ชีวมิติ -

ในสาขาชีวมิติที่กำลังเติบโตซึ่งวิศวกรนักวิจัยและสถาปนิกมองไปที่โลกชีวภาพเพื่อหาคำตอบสำหรับปัญหาการออกแบบทั่วไปปี 2014 ถือเป็นปีที่อุดมสมบูรณ์สำหรับนวัตกรรมด้านหุ่นยนต์เทคโนโลยีสีเขียวและการแพทย์ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรยอมรับอย่างเป็นทางการถึงคุณค่าของการนำลักษณะที่ได้รับการคัดเลือกตามวิวัฒนาการมาใช้กับความท้าทายในการออกแบบที่ยากลำบากและพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ จำนวนมากที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสิ่งมีชีวิต จากหุ่นยนต์ปลาหมึกไปจนถึงเซลล์แสงอาทิตย์แบบแมงกระพรุน biomimicry ได้กำหนดวิธีการจัดการกับความท้าทายด้านวิศวกรรมโดยเป็นการประกาศคำมั่นสัญญาที่ยิ่งใหญ่สำหรับอนาคตของเทคโนโลยี

การมองหาธรรมชาติเพื่อเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบไม่ใช่แนวคิดใหม่ ในช่วงยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาของอิตาลีลีโอนาร์โดดาวินชีนักประดิษฐ์ได้ศึกษาสัตว์บินหลากหลายชนิดเพื่อสร้างเครื่องจักรสำหรับการบินที่ขับเคลื่อนด้วยมนุษย์ ด้วยแรงบันดาลใจจากปีกของค้างคาวและการเคลื่อนไหวที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกมัน Leonardo จึงออกแบบปีกของ "ornithopter" ของมันโดยใช้โครงไม้สนที่หุ้มด้วยผ้าไหมชั้นดี ปีกบิดเมื่อกระพือปีก แม้ว่าการคุมกำเนิดจะไม่เคยบิน แต่การออกแบบของ Leonardo ก็เป็นความพยายามที่จะเลียนแบบความสามารถของธรรมชาติที่เขาสังเกตเห็นได้อย่างชัดเจน ในทำนองเดียวกัน George de Mestral วิศวกรชาวสวิสพบแรงบันดาลใจในปี 1941 จากเสี้ยนที่เหนียวติดอยู่ในแจ็คเก็ตสำหรับล่าสัตว์และเสื้อคลุมสุนัขของเขา กลไกการขอเกี่ยวที่มีประสิทธิภาพของเลนซ์นำไปสู่การสร้างระบบตัวยึดแบบตะขอและห่วงที่เรียกว่า Velcro ในที่สุด

การเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพสมัยใหม่เกิดขึ้นได้จากวิวัฒนาการซึ่งเป็นกลไกที่ธรรมชาติจัดเรียงและทดสอบต้นแบบจำนวนนับไม่ถ้วนเพื่อค้นหาการปรับตัวที่เหมาะสมสำหรับประชากรของสิ่งมีชีวิตที่กำหนด แรงกดดันที่เลือกทำให้แต่ละรูปแบบเป็นการทดสอบขั้นสูงสุด: การอยู่รอด หากลักษณะไม่เอื้ออำนวยให้สิ่งมีชีวิตแข่งขันใช้ประโยชน์จากทรัพยากรและแพร่พันธุ์สิ่งมีชีวิตนั้นจะถูกกำจัดออกไปจากประชากร ด้วยเหตุนี้นักชีววิทยา Janine Benyus จึงตั้งคำว่าbiomimicryในปี 1997 สำหรับแนวคิดที่ว่ามนุษย์สามารถและควรยืมการออกแบบที่ทดสอบโดยโลกธรรมชาติ Biomimicry ช่วยให้วิศวกรและนักวิจัยสามารถใช้ประโยชน์จากความสำเร็จของวิวัฒนาการและนำไปใช้เพื่อตอบสนองความต้องการของสภาพแวดล้อมของมนุษย์ แทนที่จะพยายามแก้ไขความท้าทายในการออกแบบตั้งแต่เริ่มต้นนักวิทยาศาสตร์สามารถมองหาผลการทดลองและความจริงของธรรมชาติสำหรับแนวคิดต่างๆ

Biomimicry ในการแพทย์.

