wiele nowych wynalazków i technologii czerpie inspiracje z natury. Praktyka modelowania Sztucznych Produktów po procesach biologicznych nazywana jest biomimiką lub biomimetyką. Janine Benyus, współzałożycielka Biomimicry Institute, spopularyzowała ten termin w swojej książce z 1997 roku, Biomimicry. „Biomimikry”, napisała, ” zasadniczo podejmuje wyzwanie projektowe, a następnie znajduje ekosystem, który już rozwiązał to wyzwanie, i dosłownie próbuje naśladować to, czego się uczysz.,”
kiedy naukowcy badający świat przyrody ujawniają swoje odkrycia, wynalazcy i inżynierowie czerpią z tych nowych odkryć i stosują rozwiązania natury do nowych technologii. Niezależnie od tego, czy problemy, które badacze chcą rozwiązać, obejmują budowę lepszych robotów, skuteczniejsze śledzenie komórek nowotworowych lub ulepszanie teleskopów do badania przestrzeni kosmicznej, użyteczne rozwiązanie można znaleźć w żywych istotach.
oto dziesięć odkryć z 2020 roku, które pewnego dnia mogą doprowadzić do nowych wynalazków.,
Suckerfish surfuje na plecach innych morskich stworzeń
Remoras are the ocean ' s hitchhikers., Znane również jako suckerfish, whalesuckers lub sharksuckers, pływacy o długości od jednego do trzech stóp kotwiczą się do płetwali błękitnych lub rekinów zebry z dyskiem przypominającym przyssawkę, który „siedzi na ich głowie jak płaski, lepki kapelusz”, według New York Times. Ale te ssaki to nie tylko Darmowa przejażdżka. W tym roku naukowcy odkryli, że ryby mogą faktycznie „surfować” wzdłuż pleców szofera, podczas gdy para jest w tranzycie., Remora ślizgają się wzdłuż ciała gospodarza, skupiając się w pobliżu otworu wydmuchowego wieloryba i płetwy grzbietowej, gdzie występuje minimalny opór—cały czas gryząc martwą skórę i pasożyty.
Obszar pomiędzy płetwą odbytową a płetwą grzbietową, zwłaszcza u wielorybów błękitnych, ma „znacznie mniejszą prędkość” niż gdyby był „zaledwie kilka centymetrów wyższy” na ciele wieloryba, Flammang mówi The Times.
„ssący dysk” ryby też nie wystaje na skórę wieloryba., Zamiast tego unosi się tuż nad, tworząc strefę niskiego ciśnienia, która zasysa rybę blisko wieloryba i uniemożliwia jej odlot do otchłani-przez większość czasu.
Flammang, biolog z New Jersey Institute of Technology, już dostał się do pracy nad sztucznym dyskiem ssącym zainspirowany remora, że ma nadzieję, że będzie używany do mocowania kamer i urządzeń śledzących zagrożonych zwierząt morskich, takich jak wieloryby. Obecnie naukowcy używają zwykłych przyssawek do mocowania kamer do swoich badanych osób, ale te tylko utrzymują uchwyt od 24 do 48 godzin., Nowe urządzenie Flammang pozostanie włączone przez kilka tygodni i zmniejszy opór. Obecnie wraz z zespołem testuje płytę na zgodnych powierzchniach, a także projektuje obudowę w kształcie remory dla Kamery. W końcu przetestują urządzenie na żywych zwierzętach, w tym wielorybach, delfinach, rekinach i płaszczkach.
„Bioinspiracyjne postępy w przywiązaniu opracowane przez laboratorium dr Flammang zrewolucjonizują sposób, w jaki jesteśmy w stanie uzyskać znaczniki na zwierzętach z większym sukcesem i skutecznością”, pisze Goldbogen, biolog morski na Uniwersytecie Stanforda w Smithsonian magazine., „Być może przyszłe tagi mogłyby nie tylko dołączyć, ale także surfować i czołgać się, tak jak remoras, w idealnym miejscu do konkretnego fizjologicznego pobierania próbek.”
płetwy ryb są tak czułe, jak końcówki palców
płetwy ryb nie są tylko do kierowania i pływania, University of Chicago neurobiolog Adam Hardy i jego laboratorium znaleźć w tym roku. W rzeczywistości naukowcy odkryli, że płetwy są tak czułe, jak końce palców naczelnych. Aby dojść do tego wniosku, naukowcy zbadali okrągłe pączki, rodzaj ryb dennych zamieszkujących miejsca takie jak Morze Czarne i Morze Kaspijskie, ale inwazyjne populacje żyją wszędzie, od rzek Europejskich po Wielkie Jeziora., Te małe stworzenia są znane z „okonia” na skałach, szczotkując swoje płetwy wzdłuż skalnego DNA jezior.
