många nya uppfinningar och tekniker hämtar inspiration från naturen. Övningen av modellering av konstgjorda produkter efter biologiska processer kallas biomimikri eller biomimetik. Janine Benyus, grundare av Biomimicry Institute, populariserade termen i sin 1997 bok, Biomimicry. ”Biomimicry”, skrev hon, ” tar i grunden en designutmaning och hittar sedan ett ekosystem som redan har löst den utmaningen och försöker bokstavligen efterlikna vad du lär dig.,”
eftersom forskare som studerar den naturliga världen avslöjar sina resultat, drar uppfinnare och ingenjörer från dessa nya uppenbarelser och tillämpar naturens lösningar på ny teknik. Oavsett om problemen forskare vill lösa innebär att bygga bättre robotar, spåra cancerceller mer effektivt eller förbättra teleskop för att studera rymden, kan en användbar lösning hittas i levande saker.
här är tio resultat från 2020 som en dag kan leda till nya uppfinningar.,
Suckerfish surfa på baksidan av andra havsdjur
Remoras är havets liftare., Även känd som suckerfish, whalesuckers eller sharksuckers, förankrar de en till tre fot långa simmarna sig till blåhvalar eller zebrahajar med en sugkoppliknande skiva som ”sitter på huvudet som en platt, klibbig hatt”, enligt New York Times. Men dessa suckerfish är inte bara mooching en fri åktur. I år fann forskare att fisken faktiskt kan ”surfa” längs deras chaufförs rygg medan paret är i transit., Remoras glider längs värdens kropp, klustrar nära en vals blåshål och dorsalfena där det finns minimal drag—hela tiden nibbling på död hud och parasiter.
forskarna Brooke Flammang, Jeremy Goldbogen och deras team fann att remora val plats är nyckeln till att hänga på. Området mellan blåshålet och ryggfena, särskilt på blåhvalar, har ”mycket lägre hastighetsvätska” än om det var ”bara några centimeter högre” på Valens kropp, berättar Flammang tiderna.
fiskens ”sugande skiva” sticker inte heller upp mot Valens hud., Istället svävar det strax ovanför, vilket skapar en lågtryckszon som suger fisken nära valen och förhindrar att den flyger ut i avgrunden-för det mesta.
Flammang, en biolog vid New Jersey Institute of Technology, har redan fått arbeta på en artificiell sugskiva inspirerad av remora som hon hoppas kommer att användas för att fästa kameror och spårningsenheter till hotade marina djur, som blåvalar. För närvarande använder forskare vanliga sugkoppar för att fästa kameror till sina forskningsämnen, men de håller bara sitt grepp från 24 till 48 timmar., Flammangs nya enhet kommer att vara på i veckor och minska drag. Hon och hennes team testar för närvarande skivan på kompatibla ytor samt designar ett remora-format hölje för kameran. Så småningom kommer de att testa enheten på levande djur, inklusive valar, delfiner, hajar och manta strålar.
”bioinspirerade framsteg i bilaga som utvecklats av Dr. Flammangs lab kommer att revolutionera hur vi kan få taggar på djur med större framgång och effektivitet”, skriver Goldbogen, en marinbiolog vid Stanford University, till Smithsonian magazine., ”Kanske kan framtida taggar inte bara fästa utan också surfa och krypa precis som remoras till den perfekta platsen för specifik fysiologisk provtagning.”
fiskfenor är lika känsliga som fingertopparna
fiskfenor är inte bara för styrning och simning, University of Chicago neuroscientist Adam Hardy och hans lab hittade i år. Faktum är att forskarna upptäckte att fenor är lika känsliga som primat fingertoppar. För att nå denna slutsats studerade forskarna runda gobies, en typ av bottenlevande fisk som är infödd till platser som Svarta havet och Kaspiska havet, men invasiva populationer lever någonstans från europeiska floder till de stora sjöarna., Dessa små critters är kända för att” abborre ” på stenar, borsta sina fenor längs bergbädden av sjöar.
