in 3D completo di” laminazione ” o strati. Prevedono che questa scoperta potrebbe introdurre ” benefici immediati rispetto ai dispositivi di fissaggio per l’aviazione, fornendo una maggiore resistenza e una maggiore tenacità.”Ma in realtà, questo design potrebbe essere utilizzato in qualsiasi momento due materiali diversi—come metallo e plastica—devono essere congiunti, come in ponti, edifici e veicoli, anche.,
La pigmentazione ultra-nera di sedici specie di pesci di acque profonde è spiegata
Quando Museo Nazionale di Storia Naturale biologa marina Karen Osborn e il suo team accidentalmente tirato su un pesce fangtooth profondo oceano nella loro rete di granchi, hanno cercato di scattare la sua foto., Ma provare come potrebbero, dettagli del pesce jet-nero non poteva essere catturato. Il pesce era letteralmente unphotogenic, hanno poi imparato, perché il suo tessuto stava assorbendo 99.5 per cento della luce dal flash di una fotocamera.
Il fangtooth e altre 15 specie incluse nello studio, sfoggiano una pigmentazione ultra-nera che consente loro di mimetizzarsi nell’ambiente buio pesto dell’oceano profondo. Anche se la luce non può raggiungere questa parte dell’oceano, alcuni pesci sono bioluminescenti. Per i predatori subdoli, mimetizzarsi nell’abisso oscuro—o meglio ancora assorbire la luce—è il miglior mantello dell’invisibilità della natura.,
Molti animali sulla terra e sul mare hanno una colorazione molto nera, ma il colore fatto dall’uomo riflette circa il 10% della luce e la maggior parte degli altri pesci neri riflette il 2% della luce. Per attraversare la soglia ultra-nera, queste 16 specie dovevano solo riflettere .5 per cento di tutta la luce che brilla la loro strada. Queste specie hanno raggiunto questa impresa con melanosomi densamente confezionati, di dimensioni enormi, a forma di capsula o cellule contenenti pigmento scuro. In altri animali neri, ma non ultra-neri, i melanosomi sono vagamente sparsi, più piccoli e più rotondi.,
Imitando la forma, la struttura e la dispersione dei melanosomi dei pesci ultra-neri, gli scienziati dei materiali potrebbero essere in grado di creare pigmenti artificiali ultra-neri. Questo pigmento potrebbe essere utilizzato per rivestire l’interno dei telescopi per ottenere una migliore visione del cielo notturno o migliorare l’assorbimento della luce sui pannelli solari. Potrebbe anche interessare i ricercatori navali, Osborn ha detto Smithsonian nel mese di luglio. “Se dovessi creare, diciamo, un’armatura con melanina all’esterno, saresti fantastico per le operazioni notturne”, dice.,
Quando si librano da un albero all’altro, i serpenti tropicali ondulano per la stabilità
Come se i serpenti terrestri e i serpenti nuotatori non fossero sufficienti, cinque specie di serpenti “volano.”Per essere onesti, questo volo è davvero più simile ad una caduta altamente coordinata. Sembra un po ‘ simile al guizzo e avvolgimento laterale che fanno sulla terra, ma con l’aiuto della gravità. O come Virginia Tech biomeccanica ricercatore Jake Socha ha detto al New York Times, volo serpente assomiglia a un ” grande, sinuosa, cosa nastro.,”
I serpenti appiattiscono il torso rotondo in una forma triangolare appiattita per catturare più aria e scivolare da un albero all’altro, a volte a decine di metri di distanza. Ma l’intero lato a lato, affondi loopy che fanno in aria non aveva molto senso per gli scienziati. Questo fino a quando Socha e il suo team hanno affittato l’arena della scatola nera di quattro piani di Virginia Tech chiamata the Cube. In esso, hanno equipaggiato sette serpenti volanti con nastro riflettente e registrato i loro salti su telecamere ad alta velocità più di 150 volte. (Non ti preoccupare., La squadra ha dovuto passare il protocollo di sicurezza del serpente, e l’arena era dotata di pavimenti in schiuma e alberi finti.)
Il volo del serpente avviene molto velocemente, quindi il nastro riflettente ha permesso al team di ricreare il volo utilizzando la modellazione al computer 3-D. Il team ha scoperto che i serpenti ondulavano verticalmente due volte più spesso che in orizzontale, spostando la coda su e giù. L’ingegnere meccanico della Virginia Tech Isaac Yeaton ha detto al Times: “Altri animali ondulano per la propulsione. Mostriamo che i serpenti volanti ondulano per la stabilità.,”
Il team spera che le loro scoperte possano essere utilizzate per creare una sorta di robot di ricerca e salvataggio di serpenti volanti. Yeaton dice che il vantaggio dei robot ispirati ai serpenti è la loro locomozione stabile e la capacità di intrufolarsi in spazi ristretti che potrebbero causare il tipico bot a inciampare o cadere. Ha gli occhi puntati su forse un giorno la creazione di un bot in grado di imitare tutti i colpi di scena del serpente, si flette, devia e si dimena in un unico robot.,
“Combinandoli insieme, potresti avere una piattaforma che potrebbe muoversi attraverso ambienti complessi: il robot può salire su un albero o un edificio, scivolare rapidamente in un’altra area e poi scivolare o nuotare da qualche altra parte”, dice Yeaton alla rivista Smithsonian via e-mail. “Ci sono sfide ingegneristiche per farlo, ma sono ispirato da quanto siano capaci i veri serpenti volanti e dai recenti progressi nel design bioinspirato.,”
Piccole creature marine simili a girini creano viscidi sistemi di filtrazione gonfiabili
I larvacei giganti hanno la forma di girini, solo leggermente più grandi; i loro corpi misurano fino a quattro pollici di lunghezza., Queste minuscole creature vivono liberamente a centinaia di metri sotto la superficie del mare, dove le fonti di cibo sono scarse.