Biomimicry ช่วยให้เกิดการพัฒนาที่น่าสนใจหลายประการในด้านการแพทย์ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเท็กซัสออสตินมองไปที่กลไกการได้ยินของแมลงวันปรสิตOrmia ochraceaเพื่อพัฒนาอุปกรณ์ช่วยฟังที่ไวต่อความรู้สึกขนาดเล็กในปี 2014 O. ochraceaมีหูเฉพาะที่สามารถติดตามเสียงของจิ้งหรีดเพื่อฝึกฝนได้ บุคคลที่จะปรสิต ในมนุษย์เสียงมาถึงหูข้างหนึ่งเล็กน้อยก่อนที่จะไปถึงอีกข้างหนึ่งทำให้สมองสามารถแยกแยะทิศทางที่เสียงเล็ดลอดออกมาได้ อย่างไรก็ตามหูของแมลงวันมีขนาดเล็กมากและอยู่ใกล้กันมากดังนั้นเสียงจึงมาถึงหูทั้งสองข้างในเวลาใกล้เคียงกัน เพื่อชดเชยแก้วหูของO. ochraceaเชื่อมต่อกันด้วยโครงสร้างที่คล้ายกับ teeter-totter ซึ่งจะขยายความแตกต่างเล็กน้อยในช่วงเวลาที่มาถึงของเสียงและทำให้แมลงสามารถหาเหยื่อได้อย่างแม่นยำ นักวิจัยได้คัดลอกกลไกการหมุนวนเพื่อสร้างอุปกรณ์ขนาดเล็กที่สามารถใช้ในเครื่องช่วยฟังรุ่นต่อไปหรือสร้างไมโครโฟนแบบปรับได้ที่เน้นเฉพาะเสียงหรือการสนทนา

ปรสิตยังทำหน้าที่เป็นแรงบันดาลใจสำหรับ microneedles ผ่าตัดแบบใหม่ที่ใช้ในการต่อกิ่งผิวหนัง คล้ายกับหัวของPomphorhynchus laevisซึ่งเป็นหนอนในลำไส้ส่วนปลายของเข็มเล็ก ๆ เหล่านี้จะบวมเมื่อสัมผัสกับน้ำ คุณสมบัติดังกล่าวช่วยให้ทั้งตัวหนอนและเข็มสามารถเกาะติดกับเนื้อเยื่ออ่อนโดยได้รับความเสียหายน้อยที่สุดและทำให้เนื้อเยื่อบาดเจ็บเพียงเล็กน้อยเมื่อยุบตัวและแยกออกจากกัน นักวิทยาศาสตร์พบว่า microneedles เหล่านี้สามารถพลิกกลับได้ง่ายและให้การยึดเกาะที่แข็งแรงกว่าลวดเย็บกระดาษธรรมดาถึงสามเท่า

Biomimicry ยังใช้เพื่อต่อต้านการเพิ่มขึ้นของแบคทีเรียที่ดื้อยาในโรงพยาบาลและสถานพยาบาลอื่น ๆ จากการสังเกตว่าปลาฉลามมีความเสี่ยงต่อเพรียงและสาหร่ายน้อยกว่าสิ่งมีชีวิตในทะเลอื่น ๆ นักวิจัยพบว่าพื้นผิวด้วยกล้องจุลทรรศน์บนผิวฉลามที่ยับยั้งการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นได้อย่างมีนัยสำคัญและน่าแปลกใจที่แบคทีเรียต่างๆที่รับผิดชอบต่อการติดเชื้อที่ได้รับจากโรงพยาบาล นักวิจัยได้คัดลอกพื้นผิวเหล่านั้นเพื่อสร้างหนังฉลามสังเคราะห์ที่สามารถนำไปใช้กับพื้นผิวที่หลากหลายตั้งแต่อุปกรณ์ทางการแพทย์ไปจนถึงแป้นพิมพ์คอมพิวเตอร์เพื่อป้องกันการเติบโตของแบคทีเรียที่เป็นอันตราย

Biomimicry ในวิทยาการหุ่นยนต์.

Biomimicry นำไปสู่การพัฒนารูปแบบหุ่นยนต์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่จำนวนมาก ในปี 2014 กลุ่มนักวิจัยชาวอิตาลีได้เริ่มกระบวนการจดสิทธิบัตรหุ่นยนต์หลายตัวที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากปลาหมึกยักษ์ ตามเนื้อผ้าหุ่นยนต์ถูก จำกัด ด้วยรูปร่างเชิงมุมและร่างกายที่แข็งซึ่งทำให้การทำงานลดลง ปลาหมึกหุ่นยนต์ซึ่งสามารถว่ายน้ำและคลานข้ามสิ่งกีดขวางนั้นมีร่างกายที่อ่อนนุ่มและมีแขนที่ยืดหยุ่นได้ 6 แขนเพื่อจับและจัดการกับวัตถุ ในการว่ายน้ำอวัยวะที่ยืดหยุ่นบางส่วนให้แรงขับในขณะที่ส่วนอื่น ๆ ได้รับการตกแต่ง ด้วยการพัฒนาต่อไปหุ่นยนต์ดังกล่าวสามารถใช้ในการสำรวจใต้ทะเลลึกและในปฏิบัติการค้นหาและช่วยเหลือ

ในทำนองเดียวกันวิศวกรของมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียกำลังสร้าง "มันตาบอท" หุ่นยนต์ว่ายน้ำร่างกายอ่อนแรงที่ได้รับแรงบันดาลใจจากปลากระเบนและกระเบนราหู รังสีเป็นนักว่ายน้ำที่ทรงพลังและสามารถร่อนเป็นระยะทางไกลเพื่อประหยัดพลังงาน Mantabot ซึ่งติดตั้งครีบปีกที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งทำจากซิลิกอนและพลาสติกขึ้นรูปจากรังสีคูโนสจริง การว่ายน้ำที่มีประสิทธิภาพเลียนแบบรังสีจริงและสามารถใช้เพื่อรวบรวมข้อมูลทางทะเลสำหรับนักวิทยาศาสตร์หรือดำเนินการเฝ้าระวังใต้น้ำสำหรับกองทัพ

Biomimicry ในเทคโนโลยีสีเขียว.

เทคโนโลยีสีเขียวยังได้รับประโยชน์จากการเพิ่มขึ้นของการใช้งานทางชีวมิติ ในปี 2014 นักวิจัยชาวสวิสได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากผีเสื้อกลางคืนในสวน หากต้องการมองเห็นในเวลากลางคืนและหลีกเลี่ยงความสนใจของสัตว์นักล่ามอดตามีประสิทธิภาพสูงในการดูดซับแสง การใช้อนุภาคของทังสเตนออกไซด์ที่ปกคลุมด้วยเหล็กออกไซด์ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเลียนแบบวิธีที่ดวงตาของมอดดูดซับแสงที่ตกกระทบได้เกือบทั้งหมดจึงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูง ด้วยการดูดซับแสงที่เซลล์แสงอาทิตย์อื่น ๆ สะท้อนออกไปเซลล์แสงอาทิตย์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากมอดเหล่านี้มีศักยภาพที่ดีในการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์

ด้วยความพยายามที่จะลดจำนวนนกจำนวนมากที่ถูกฆ่าตายจากการชนกับหน้าต่างที่สะท้อนท้องฟ้าที่เปิดกว้างนักวิทยาศาสตร์ด้านชีวการแพทย์จึงมองหาใยแมงมุมเพื่อเป็นแรงบันดาลใจ ใยแมงมุมเป็นผ้าสะท้อนแสงอัลตราไวโอเลต (UV) และแม้ว่าคุณสมบัติดังกล่าวแทบจะมองไม่เห็นสำหรับมนุษย์และแมลงหลายชนิด แต่ก็ทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งนกได้อย่างมีประสิทธิภาพและช่วยปกป้องใยจากการถูกทำลาย นักวิทยาศาสตร์เลียนแบบคุณสมบัติดังกล่าวเพื่อสร้างกระจกนิรภัยสำหรับนกที่ฝังด้วยแถบของวัสดุสะท้อนแสงยูวีในรูปแบบที่คล้ายกับใยแมงมุม ด้วยจำนวนนกประมาณ 100 ล้านถึงหนึ่งพันล้านตัวที่ตายในแต่ละปีในสหรัฐอเมริกาเนื่องจากการชนกันของหน้าต่างความสามารถของกระจกนิรภัยสำหรับนกในการลดการเสียชีวิตของนกได้อย่างมากซึ่งสัญญาว่าจะเป็นการพัฒนาที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ด้วยความหลากหลายที่น่าทึ่งของสิ่งมีชีวิตนักวิจัยด้านชีวการแพทย์จึงมีสิ่งมีชีวิตและการปรับตัวที่ดูเหมือนไม่มีที่สิ้นสุดเพื่อสร้างแรงบันดาลใจ Biomimicry นำไปสู่คอลเลกชันที่น่าทึ่งของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีตั้งแต่ขวดน้ำที่บรรจุเองซึ่งเลียนแบบแมลงเต่าทองในทะเลทรายไปจนถึงสีที่ทำความสะอาดตัวเองได้รับแรงบันดาลใจจากใบบัวที่ไม่ชอบน้ำ สมมติว่ามนุษยชาติสามารถรักษาความหลากหลายทางชีวภาพที่ขับเคลื่อนชีวมิติได้ภาคสนามสัญญาว่าจะสร้างโซลูชั่นที่เป็นนวัตกรรมต่อไป ในการค้นหาลักษณะวิวัฒนาการได้ผ่านการทดสอบอย่างเข้มงวดมานับพันปี biomimicry อนุญาตให้วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์“ เรียนรู้จากผู้เฒ่าผู้แก่ของเรา” และใช้ความสำเร็จของธรรมชาติเพื่อแจ้งการออกแบบและเทคโนโลยี

Melissa Petruzzello