Biomimicry. Ինչպես է բնությունը ոգեշնչում ինժեներներին նորարարության մեջ

Բնությունն ունեցել է 3.8 միլիարդ տարվա էվոլյուցիա մինչև կատարյալ գոյատևման գործընթացներ՝ սկսած թռչունների թևերի ձևավորումից մինչև ծաղիկների փոշոտման մեթոդը: Ի հակադրություն, մարդիկ գոյություն են ունեցել Երկրի կյանքի տևողության միայն մի փոքր մասի համար, սակայն մենք անընդհատ ոգեշնչում ենք փնտրում բնությունից: Այս ամբողջ ընթացքում բնությունը մարդկությանը մի տեսակ ծրագիր է տվել, որին հետևի:

Բնությունը կատարյալ է իր յուրահատկությամբ, արդյունավետությամբ, ռեսուրսների պահպանմամբ և ինքնապահով: Նրա մշակած նախագծերն ու գործընթացները փորձարկվել են միլիոնավոր տարիների ընթացքում՝ ապացուցելով դրանց արդյունավետությունը տարբեր միջավայրերում:

Օրինակ, վեցանկյուն կառուցվածքը, որն օգտագործվում է մեղուների կողմից իրենց փեթակները կառուցելու համար: Երկրաչափության բարձր ամրությունն ու կայունությունը դարձնում են այն իդեալական մեղուների համար, մինչդեռ արդյունավետորեն օգտագործում է նվազագույն քանակությամբ նյութ: Այսօր մարդիկ այս կառուցվածքը կիրառում են տարբեր ոլորտներում՝ ինքնաթիռներից և տիեզերանավերից մինչև շինարարություն և փաթեթավորում: Biomimicry-ն վերաբերում է բնական նմուշների և գործընթացների ուսումնասիրմանը և իմիտացիային գործնական օգտագործման համար: Այս հոդվածում մենք կուսումնասիրենք որոշ նախագծեր և գործընթացներ, որոնք առաջարկում է բնությունը, և թե ինչպես են դրանք հարմարեցվել մարդու կողմից ստեղծված ավելի կայուն կառույցներ ստեղծելու համար:

ինքնաթիռները

Կենսամիմիկիայի ամենահայտնի և հնագույն օրինակը ինքնաթիռն է։ Ենթադրվում է, որ աղավնիների թռիչքը ոգեշնչել է Ռայթ եղբայրներին ստեղծելու առաջին ինքնաթիռը, որը նրանք արձակել են 1903 թվականին։ Սկսած թռչնի ձևից և նրա թևերի աշխատանքի ձևից մինչև այն, թե ինչպես է թռչունը սահում օդում, այս բոլոր տարրերը ծառայել են։ որպես ժամանակակից ինքնաթիռների նախագծեր: Այս հատկանիշները մանրակրկիտ ուսումնասիրված են, և գիտնականները ձգտում են կրկնօրինակել դրանք:

Ինքնաթիռների դիզայներները ձևավորում են թևերը՝ ընդօրինակելով թռչնի թևի կոր մակերեսը՝ ստեղծելով օդի ճնշման տարբերություն թևի վերևում և ներքևում՝ առաջացնելով բարձրացում: Ինքնաթիռի պոչում գտնվող ղեկերը նմանակում են թռչնի պոչի փետուրները՝ ապահովելու հավասարակշռությունը և ուղղորդվածությունը: Կիրառելով բնական դիզայնի սկզբունքները՝ գիտնականները ստեղծել են օդից ավելի ծանր մեքենա, որը կարող է ճանապարհորդել երկնքով: Բացի կոմերցիոն ինքնաթիռներից, ուսումնասիրվել է նաև սագերի նման թռչունների V-աձև ձևավորումը։

V-աձև ձևավորումն օգնում է պահպանել էներգիան՝ բռնելով առջևի թռչնի հոսքը, նվազեցնելով այն էներգիայի քանակը, որն անհրաժեշտ է հետևում գտնվող թռչունին օդում մնալու համար: Ռազմական ջոկատները կիրառում են այս սկզբունքը՝ առավելագույնի հասցնելու էներգաարդյունավետությունը:

Կարդացեք նաեւ. Ապագայի թոփ 8 ռազմական տեխնոլոգիաները, որոնց պետք է ուշադրություն դարձնել այսօր

Velcro

Շվեյցարացի ինժեներ Ջորջ դե Մեստրալը հայտնագործել է Velcro-ն 1941 թվականին՝ վերադառնալով անտառից զբոսանքից և նկատելով կռատուկի բույսերի փորվածքները, որոնք կպչում էին իր հագուստին և իր շան մորթուն: Մանրադիտակի տակ նրանց զննելուց հետո դե Մեստրալը տեսավ, որ սրունքները իրենց սերմերի վրա փոքրիկ կեռիկներ ունեին, որոնք ստիպեցին դրանք կապել հագուստի և մորթու վրա:

Ոգեշնչված կեռիկի դիզայնից՝ դե Մեստրալը ստեղծեց Velcro-ն՝ երկու մասից բաղկացած համակարգ: Մի կողմում կար փոքրիկ կեռիկներ, իսկ մյուս կողմում՝ փոքր օղակներ: Երբ երկու կողմերը սեղմվում էին իրար, կեռիկները կպչում էին օղակների վրա՝ ստեղծելով ամուր կապ: Այնուամենայնիվ, կապը նախագծված էր այնպես, որ բավականաչափ ամուր լինի պահելու համար, բայց բավականաչափ հեշտ՝ բավականաչափ ուժով բաժանվելու համար:

Այսօր Velcro-ն օգտագործվում է իրերի լայն տեսականիում՝ հագուստից և պայուսակներից մինչև բժշկական վիրակապ և մալուխի կազմակերպիչներ: Փաստորեն, NASA Նաև օգտագործել է Velcro-ն՝ զրոյական գրավիտացիայի պայմաններում առարկաները ապահովելու համար: Ոգեշնչված սերմերի ցրման պարզ, բայց արդյունավետ դիզայնով, Velcro-ն դարձել է ամենուր տարածված տարր առօրյա կյանքում: Այն ծառայում է որպես կոճակների և կայծակաճարմանդների այլընտրանք՝ առաջարկելով առավելություններ, ինչպիսիք են օգտագործման հեշտությունը, բազմակի օգտագործման հնարավորությունը և արդյունավետությունը:

Կարդացեք նաեւ. Ինչ տեսք կունենան ապագայի մարդատար գնացքները

termites

Տերմիտների բլուրները ուշագրավ կառույց են, որը ստեղծվել է տերմիտների կողմից՝ իրենց գաղութի համար ապաստան ապահովելու և կենսամիջավայրը կարգավորելու համար: Հողից, ծամված փայտից, կեղտից և թուքից պատրաստված այս հողակույտերն ունեն կենտրոնական, ծխի նմանվող օդափոխման կառուցվածք՝ կապված ստորգետնյա թունելների և խցիկների հետ: Այս դիզայնը օգնում է պահպանել օպտիմալ միջավայր ստորգետնյա տարածքներում:

Տաք օդը բարձրանում է կենտրոնական կառույցի միջով՝ թույլ տալով ավելի սառը օդի ներթափանցել ստորին բացվածքներով: Սա ապահովում է թմբերի ներսում միջավայրի պահպանումը` անկախ արտաքին պայմաններից: Դիզայնը նաև հեշտացնում է օդափոխությունը և գազի փոխանակումը: Այս կառույցները կարող են հասնել մինչև 9 մետր բարձրության և կանգնել տասնամյակներ շարունակ՝ ցուցադրելով իրենց ամրությունը:

Ոգեշնչված տերմիտների թմբերից՝ ճարտարապետները նախագծել են շենքեր, որոնք նմանակում են այս կառույցին: Ամենահայտնի օրինակներից է Զիմբաբվեի Eastgate կենտրոնը։ Մայք Փիրսի կողմից նախագծված Eastgate Center-ի նպատակն է տաք կլիմայի բնակիչների համար պահպանել վերահսկվող կլիմա՝ միաժամանակ նվազեցնելով հովացման համար էներգիայի սպառումը:

Կարդացեք նաեւ. Ինչու են կրիպտոարժույթները աճում Թրամփի հաղթանակից հետո. բացատրված է

Ինքնամաքրվող մակերեսներ

Չնայած պղտոր ջրում գոյությանը, լոտոսը մնում է մաքուր՝ շնորհիվ իր տերևների ուլտրաջրաֆոբ բնույթի: Փոքրիկ, մոմով ծածկված բշտիկները ծածկում են լոտոսի տերևի մակերեսը, ինչի հետևանքով ջրի կաթիլները գլորվում են՝ իրենց հետ տանելով կեղտը և բեկորները։ Տերևի մակերեսի նանոկառուցվածքները (այս փոքրիկ բշտիկները) նվազեցնում են ջրի կաթիլների կպչունությունը՝ թույլ տալով նրանց հավաքել փոշու մասնիկները: Այս երևույթը հայտնի է որպես «լոտոսի էֆեկտ», տերմին, որն առաջին անգամ ներդրվել է 1977 թվականին Բարթլոտի և Էլերի կողմից, ովքեր նկարագրել են լոտոսի տերևի ինքնամաքրման հատկությունները։