aby ustalić, jak wrażliwe były płetwy gobies, zespół wstrzyknął eutanazji rybom roztwór soli fizjologicznej, który utrzymywał ich nerwy normalnie podczas eksperymentu. Następnie użyli specjalnego urządzenia do rejestrowania wzorów impulsów elektrycznych wytwarzanych przez nerwy, gdy płetwy ryby ocierały się o karbowane koło., Miara ta pokazała zespołowi, że płetwy postrzegają „naprawdę drobny szczegół”, powiedziała Science News współautorka badania Melina Hale, również neurobiolog z Uniwersytetu w Chicago.
naukowcy mają nadzieję, że to odkrycie może zainspirować postępy w robotycznej technologii sensorycznej, zwłaszcza w podwodnych botach.
diaboliczny egzoszkielet Żelaznego Żuka jest niezniszczalny
diaboliczny Żuk żelazny absolutnie zasługuje na swoją nazwę. Podczas gdy większość owadów żyje tylko kilka tygodni, chrząszcze te mają długość życia około ośmiu lat, co jest mniej więcej odpowiednikiem ludzkiego życia kilka tysięcy lat. Aby osiągnąć taki wyczyn, stworzyli niezwykły pancerz.
owad o długości około centymetra może przetrwać przejechanie przez samochód—a jeśli nie możesz w to uwierzyć, , Po kilku kolejnych eksperymentach technicznych, zespół stwierdził, że chrząszcz może wytrzymać ogromne ciśnienie—do 39 000 razy własnej masy ciała.
kilka czynników wpływa na wytrzymałość chrząszcza. Egzoszkielet chrząszcza jest płaski, nie zaokrąglony, jak np. Biedronka. W obrębie egzoszkieletu znajdują się warstwy bogate w białko, które mogą przemieszczać się pojedynczo bez pękania całej powłoki. Dwie połówki muszli są połączone ze sobą jak element układanki. Warstwy podążają za łamigłówkami, wzmacniając najcieńszą część stawu – kawałek szyi, w którym dwie połówki są połączone.,
w swojej pracy badacze sugerują, że łącznik łączący inspirowany chrząszczami mógłby zastąpić podobnie ukształtowane, ale bezwarunkowe połączenia używane do zabezpieczania turbin lotniczych. Zespół stworzył model drukowany 3D wraz z „laminacją” lub warstwami. Przewidują, że to odkrycie może wprowadzić ” natychmiastowe korzyści w stosunku do łączników lotniczych, zapewniając zwiększoną wytrzymałość i znaczną zwiększoną wytrzymałość.”Ale tak naprawdę, ten projekt może być użyty w każdej chwili, gdy trzeba połączyć dwa różne materiały-metal i plastik – na przykład w Mostach, budynkach i pojazdach.,
Ultra-Czarna pigmentacja szesnastu gatunków ryb głębinowych jest wyjaśniona
Kiedy Narodowe Muzeum Historii Naturalnej Biolożka morska Karen Osborn i jej zespół przypadkowo wyciągnęli głęboką rybę zębatą w sieci krabów, próbowali zrobić jej zdjęcie., Ale jeśli spróbują, szczegóły jet-black fish nie mogą zostać złapane. Ryba była dosłownie niefotogeniczna, dowiedzieli się później, ponieważ jej tkanka pochłaniała 99,5 procent światła z lampy błyskowej aparatu.