för att bestämma hur känsliga gobies fenor var, injicerade laget eutaniserad fisk med en saltlösning som höll nerverna normala under sitt experiment. De använde sedan en speciell enhet för att spela in mönster av elektriska impulser nerverna som produceras när fiskens fenor borstade upp mot ett ridged hjul., Denna åtgärd visade laget att fins uppfattade” riktigt bra detalj”, berättade en neuroforskare Melina Hale, även en neuroforskare vid University of Chicago, Science News.
forskarna hoppas att denna upptäckt kan inspirera framsteg inom robotisk sensorisk teknik, särskilt i undervattensrobotar.
den djävulska Ironclad Beetle ’ s exoskelett är oförstörbar
den djävulska ironclad beetle lever absolut upp till sitt namn. Medan de flesta buggar lever bara några veckor, har dessa skalbaggar en livslängd på cirka åtta år, vilket ungefär motsvarar en människa som lever flera tusen år. För att uppnå en sådan prestation har de utvecklat en anmärkningsvärd Rustning.
Det ungefär tum lång insekt kan överleva att bli överkörda av en bil—och om du inte kan tro det, University of California, Irvine ingenjör David Kisailus och hans team staplade i en Toyota Camry och sprang en över två gånger, och det levde., Efter flera mer tekniska experiment hittade laget skalbaggen tål enormt tryck-upp till 39 000 gånger sin egen kroppsvikt.
flera faktorer bidrar till skalbaggens robusthet. Skalbaggens exoskelett är platt, inte rundad, som en nyckelpiga, till exempel. Inom exoskelettet finns proteinrika lager, som kan skiftas individuellt utan att hela skalet bryts. De två halvorna av skalet är sammanfogade som ett pusselbit. Lagren följer pusselliknande kurvor, förstärker den tunnaste delen av leden-den nackliknande biten där de två halvorna är sammankopplade.,
i deras papper föreslår forskarna att ett skalbaggeinspirerat förreglande fästelement kanske kan ersätta liknande formade, men skiktfria, leder som används för att säkra flygplansturbiner. Teamet skapade en 3-D tryckt modell komplett med” laminering ” eller lager. De förutspår att detta konstaterande skulle kunna införa ” omedelbar nytta framför flygfästelement, vilket ger ökad styrka och betydande ökad seghet.”Men egentligen kan denna design användas när som helst två olika material—som metall och plast-måste vara förenade, till exempel i broar, byggnader och fordon, också.,
ultrasvart pigmentering av sexton arter av djuphavsfisk förklaras
När National Museum of Natural History marinbiolog Karen Osborn och hennes team av misstag dras upp i en djup ocean fangtooth fisk i sitt nät av krabbor, försökte de att ta sin bild., Men försök som de kan, Detaljer om den jet-svarta fisken kunde inte fångas. Fisken var bokstavligen ofotogen, de lärde sig senare, eftersom dess vävnad absorberade 99,5 procent av ljuset från en kamerans blixt.