Այդ ժամանակից ի վեր գիտնականները ուսումնասիրել են լոտոսի տերևներից ներշնչված ծածկույթներ, որոնք ինքնամաքրվում են: Ամերիկյան Sto Corp. մշակել է լոտոսի էֆեկտից ներշնչված ներկ, որը վանում է կեղտը և կեղտը:

Բացի ինքնամաքրվող ներկերից, գործվածքներից և ծածկույթներից, այս մեթոդը օգտագործվում է նաև արևային ջերմային կոլեկտորների, երթևեկության հսկողության սենսորների և հովանոցների համար նյութեր մշակելու համար:

Կարդացեք նաեւ. Ինչ տեսք կունենան ապագայի մարդատար ինքնաթիռները

Ճապոնական արագընթաց գնացքներ

Արքայաձկները աներևակայելի ճկուն և արագընթաց թռչուններ են, որոնք ներխուժում են իրենց որսը բռնելու համար: Նրանք հանգիստ մոտենում են, հատկապես ջրային մարմինների մոտ, որպեսզի չապշեցնեն իրենց որսը: Արքայաձկան կտուցի յուրահատուկ դիզայնը տալիս է նրան այս առավելությունը։ Այն ունի նեղ, երկար և սրածայր կտուց, որի տրամագիծն աճում է ծայրից մինչև հիմքը։ Այս դիզայնը օգնում է բաշխել ճնշումը, որն առաջանում է ջրի վրա հարվածելիս՝ նվազեցնելով շաղ տալ աղմուկը և ապահովելով արդյունավետ, հանգիստ և կայուն սուզում:

Ճապոնացի ինժեներները, ովքեր մշակել են Shinkansen արագընթաց գնացքը, սկզբում բախվել են թունելի բարձր բումի խնդրին, որն առաջացել է գնացքի առջևում ստեղծված մթնոլորտային ճնշման պատճառով:

Այս խնդիրը լուծելու համար ինժեներները նայեցին արքան ձկնիկի կտուցի դիզայնին: Նրանք վերաձևավորել են գնացքի առջևի մասը՝ ընդօրինակելով կտուցի ձևը՝ վերացնելով թունելի բումը: Այս դիզայնը նաև թույլ է տվել գնացքին 10%-ով ավելի արագ շարժվել և 15%-ով քիչ էլեկտրաէներգիա սպառել:

Կարդացեք նաեւ. Europa Clipper. Այն ամենը, ինչ դուք պետք է իմանաք մինչև ամենամեծ տիեզերանավի մեկնարկը

Շնաձկների կաշվից ոգեշնչված նորամուծություններ

Շնաձկները հայտնի են իրենց արագությամբ և ջրի տակ լողալու փորձով: Զարմանալի չէ, որ գիտնականները փորձել են կրկնօրինակել շնաձկան մաշկը տարբեր կիրառությունների համար, ներառյալ լողազգեստներ և հակաբակտերիալ ծածկույթներ պատրաստելը: Շնաձկների մաշկը կազմված է ատամի նման մանր կառուցվածքներից, որոնք կոչվում են մաշկային ատամնաշարեր, որոնք մի ուղղությամբ հարթ են զգում, իսկ մյուսում՝ ատամնավոր: Այս մաշկային ատամնաշարերը կատարում են երկու գործառույթ՝ նրանք գործում են որպես պաշտպանիչ զրահ և ուժեղացնում են շարժումը ջրի միջով:

Ժամկետը մաշկային ատամնաշարեր ապացուցել է, որ հզոր գործիք է շնաձկների համար: Խափանելով ջրի հոսքն իրենց ատամնավոր եզրերով՝ մաշկային ատամնաշարերը նվազեցնում են շնաձկան քաշքշուկը ջրի միջով շարժվելիս՝ թույլ տալով նրան արագ, արդյունավետ և հանգիստ լողալ: Այս կառույցները նաև կանխում են միկրոօրգանիզմների միացումը շնաձկան մաշկին։ Մաշկի մակերևույթի երկայնքով փոքրիկ գագաթները խանգարում են անցանկալի ավտոստոպներին անվճար երթևեկել:

Ոգեշնչվելով այս եզակի մակերեսից՝ գիտնականները կրկնօրինակել են այն լողազգեստների համար՝ դրանց կատարողականությունը բարձրացնելու համար: Այս լողազգեստներն այնքան հաջող էին օլիմպիական խաղերում, որ դրանցից մեկը՝ Speedo LZR Racer-ը, արգելվեց Լողի միջազգային ֆեդերացիայի կողմից։

