Den britiske arkitekt Michael Pawlyn tænker på naturen som et "produktkatalog", som alt sammen, forklarer han i en TED Talk, "har draget fordel af en 3, 8 milliarder år lang forsknings- og udviklingsperiode."
"I betragtning af det investeringsniveau, " siger han, "er det fornuftigt at bruge det."
Selvom ny teknologi undertiden kan føles mærkelig, næsten anden verden overhovedet, indebærer fremtiden for innovation forskere bedre at forstå den naturlige verden omkring os. Og opfinderne griber ind med mere og mere omfavnende biomimik eller processen med at designe produkter, der fungerer som dyr og planter gør efter evolutionens finjustering. Fra mantis rejer til bi spytte, ingeniører efterlader ingen sten uændret, når det kommer til inspiration.
Her er fem nylige opdagelser i den naturlige verden, der en dag kan føre til nye opfindelser.
Mantis rejer har en super sej rustning lavet af en slagfast resistent mikrostruktur.
Mantis rejer er feisty små djævler, der ikke vender tilbage fra en kamp - selv med deres egen art. Bemærkelsesværdigt kan to mantis rejer hertug den ud og forblive uskadet bagefter. Det skyldes, at de hårde bittesmå krigere er dækket af en super-stærk rustning ned ad deres ryg. Pansringen, kaldet telsons, ser og fungerer på samme måde som skjolde og overlapper hinanden, når de kaskader ned ad krebsdyrens hale.
Forskere ved University of California, Riverside studerede strukturen og mekanikken i disse telsons og fandt, at nøglen til deres sejhed ser ud til at være den spiralformede stillads under hvert skjold. I en nylig undersøgelse i tidsskriftet Advanced Functional Materials forklarer ingeniørerne og deres kolleger, at den spiralformede struktur forhindrer revner i at vokse og blødgør virkningen af et hårdt hit. En lignende snoet arkitektur vides at findes i rejerens klø, der bruges til at levere slag mod enhver trussel mod dens territorium. Rejerne har klart udviklet den perfekte rustning.
En dag kan vi måske se denne slags slagfast resistent mikrostruktur, som forskerne patenterede i 2016, inden for sportsudstyr, kropsrustning til politi og militær, droner, vindmølleblade, rumfartsmaterialer, biler, militære køretøjer, fly, helikoptere, cykler og marinefartøjer. Grundlæggende forklarer David Kisailus, professor i kemisk og miljømæssig teknik ved University of California, Riverside, og studieforfatter, i en e-mail til Smithsonian magasinet, "Hvor som helst reduceret vægt er kritisk, men sejhed og styrke kræves."
Kisailus mener, på kort sigt, at fundet vil have den største indflydelse på sportsudstyr, fordi tiden til at markedsføre produkter som hjelme og skinnebensvagter er kortere, end det er med noget som kommercielle fly. Forskerne har lavet en prototypehjelm til både byggeri og fodbold. Men Kisailus tilføjer, "på længere sigt tror jeg, at den større og mere globale påvirkning vil være i transporten, da den reducerede vægt med højere styrke vil reducere brændstofforbruget og emissionerne."
Mælkebønsfrø afslører nyopdaget form for naturlig flyvning.
En form for flyvning, der ikke var set før, blev afsløret i en undersøgelse af mælkebøtter. (Cathal Cummins) Den måde, mælkebøttefrø ubesværet driver med i vinden og fanger glinsende sollys, når de falder til jorden, har en vis forenklet skønhed, som det ville være svært at toppe. Men som forskerne fandt sidste efterår, er den usynlige sti, som dens sarte, børstede faldskærm efterlader, endnu mere vidunderlig - og at studere det kunne føre til virkelig seje fremskridt inden for droneflyvning og overvågning af luftforurening.
Forskere vidste, at mekanismen, der bar frøene så ubesværet, var dens delikate krone af elfenbenfibre, der slags ligner en skorsten til fejring. De var bare ikke sikre på nøjagtigt, hvordan denne faldskærmlignende fuzz virkede, da bundtet af mælkebødsfrø for det meste består af tom plads. Så videnskabsmænd ved University of Edinburgh skabte en vindtunnel for at sætte frøene på prøve, og på den måde opdagede de en "ny klasse af væskeadfærd, " rapporterer James Gorman for New York Times . Luften strømmer gennem filamenterne og efterlader et hvirvlende spor af luft bag sig, eller hvad der kaldes en adskilt virvelring. Ringen øger et frøtræk, hvilket skaber en flyvning fire gange mere effektiv end for en konventionel faldskærm.
Forskerne, der forklarede fundet i en undersøgelse, der blev offentliggjort i Nature, håber, at det inspirerer ingeniører til at opfinde små selvkørende droner, der kræver lidt eller intet energiforbrug for at flyve.
”Et mælkebøtteinspireret menneskeskabt bundt af børstehår kunne bruges til at flyde rundt i luften og bære noget som kameraer eller sensorer i stedet for frøene, ” siger Naomi Nakayama, en biolog fra University of Edinburgh og studieforfatter i en e-mail til Smithsonian . "Ligesom mælkebøden, kunne de forblive flydende i lang tid, være i stand til at overvåge og registrere luftkvaliteten, vindretning eller hastighed, og måske nogle menneskelige aktiviteter, uden at folk bemærker, at de er rundt, fordi de er så små."
Makohajer er hurtige på grund af deres fleksible vægt.