kły i 15 innych gatunków objętych badaniem mają ultra-czarną pigmentację, która pozwala im wtopić się w ciemne środowisko głębokiego oceanu. Chociaż światło nie może dotrzeć do tej części Oceanu, niektóre ryby są bioluminescencyjne. Dla podstępnych drapieżników kamuflowanie się w ciemnej otchłani—lub jeszcze lepiej pochłanianie światła-jest najlepszym płaszczem niewidzialności natury.,
wiele zwierząt na lądzie i morzu ma bardzo czarne zabarwienie, ale kolor stworzony przez człowieka odbija około 10 procent światła, a większość innych czarnych ryb odbija 2 procent światła. Aby przekroczyć próg Ultra czerni, te 16 gatunków musiało się tylko odbić .5 procent całego światła świeci na ich drodze. Gatunki te osiągnęły ten wyczyn z gęsto upakowanymi, wielkimi, kapsułkowymi melanosomami lub komórkami zawierającymi ciemny pigment. U innych czarnych, ale nie ultra-czarnych zwierząt, melanosomy są luźno rozłożone, mniejsze i okrągłe w kształcie.,
naśladując kształt, strukturę i dyspersję melanosomów ultra-czarnych ryb, naukowcy mogą być w stanie stworzyć sztuczny ultra-czarny pigment. Pigment ten może być użyty do pokrycia wnętrza teleskopów, aby uzyskać lepszy widok nocnego nieba lub poprawić absorpcję światła na panelach słonecznych. Może nawet zainteresować badaczy Marynarki, Osborn powiedział Smithsonian w lipcu. „Jeśli miałbyś zrobić, powiedzmy, zbroję z melaniną Na Zewnątrz, byłbyś świetny do nocnych operacji”, mówi.,
podczas szybowania z drzewa na drzewo, tropikalne Węże falują dla stabilności
jakby węże naziemne i pływające to za mało, pięć gatunków węży „lata.”Szczerze mówiąc, ten lot jest bardziej jak wysoce skoordynowany upadek. Wygląda trochę podobnie do wirowania i zwijania bocznego, które robią na lądzie, ale z pomocą grawitacji. Albo jak powiedział „New York Times” badacz biomechaniki Virginia Tech Jake Socha, snake flight przypomina ” wielką, wiggly, wstążkę.,”
węże spłaszczają swój okrągły tułów w spłaszczony, trójkątny kształt, aby złapać więcej powietrza i szybować z jednego drzewa na drugie, czasami kilkadziesiąt stóp dalej. Ale te wszystkie loopy Longi, które robią w powietrzu, nie miały takiego sensu dla naukowców. To było do czasu, aż Socha i jego zespół wynajęli 4-piętrową arenę Black box o nazwie Cube. Wyposażono w nią siedem latających węży w taśmę odblaskową i zarejestrowali swoje skoki na fotoradarach ponad 150 razy. (Nie martw się., Zespół musiał przejść protokół bezpieczeństwa snake, a arena była wyposażona w piankowe podłogi i sztuczne drzewa.)
Snake flight dzieje się naprawdę szybko, więc taśma odblaskowa pozwoliła zespołowi odtworzyć lot za pomocą komputerowego modelowania 3D. Zespół stwierdził, że węże falowały pionowo dwa razy częściej niż poziomo, poruszając również ogonem w górę iw dół. Inżynier mechanik Virginia Tech Isaac Yeaton powiedział The Times, ” inne zwierzęta falują do napędu. Pokazujemy, że latające węże falują dla stabilności.,”
zespół ma nadzieję, że ich odkrycia mogą zostać wykorzystane do stworzenia jakiegoś robota poszukiwawczo-ratowniczego latającego węża. Yeaton mówi, że zaletą robotów inspirowanych wężami jest ich stabilna poruszanie się i zdolność do prześlizgiwania się przez ciasne przestrzenie, które mogą spowodować potknięcie lub upadek typowego bota. Może pewnego dnia stworzy bota, który będzie w stanie naśladować wszystkie zwroty akcji, zginania, skręcania i poruszania się węża w jednym robocie.,
„łącząc je ze sobą, możesz mieć jedną platformę, która może poruszać się w złożonych środowiskach: robot może wspinać się po drzewie lub budynku, szybko szybować w innym obszarze, a następnie ślizgać się lub pływać gdzie indziej”, mówi Yeaton Smithsonian magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej. „Zrobienie tego wymaga wyzwań inżynierskich, ale inspiruje mnie to, jak zdolne są prawdziwe latające węże i ostatnie postępy w projektowaniu bioinspired.,”
małe, przypominające kijanki morskie stworzenia tworzą oślizgłe nadmuchiwane Systemy filtracyjne
gigantyczne larwy są w kształcie kijanek, tylko nieco większe; ich ciała mierzą do czterech cali długości., Te małe stworzenia żyją swobodnie setki stóp pod powierzchnią morza, gdzie źródeł pożywienia jest mało.
w tym roku naukowcy wykorzystali narzędzia do skanowania laserowego, aby odsłonić złożone „pałace smarkaczy”, które budują stworzenia, jak nazywa to autor badań i bioinżynier Kakani Katija Z Monterey Bay Aquarium Research Institute. Te małe, bezramienne, beznogie stworzenia używają własnej wydzieliny do konstruowania skomplikowanych chmur smarków wraz z komorami, żebrowanymi ścianami, tunelami, halami i zsypami.,
podobnie jak pająki i ich sieci, larwy używają tych struktur śluzowych do przechwytywania drobnych, rzadkich cząsteczek pokarmu unoszących się obok. Ich małe ciało siedzi w środku „domu”, podczas gdy machają swoim małym ogonkiem, aby pompować wodę przez labirynt kanałów i do ust-prawie jak skomplikowany system hydrauliczny. Chmura pełni rolę niewidzialności, ukrywając ruch stwora w ciemnych głębinach, gdzie każdy fałszywy ruch jest wyrokiem śmierci.