fangtooth, och 15 andra arter som ingår i studien, sport ultra-svart pigmentering som gör det möjligt för dem att smälta in i den Beck-mörka miljön i det djupa havet. Även om ljuset inte kan nå denna del av havet, vissa fiskar är bioluminescent. För lömska rovdjur är kamouflering i den mörka avgrunden—eller ännu bättre absorberande ljus-naturens bästa osynlighetsmantel.,
massor av djur på land och hav har mycket svart färg, men konstgjorda färg reflekterar runt 10 procent av ljus och de flesta andra svarta fiskar reflekterar 2 procent av ljus. För att korsa den ultra-svarta tröskeln måste dessa 16 arter bara reflektera .5 procent av allt ljus skiner sin väg. Dessa arter uppnådde denna prestation med tätt packade, jumbostora, kapselformade melanosomer eller celler som innehåller mörkt pigment. I andra svarta, men inte ultra-svarta, djur, är melanosomer löst utspridda, mindre och rundare i form.,
genom att imitera formen, strukturen och spridningen av den ultra-svarta fiskens melanosomer, kan materialforskare kunna skapa artificiellt ultrasvart pigment. Detta pigment kan användas för att belägga insidan av teleskop för att få en bättre bild av natthimlen eller förbättra ljusabsorptionen på solpaneler. Det kan till och med intressera Sjöforskare, Osborn berättade för Smithsonian i Juli. ”Om du skulle göra, låt oss säga, rustning som hade melanin på utsidan, skulle du vara bra för night ops,” säger hon.,
när svävande från träd till träd, tropiska ormar bölja för stabilitet
som om marken ormar och simning ormar inte räcker, fem arter av ormar ”flyga.”För att vara rättvis är detta flyg verkligen mer som högt samordnat fall. Det ser ungefär ut som den slingrande och sidolindning de gör på land, men med hjälp av tyngdkraften. Eller som Virginia Tech biomekanik forskare Jake Socha berättade New York Times, snake flight liknar en ” stor, wiggly, band sak.,”
ormarna platta sin runda torso i en tillplattad, triangulär form för att fånga mer luft och glida från ett träd till ett annat, ibland dussintals fötter bort. Men hela sidan-till-sida, loopy utfall de gör i luften gjorde inte så mycket mening för forskare. Det är tills Socha och hans team hyrde ut Virginia Techs fyra våningar black box arena som heter Cube. I det utrustade de sju flygande ormar i reflekterande tejp och spelade in sina språng på höghastighetskameror mer än 150 gånger. (Oroa dig inte., Laget var tvungen att passera snake safety protocol, och arenan var utrustad med skumgolv och falska träd.)
Snake flight händer riktigt snabbt, så det reflekterande bandet gjorde det möjligt för laget att återskapa flygningen med hjälp av 3D-datormodellering. Laget fann att ormarna undulerade vertikalt dubbelt så ofta som de gjorde horisontellt, flytta svansen upp och ner också. Virginia Tech maskiningenjör Isaac Yeaton berättade Times, ” andra djur böljar för framdrivning. Vi visar att flygande ormar böljar för stabilitet.,”
laget hoppas att deras resultat kan användas för att skapa någon form av flygande orm Sök-och räddningsrobot. Yeaton säger att fördelen med orminspirerade robotar är deras stabila rörelse och förmåga att smyga igenom trånga utrymmen som kan orsaka din typiska bot att resa eller falla. Han har siktet inställt på att kanske en dag skapa en bot som kan efterlikna alla ormens vändningar, böjningar, svängar och wiggles i en enda robot.,
”kombinera dem tillsammans, du kan ha en plattform som kan röra sig genom komplexa miljöer: roboten kan stiga upp ett träd eller en byggnad, snabbt glida till ett annat område, och sedan slither eller simma någon annanstans”, säger Yeaton Smithsonian magazine via e-post. ”Det finns tekniska utmaningar att göra detta, men jag är inspirerad av hur kapabla de verkliga flygande ormarna är och de senaste framstegen inom bioinspirerad design.,”
små, Tadpole-liknande Havsdjur gör slemmiga uppblåsbara filtreringssystem
Jätten larvaceans är formade som grodyngel, bara något större; deras kroppar mäta upp till fyra inches i längd., Dessa små varelser lever fritt hundratals fötter under havsytan, där matkällor är knappa.
i år använde forskare laserskanningsverktyg för att avslöja de komplexa ”snot palats” som varelserna bygger, som studieförfattare och bioengineer Kakani Katija från Monterey Bay Aquarium Research Institute kallar strukturerna. Dessa små armlösa, benlösa varelser använder sina egna sekret för att konstruera utarbetade moln av snot komplett med kamrar, ribbade väggar, tunnlar, hallar och rännor.,
ungefär som spindlar och deras banor använder larvaceans dessa mucousy strukturer för att fånga små, glesa matpartiklar som flyter av. Deras lilla kropp sitter mitt i ”huset”, medan de viftar sin lilla svans för att pumpa vatten genom labyrinten av kanaler och i munnen—nästan som ett utarbetat rörsystem av olika slag. Molnet fungerar som en osynlighetsmantel genom att dölja critterns rörelse i de mörka djupen där något falskt drag är en dödsdom.