Այնուամենայնիվ, որոշ հետազոտողներ պնդում են, որ շնաձկան մաշկից ներշնչված լողազգեստներն իրականում մեծացնում են դիմադրողականությունը, քան նվազեցնում այն: Շնաձկների մարմինը շատ ավելի ճկուն է, քան մարդու մարմինը, այդ իսկ պատճառով մաշկային ատամները օգնում են նվազեցնել դիմադրողականությունը: Թեև լողազգեստները մշակվել են շնաձկների մաշկը դիտարկելով, դրանց հաջողությունը կարող է լինել փորձարկման և սխալի գործընթացի հետևանք, այլ ոչ թե շնաձկան հիդրոդինամիկ առավելությունների ուղղակի կրկնօրինակումը:

Շնաձկների մաշկը նույնպես ուսումնասիրվել է բժշկական տեխնոլոգիաների մշակման համար, ինչպիսիք են հիվանդանոցի պատերին կիրառվող պլաստիկե թիթեղները: Այս թիթեղները օգնում են կանխել բակտերիաների և այլ վնասակար միկրոօրգանիզմների տարածումը, քանի որ դրանք չեն կարողանում կպչել պատերին:

Կարդացեք նաեւ. End-to-End ծածկագրում. ինչ է դա և ինչպես է այն աշխատում

Մեղրախորիսխ կառուցվածքներ

Ինչպես նշվեց ներածության մեջ, մեղուների կողմից օգտագործվող բջիջների կառուցվածքը բարձր արդյունավետ երկրաչափական ձև է: Մեղուների կողմից վեցանկյուն ձևն ընտրելու պատճառը եղել է գիտական ​​հետաքրքրության առարկա դեռևս Չարլզ Դարվինի ժամանակներից, ով ենթադրում էր, որ այս ձևը հարմարեցված է մոմի արտադրության գործընթացը օպտիմալացնելու համար: Այս ձևը առավելագույնի է հասցնում առկա պահեստային տարածքը՝ օգտագործելով մոմ նվազագույն քանակությունը:

1999 թվականին ամերիկացի մաթեմատիկոս Թոմաս Հեյլսն ապացուցեց, որ վեցանկյունը նվազագույնի է հասցնում պարագծի տարածքը և առավելագույնի հասցնում տարածությունը՝ օգտագործելով նվազագույն քանակությամբ նյութ։ Սա հայտնի է որպես «մեղրախորիսխի ենթադրություն»։ Բացի մոմը պահելուց, վեցանկյուն բջիջները նաև պաշտպանում և պահում են թրթուրները՝ ապահովելով, որ մոմը չհալվի տաք կլիմայական պայմաններում:

Ոգեշնչված մեղուներից՝ գիտնականները երկրաչափություն են կիրառում ինքնաթիռի հայելիների, շինանյութերի և հողմատուրբինի շեղբերների մեջ։ Դիզայնը կենտրոնացած է ռեսուրսների արդյունավետության վրա՝ նվազեցնելով քաշը և նյութական ծախսերը:

Մասնավորապես, Ջեյմս Ուեբ տիեզերական աստղադիտակի (JWST) հայելիները բաղկացած են 18 վեցանկյուն հատվածներից՝ դասավորված մեղրախորիսխով: Այս երկրաչափությունը առավելագույնի է հասցնում մակերեսի մակերեսը լույսի գրավման համար՝ պահպանելով կառուցվածքային ամբողջականությունը և նվազագույնի հասցնելով քաշը, ինչը կարևոր է տիեզերական առաքելությունների համար:

Սրանք բիոմիմիկայի ընդամենը մի քանի օրինակ են, և թե ինչպես է բնությունը ոգեշնչում արդյունավետ ձևավորումներ և նորարարություններ: Այս ցանկը ոչ մի դեպքում սպառիչ չէ և միայն անդրադառնում է բնության կողմից իր կառուցվածքների և գործընթացների բարելավմանը: Այսօր կան բազմաթիվ բնական համակարգեր և գործընթացներ, որոնք գիտնականներն ուսումնասիրում են գոյություն ունեցող տեխնոլոգիաները բարելավելու համար:

Բնությունը շարունակում է զարգանալ և օպտիմալացնել իր համակարգերը՝ օգուտ քաղելով ոչ միայն բնական աշխարհին, այլև ոգեշնչելով մարդկանց ստեղծել նորարարություններ, որոնցից նրանք կարող են ոգեշնչվել:

Եթե ​​դուք հետաքրքրված եք ավիացիայի և տիեզերական տեխնոլոգիաների մասին հոդվածներով և նորություններով, մենք ձեզ հրավիրում ենք մեր նոր նախագծին AERONAUT.media.

Կարդացեք նաեւ.

• 6 միջմայրցամաքային բալիստիկ հրթիռներ (ICBM), որոնք կարող են վերջ տալ աշխարհին
• Ինչպես ընտրել հեծանիվ. սկսնակների ուղեցույց և