Quest’anno, i ricercatori hanno utilizzato strumenti di scansione laser per svelare i complessi “palazzi moccio” le creature costruire, come autore dello studio e bioingegnere Kakani Katija di Monterey Bay Aquarium Research Institute chiama le strutture. Queste minuscole creature senza braccia e senza gambe usano le proprie secrezioni per costruire elaborate nuvole di moccio complete di camere, pareti a coste, tunnel, sale e scivoli.,
Proprio come i ragni e le loro ragnatele, i larvacei usano queste strutture mucose per catturare minuscole particelle di cibo sparse che galleggiano. Il loro piccolo corpo si trova nel mezzo della” casa”, mentre scodinzolano la loro piccola coda per pompare acqua attraverso il labirinto di canali e nelle loro bocche—quasi come un elaborato sistema idraulico di sorta. La nuvola funge anche da mantello dell’invisibilità nascondendo il movimento della creatura nelle profondità oscure dove qualsiasi mossa falsa è una condanna a morte.
Katija spera di trarre ispirazione da queste creature per creare un giorno un sistema di filtrazione gonfiabile biomimetico., Dato che questi animali possono filtrare particelle più piccole dei virus, forse i filtri di grado medico o HEPA potrebbero essere migliorati con un dispositivo del genere.
“Siamo ancora nelle fasi di scoperta di questo progetto, e spero che altri ricercatori raccoglieranno la torcia”, dice Katija alla rivista Smithsonian via e-mail.
Una proteina ricca di ferro è la chiave per il Goo blu incandescente di un verme del tubo
I lampi di creature bioluminescenti, come le lucciole, in genere durano da meno di un secondo a un massimo di 10 secondi. Ma non il verme del tubo pergamena marina—questi nuotatori oceanici producono un goo blu brillante che rimane acceso per ovunque da 16 a 72 ore. Poiché la melma continua a brillare al di fuori del corpo del verme, non spreca l’energia dell’organismo, che è grande per la sopravvivenza del verme, ma pone la domanda: come fa a continuare a brillare per così tanto tempo?,
I ricercatori dell’Università della California, San Diego Evelien De Meulenaere, Christina Puzzanghera e Dimitri D. Deheyn hanno esaminato la complicata chimica del muco del verme e hanno scoperto che contiene una proteina ricca di ferro chiamata ferritina, che emette ioni o atomi caricati elettricamente. Questa forma di ferritina reagisce con la luce blu, innescando più produzione di ioni, che a sua volta mantiene la luce incandescente in un ciclo di feedback.
Il team spera di replicare fotoproteina unica del verme tubo—o una proteina legata alla bioluminescenza—per illuminare le cellule tumorali durante l’intervento chirurgico., Su una nota più semplice, Deheyn dice anche che potrebbero sviluppare una batteria biologica sintetica di sorta che potrebbe essere utilizzato in situazioni di emergenza quando l’elettricità è fuori. Egli paragona l’idea di glow-in-the-dark adesivi.
“Gli adesivi incandescenti continuano a brillare perché hanno accumulato la luce solare dal giorno e la rilasciano di notte”, dice a Smithsonian. “Ora immagina di non aver bisogno della luce solare, avresti solo bisogno di aggiungere ferro. Questi tipi di applicazioni potrebbero essere utilizzati come luci biologiche portatili per uso di emergenza., Ad esempio, forse hai bisogno di luce su una piattaforma di atterraggio per elicotteri o aerei in un’interruzione di corrente.”