Katija hoppas att dra inspiration från dessa critters till en dag skapa en biomimetisk uppblåsbara filtreringssystem., Med tanke på att dessa djur kan filtrera bort partiklar som är mindre än virus, kan kanske medicinska eller HEPA-filter förbättras med en sådan anordning.
”Vi är fortfarande i upptäcktsfaserna i detta projekt, och jag hoppas att andra forskare kommer att hämta facklan”, berättar Katija Smithsonian magazine via e-post.
ett Järnpackat Protein är nyckeln till en Rörmasks glödande blå Goo
blixtarna av bioluminescent critters, som eldflugor, varar vanligtvis från mindre än en sekund till högst 10 sekunder. Men inte den marina pergamentrörsmasken-dessa havsvimmare producerar en ljusblå goo som förblir aglow för allt från 16 till 72 timmar. Eftersom slime fortsätter att skina utanför maskens kropp, slösar den inte bort organismens energi, vilket är bra för ormens överlevnad, men väcker frågan: Hur håller den glimmering så länge?,
vid University of California, San Diego forskare Evelien De Meulenaere, Christina Puzzanghera och Dimitri D. Deheyn undersökt den komplicerade kemin i masken slem och fann att den innehåller en järn-packade protein som kallas ferritin, som släpper ut joner, eller elektriskt laddade atomer. Denna form av ferritin reagerar med det blå ljuset, vilket utlöser mer jonproduktion, vilket i sin tur håller ljuset glödande i en återkopplingsslinga.
teamet hoppas att replikera rörmaskens unika fotoprotein—eller ett protein kopplat till bioluminescens—för att belysa cancerceller under operationen., På ett enklare sätt säger Deheyn också att de kan utveckla ett syntetiskt biologiskt batteri av olika slag som kan användas i nödsituationer när el är ute. Han jämför idén att glöda in-the-dark klistermärken.
”glödande klistermärken fortsätter att glöda eftersom de ackumulerat solljus från dagen och släpper det natten”, berättar han Smithsonian. ”Tänk dig nu att du inte behöver solljus, du skulle bara behöva lägga till järn. Dessa typer av applikationer kan användas som bärbara biologiska lampor för akut användning., Till exempel kanske du behöver ljus på en landningsplatta för helikoptrar eller flygplan i ett strömavbrott.”
humlor kan veta hur stora de är
humlor har rykte om sig att vara klumpiga, men kanske är det lite av en missbedömning för vår räkning. En sommardag såg ingenjören Sridhar Ravi vid University of New South Wales i Canberra bin navigera runt grenar och buskar med lätthet. Han var chockad över att en organism med en ganska liten hjärna kan övervinna dessa utmaningar.,
för att sätta bina på prov, Ravi och hans team kopplade en tunnel till en bikupa i deras labb. De placerade ett smalt gap inuti tunneln som ett hinder och gjorde det mindre och mindre över tiden. När gapet var mindre än binens vingspann, pausade de för att skanna öppningen och vände sedan i sidled för att komma igenom gapet utan att skada sina vingar. Att uppnå även denna lilla prestation kräver viss medvetenhet om hur stor ens kropp är från olika vinklar, en förmåga som insekter vanligtvis inte anses ha.,
men om småbina kan hantera det, säger Ravi att robotar kanske inte behöver stora komplicerade processorer för att bli bättre på att navigera i omgivningen. ”Komplexa uppfattningar behöver inte sofistikerade, stora hjärnor och kan uppnås vid små storlek skalor med mycket färre neuroner”, berättar han Smithsonian. Denna idé är spännande att tänka på när man tänker på att utveckla mindre klumpiga robotar. Förhoppningsvis kan forskarna använda sina resultat för att förbättra robotic flight eller simning förmågor.,
”examen från bara avkänning för att kunna uppfatta kommer att markera en epok inom robotik, säger Ravi.