Katija ma nadzieję czerpać inspirację z tych stworzeń, aby pewnego dnia stworzyć biomimetyczny nadmuchiwany system filtracji., Biorąc pod uwagę, że zwierzęta te mogą odfiltrować cząstki mniejsze niż wirusy, być może filtry medyczne lub HEPA mogłyby zostać ulepszone za pomocą takiego urządzenia.
„wciąż jesteśmy w fazie odkrywania tego projektu i mam nadzieję, że inni badacze podniosą pochodnię” – mówi Katija przez e-mail.
białko pakowane w żelazo jest kluczem do świecącej niebieskiej Goo robaka rurkowego
błyski bioluminescencyjnych stworzeń, takich jak świetliki, zazwyczaj trwają od mniej niż sekundy do maksymalnie 10 sekund. Ale nie robak z pergaminowej rurki morskiej—Ci pływacy wytwarzają jasnoniebieską maść, która pozostaje zwarta przez 16 do 72 godzin. Ponieważ śluz świeci poza ciałem robaka, nie marnuje energii organizmu, co jest Świetne dla przetrwania robaka, ale rodzi pytanie: Jak to się dzieje, że tak długo migotał?,
naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego Evelien de Meulenaere, Christina Puzzanghera i Dimitri D. Deheyn zbadali skomplikowaną chemię śluzu robaka i odkryli, że zawiera on białko zapakowane w żelazo zwane ferrytyną, które emituje jony lub naładowane elektrycznie Atomy. Ta forma ferrytyny reaguje z niebieskim światłem, wyzwalając większą produkcję jonów, co z kolei utrzymuje światło świecące w pętli sprzężenia zwrotnego.
zespół ma nadzieję odtworzyć unikalną fotoproteinę ślimaka rurkowego—lub białko związane z bioluminescencją—w celu oświetlenia komórek nowotworowych podczas operacji., Mówiąc prościej, Deheyn mówi również, że mogliby opracować syntetyczną baterię biologiczną, która mogłaby być używana w sytuacjach awaryjnych, gdy nie ma prądu. Porównuje pomysł na świecące w ciemności naklejki.
„świecące naklejki świecą, ponieważ gromadzą światło słoneczne z dnia i uwalniają je w nocy” – mówi Smithsonian. „Teraz wyobraź sobie, że nie potrzebujesz światła słonecznego, wystarczy dodać żelazo. Tego rodzaju aplikacje mogą być używane jako przenośne światła biologiczne do użytku awaryjnego., Na przykład może potrzebujesz światła na lądowisku dla helikopterów lub samolotów w przypadku przerwy w dostawie prądu.”
trzmiele mogą wiedzieć, jak duże są
trzmiele mają reputację niezdarności, ale być może jest to trochę błędna ocena w naszym imieniu. Pewnego letniego dnia inżynier Sridhar Ravi z University of New South Wales w Canberze obserwował pszczoły z łatwością poruszające się po gałęziach i krzewach. Był w szoku, że organizm z dość małym mózgiem jest w stanie przezwyciężyć te wyzwania.,
aby przetestować pszczoły, Ravi i jego zespół podłączyli tunel do ula w swoim laboratorium. Umieścili wąską szczelinę wewnątrz tunelu jako przeszkodę i sprawili, że z czasem był on coraz mniejszy. Kiedy luka była mniejsza od rozpiętości skrzydeł pszczół, przerwały skanowanie otworu, a następnie odwróciły się na boki, aby przejść przez lukę bez uszkadzania skrzydeł. Osiągnięcie nawet tego małego wyczynu wymaga pewnej świadomości tego, jak duże jest ciało z różnych stron, umiejętności, których owady nie są ogólnie uważane za posiadające.,
ale jeśli małe pszczoły sobie poradzą, Ravi mówi, że roboty mogą nie potrzebować dużych skomplikowanych procesorów, aby lepiej poruszać się po swoim otoczeniu. „Złożone postrzeganie nie wymaga wyrafinowanych, dużych mózgów i może być osiągnięte w małych skalach przy znacznie mniejszej liczbie neuronów”, mówi Smithsonian. Pomysł ten jest ekscytujący do rozważenia, gdy myśli o rozwoju mniej niezdarnych robotów. Miejmy nadzieję, że naukowcy mogą wykorzystać swoje odkrycia do poprawy zdolności lotu robota lub pływania.,
Pancerz Mrówki Obcinającej liście ma dodatkową mineralną powłokę ochronną
Kiedy biolog ewolucyjny Hongjie Li zorientował się, że mrówki wycinające liście, które badał, mają cienką warstwę mineralnej zbroi, powiedział swojemu koledze: „znalazłem mrówki skalne.”