I bombi possono sapere quanto sono grandi
I bombi hanno una reputazione di goffaggine, ma forse è un po ‘ un errore di valutazione da parte nostra. Un giorno d’estate, l’ingegnere Sridhar Ravi dell’Università del New South Wales di Canberra stava osservando le api navigare tra rami e arbusti con facilità. Era scioccato dal fatto che un organismo con un cervello piuttosto piccolo fosse in grado di superare queste sfide.,
Per mettere alla prova le api, Ravi e il suo team hanno collegato un tunnel a un alveare nel loro laboratorio. Hanno posto uno stretto spazio all’interno del tunnel come ostacolo e lo hanno reso sempre più piccolo nel tempo. Quando il divario era più piccolo delle aperture alari delle api, si fermarono per scansionare l’apertura e poi si girarono lateralmente per attraversare il divario senza danneggiare le loro ali. Realizzare anche questa piccola impresa richiede una certa consapevolezza di quanto sia grande il proprio corpo da diverse angolazioni, un’attitudine che gli insetti non sono generalmente pensati per possedere.,
Ma se le api piccolo cervello in grado di gestirlo, Ravi dice robot non possono avere bisogno di grandi processori complicati per ottenere una migliore a navigare l’ambiente circostante. “Le percezioni complesse non hanno bisogno di cervelli sofisticati e grandi e possono essere raggiunti su scale di piccole dimensioni con molti meno neuroni”, dice a Smithsonian. Questa idea è eccitante da considerare quando si pensa di sviluppare robot meno goffi. Speriamo che i ricercatori possano utilizzare i loro risultati per migliorare le abilità di volo robotico o di nuoto.,
“La laurea dal semplice rilevamento per essere in grado di percepire segnerà un’epoca nel campo della robotica”, afferma Ravi.
L’armatura di una formica tagliafoglie ha un rivestimento protettivo extra a base minerale
Quando il biologo evoluzionista Hongjie Li si rese conto che le formiche tagliafoglie che stava studiando avevano un sottile strato di armatura minerale, disse al suo collega: “Ho trovato formiche di roccia.”
Per studiare ulteriormente l’esoscheletro della formica, il rivestimento dovrebbe essere rimosso, ma come? Li ha avuto un’epifania mentre si lavava i denti, dice a Science News. Collutorio rimuove un sacco di spazzatura dai nostri denti senza danneggiare le nostre guance, gengive e lingua. La sua intuizione ha fatto il trucco, e collutorio sciolto il rivestimento minerale senza danneggiare l’esoscheletro., Attraverso esperimenti di laboratorio più tradizionali, il team ha determinato che il rivestimento minerale è fatto di calcite con un’alta concentrazione di magnesio. Nei ricci di mare, questa miscela di calcite e magnesio è pensata per rendere la piccola “punta di pietra” del suo dente in grado di macinare attraverso il calcare.
“L’integrazione del magnesio nella calcite potrebbe essere particolarmente utile per qualsiasi nanotecnologia che implichi l’uso della calcite, come nella plastica, negli adesivi, nella malta da costruzione e nell’odontoiatria”, spiega Cameron Currie e Pupa Gilbert in una e-mail alla rivista Smithsonian.,
Inoltre, il rivestimento minerale non è qualcosa con cui le formiche nascono, ma qualcosa che possono svilupparsi in un attimo quando ne hanno bisogno, spiega Currie.
“È incredibile che le nostre formiche siano in grado di migliorare massicciamente questa proiezione formando rapidamente un rivestimento nanocristallo sottile e leggero”, afferma. “Questo evidenzia la potenziale applicazione del rivestimento nanomateriale come questo per migliorare l’armatura del corpo.,”
Alcune falene hanno un mantello acustico che smorza Bat Sonar
Per essere una falena disperatamente di nascondersi da un predatore che utilizza il suono di “vedere” non è impresa facile, ma alcuni di questi insetti alati sono evolute caratteristiche impressionanti per proteggersi da pipistrelli.,
Oltre alla pelliccia che ammorbidisce il suono, due specie di falene senza orecchie hanno squame a forma di forchetta sulle loro ali che aiutano ad assorbire il sonar dei pipistrelli, i ricercatori hanno scoperto all’inizio di quest’anno. Le ali delle singole falene sono coperte da decine di migliaia di queste minuscole squame, ognuna lunga meno di un millimetro e spessa poche centinaia di micrometri. Ogni scala deforma il suono dell’ala, rallentando la sua energia acustica e, a sua volta, riflettendo meno suono di nuovo ai pipistrelli., Le scale sembrano risuonare a una frequenza diversa e nel loro complesso possono “assorbire almeno tre ottave di suono”, riferisce Anthony King per Chemistry World.
“Sono altamente strutturati su scala nanometrica con strati superiore e inferiore ondulati fortemente perforati che sono interconnessi da una rete di pilastri minuti”, dice l’autore dello studio Marc Holderied dell’Università di Bristol Chemistry World.
Holderied stima che le tecniche di insonorizzazione ispirate alle falene potrebbero rendere i materiali “10 volte più efficienti nell’assorbire i suoni.,”Piuttosto che installare pannelli ingombranti in case e uffici, immagina una carta da parati fonoassorbente rivestita con nanostrutture simili a scale.
Holderied potrebbe anche vedere questa scoperta con applicazioni più ampie a livello di settore. ” Siamo davvero molto eccitati dalle ampie prospettive di applicazione di questo materiale”, dice a Smithsonian. “Qualsiasi campo, dall’acustica architettonica a quella meccanica e di trasporto, in cui l’assorbimento acustico con ingombro ridotto è di beneficio, trarrebbe profitto da soluzioni più sottili ispirate alle falene.”