A Leaf-Cutter Ant’ s Body Armor har en Extra mineralbaserad skyddande beläggning
När evolutionsbiologen Hongjie Li insåg bladskäraren myror han studerade hade ett tunt lager av mineral kroppsskydd, berättade han för sin kollega: ”jag hittade stenmyror.”
för att studera myrans exoskelett ytterligare måste beläggningen avlägsnas, men hur? Li hade en epiphany medan han borstar tänderna, berättar han Science News. Munvatten tar bort massor av skräp från våra tänder utan att skada våra kinder, tandkött och tunga. Hans föraning gjorde susen, och munvatten löste mineralbeläggningen utan att skada exoskelettet., Genom mer traditionella laboratorieexperiment bestämde laget mineralbeläggningen är gjord av kalcit med en hög koncentration av magnesium. I sjöborrar anses denna blandning av kalcit och magnesium göra den lilla ”stenspetsen” av sin tand som kan slipa genom kalksten.
”Integration av magnesium i kalcit kan vara särskilt fördelaktigt för alla nanoteknik som innebär användning av kalcit, såsom i plast, lim, byggmortel och tandvård”, förklarar studieförfattarna Cameron Currie och Pupa Gilbert i ett mail till Smithsonian magazine.,
dessutom är mineralbeläggningen inte något myrorna är födda med, men något de kan utvecklas på ett kick när de behöver det, förklarar Currie.
”det är otroligt att våra myror kan massivt förbättra denna projicering genom att snabbt bilda en tunn och lätt nanokristal beläggning”, säger han. ”Detta belyser den potentiella tillämpningen av nanomaterialbeläggning som denna för att förbättra kroppspansar.,”
vissa nattfjärilar har en akustisk kappa som dämpar Bat Sonar
för Att vara en mal som desperat försöker gömma sig från rovdjur som använder ljud för att ”se” är ingen lätt bedrift, men vissa av dessa bevingade insekter har utvecklats på ett imponerande funktioner för att skydda sig från fladdermöss.,
förutom ljudmjukande päls har två öronlösa motharter gaffelformade skalor på sina vingar som hjälper till att absorbera bat sonar, forskare hittade tidigare i år. Individuella moth vingar är täckta i tiotusentals av dessa små skalor, var och en mindre än millimeter lång och bara några hundra mikrometer tjock. Varje skala förvränger ljudet av vingen, saktar ner sin akustiska energi och i sin tur reflekterar mindre ljud tillbaka till fladdermöss., Vågen verkar resonera på en annan frekvens och som helhet kan de ”absorbera minst tre oktaver av ljud”, rapporterar Anthony King för kemi världen.
”de är mycket strukturerade på en nanometerskala med starkt perforerade korrugerade övre och nedre lager som är sammankopplade med ett nätverk av minutpelare”, berättar studieförfattaren Marc Holderied vid University of Bristol Chemistry World.
Holderied uppskattar moth-inspirerade ljudisoleringstekniker kan göra Material ”10 gånger effektivare för att absorbera ljud.,”I stället för att installera skrymmande paneler i hem och kontor, han föreställer sig ljudabsorberande tapet belagd med skala-liknande nanostrukturer.
Holderied kunde också se detta fynd ha bredare applikationer på industrinivå också. ”Vi är verkligen mycket glada över de breda applikationsutsikterna för detta material”, berättar han Smithsonian. ”Varje fält från arkitektonisk till maskin-och transportakustik, där ljudabsorption med minskat fotavtryck är till nytta, skulle dra nytta av tunnare moth-inspirerade lösningar.”