aby dalej badać egzoszkielet mrówki, trzeba by usunąć powłokę, ale jak? Li miał objawienie podczas mycia zębów, mówi wiadomości Naukowe. Płyn do płukania jamy ustnej usuwa mnóstwo śmieci z naszych zębów bez uszkadzania naszych policzków, dziąseł i języka. Jego przeczucie zadziałało, a płyn do płukania ust rozpuszczał powłokę mineralną bez uszkodzenia egzoszkieletu., Dzięki bardziej tradycyjnym eksperymentom laboratoryjnym zespół ustalił, że powłoka mineralna jest wykonana z kalcytu o wysokim stężeniu magnezu. U jeżowców uważa się, że ta mieszanina kalcytu i magnezu sprawia, że mała „Kamienna końcówka” zęba jest zdolna do mielenia przez wapień.
„Integracja magnezu z kalcytem może być szczególnie korzystna dla każdej nanotechnologii, która wymaga użycia kalcytu, na przykład w tworzywach sztucznych, klejach, zaprawach budowlanych i stomatologii”, wyjaśnia autorzy badań Cameron Currie i Pupa Gilbert w e-mailu do Smithsonian magazine.,
Co więcej, powłoka mineralna nie jest czymś, z czym rodzą się mrówki, ale czymś, co mogą rozwinąć w mgnieniu oka, gdy tego potrzebują, wyjaśnia Currie.
„To niesamowite, że nasze mrówki są w stanie znacznie poprawić tę projekcję, szybko formując cienką i lekką nanokrystaliczną powłokę” – mówi. „Podkreśla to potencjalne zastosowanie powłoki nanomateriałowej w celu poprawy zbroi ciała.,”
niektóre Ćmy mają Płaszcz akustyczny, który tłumi Sonar Nietoperza
być ćmą rozpaczliwie ukrywającą się przed drapieżnikiem, który używa dźwięku, aby” zobaczyć”, nie jest łatwym wyczynem, ale niektóre z tych skrzydlatych owadów wyewoluowały imponujące cechy, aby chronić się przed nietoperzami.,
oprócz zmiękczającego dźwięk futra, dwa gatunki ćmy bez uszu mają na skrzydłach łuski w kształcie widelca, które pomagają wchłonąć Sonar nietoperza-dowiedzieli się naukowcy na początku tego roku. Skrzydła poszczególnych ćm pokryte są dziesiątkami tysięcy tych maleńkich łusek, z których każda ma mniej niż milimetr długości i zaledwie kilkaset mikrometrów grubości. Każda skala wypacza dźwięk skrzydła, spowalniając jego energię akustyczną i z kolei odbijając mniej dźwięku z powrotem do nietoperzy., Skale wydają się rezonować z inną częstotliwością i jako całość mogą „wchłonąć co najmniej trzy oktawy dźwięku”, donosi Anthony King Dla Chemistry World.
„są one wysoce uporządkowane w skali nanometrowej z silnie perforowanymi falistymi warstwami górnymi i dolnymi, które są połączone siecią drobnych filarów”, mówi Chemistry World Marc Holderied z Uniwersytetu w Bristolu.
,”Zamiast instalować wielkogabarytowe panele w domach i biurach, wyobraża sobie Dźwiękochłonne tapety pokryte nanostrukturami przypominającymi skalę.
„Jesteśmy rzeczywiście bardzo podekscytowani szerokimi perspektywami zastosowania tego materiału”, mówi Smithsonian. „Każda dziedzina, od architektury po akustykę maszynową i transportową, w której pochłanianie dźwięku przy zmniejszonej powierzchni jest korzystne, skorzystałaby z cieńszych rozwiązań inspirowanych ćmami.”