Dette er et fotografi af kortfin mako hajvægte, som hver måler cirka 0, 2 millimeter i længden. Den forreste række af skalaer er manuelt børstet til deres maksimale vinkel på ca. 50 grader. (Phil Motta ved University of South Florida) Makohajer er rasende hurtige, og derfor kaldes de undertiden havets geparder. De kan nå op til 70 til 80 miles i timen. Men hvordan kommer de så hurtigt? Svaret ligger med små vægge på deres flanke og finner. Men præcis hvordan deres glatte hud hjælper deres hastighed er af særlig interesse for luftfartsingeniører med finansiering fra Boeing og den amerikanske hær, der ønsker at designe nyt materiale for at reducere træk og øge flyets smidighed, ifølge en pressemeddelelse fra American Physical Society. .
De fleksible skalaer på makohajens flanke og finner er kun en femtedel af en millimeter lang. Hvis du skulle kæle hajen som en kat fra hoved til hale ( redaktørens note: Vi rådgiver ikke dette .), Ville dens skalaer føles glatte. Men hvis du løb din hånd i den modsatte retning, ville huden føles mere som sandpapir med vægterne bøjet bagud til en maksimal vinkel på 50 grader afhængigt af kropsplacering med de mest fleksible vægte bag gællerne. I henhold til pressemeddelelsen holder skalaenes fleksibilitet strømningen bevæger sig tæt på huden og forhindrer det, der kaldes "flow adskillelse."
Flowadskillelse er også fjenden nummer et, når det kommer til fly. Konceptet demonstreres let ved at stikke hånden ud af et bevægeligt bilvindue med håndfladen mod vinden. Din håndflade er under mere pres end bagsiden af din hånd, og så bliver din hånd skubbet baglæns. Dette sker, fordi luftstrømmen adskiller sig omkring siderne af din hånd og skaber lavtryksregionen eller vågner bag din hånd. Flowadskillelse kan dog stadig ske på et mere strømlinet legeme som hajen. Det er her vægterne kommer ind: de hjælper med at kontrollere strømningen og reducerer dermed træk og lader dyret svømme hurtigere og med større manøvrerbarhed.
”Vi spekulerer i, at vi på et tidspunkt kunne konstruere et bånd, der kunne påføres strategisk på flyoverflader, såsom helikopterrotorblade, vinger eller bestemte placeringer på kroppen, hvor strømningsseparation forekommer og forårsager en stigning i træk eller formindskelse i ydeevne eller manøvredygtighed, ”siger Amy Lang, en luftfartsingeniør ved University of Alabama, der præsenterede arbejdet på American Physical Society March Meeting i Boston, i en e-mail til Smithsonian .
Lang modtog et patent i 2014, som hun siger var ”baseret på tidlige koncepter, vi havde om, hvordan hajhuden fungerer, og hvordan vi kunne anvende det på en konstrueret overflade.” Hun og hendes team fremstiller 3D-trykte modeller af mako hajhud og håber for at få flere resultater fra testning af dem i vind- og vandtunneler inden for det næste år. ”Vi håber i vores samarbejde med industrien at indgive et opdateret patent, da en menneskeskabt overflade udvikles til rigtige applikationer, ” tilføjer hun.
Bier kombinerer spytte og blomsterolie for at gøre et klæbemiddel.
Honningbier flyver fra blomst til blomst og samler pollen og opbevarer det på deres krop for at tage tilbage til bikuben. Men hvad nu hvis en overraskende sommer regnbruser griber ind? Frygt aldrig, bier har en løsning til det: en klæbrig opslæmning af deres spytte og olier fra blomster, der forvandler pollen til vandresistente pellets. Videnskaben bag denne klodsede kombination inspirerer muligvis endda high-tech lim, der klæber, når du vil have dem, men også frigive, når det er nødvendigt.
”Vi ville vide, om pollen kan forblive så godt fastgjort til biens bagben, hvordan klarer bierne at fjerne det, når de vender tilbage til bikuben, ” sagde Carson Meredith, ingeniør i Georgia Tech og hovedforfatter på en undersøgelse offentliggjort i Nature Communications i marts i en pressemeddelelse.
Det fungerer hovedsageligt sådan: Bee-spytte er lidt klæbrig til at begynde med på grund af nektaren, de drikker. Sputet dækker pollen, når bierne samler det. Derefter belægger olierne fra blomsterne den pittige pollenkugle. Denne lagdelingsteknik er den perfekte sammenkogning til at afvise uventet fugtighed.
”Det fungerer på samme måde som et lag madolie, der dækker en pulje af sirup, ” sagde Meredith i udgivelsen. ”Olien adskiller sirupen fra luften og bremser tørringen betydeligt.”
Hastighed er også en nøglefaktor, som det ser ud til. Det kommer ned på, hvad der kaldes en hastighedsfølsom reaktion, hvilket betyder ”jo hurtigere den kraft, der forsøger at fjerne den, jo mere vil den modstå”, ifølge en pressemeddelelse. Så når bierne bruger koordinerede, langsomme bevægelser med bagbenene for at fjerne pollenkuglerne, kommer de let af. Men hvis en fritfaldende regndråb kolliderer med en af kuglerne, klæber den mere intenst.
Anvendelserne til et klæbemiddel som dette varierer meget. Meredith forklarer i en e-mail til Smithsonian magasinet, at et bioinspireret klæbemiddel vil trives i områder, hvor styrke ikke er den øverste prioritet, men “hvor vedhæftning skal være skræddersyelig, indstillelig, responsiv på stimuli eller kombineret med andre egenskaber som spisbarhed, biokompatibilitet eller fugtighedsmodstand. ”
Han arbejder med både medicinske og kosmetiske virksomheder. (Hvis du nogensinde har fundet dig selv fjerne fjerner vandtæt make-up, forstår du efterspørgslen efter en løsning.) ”I disse felter ønsker man ofte vedhæftning, der kan holde overflader sammen under visse omstændigheder, men derefter kan frigives på forespørgsel eller når en bestemt tilstand (hastighed, kraft, fugtighed) er overskredet, ”forklarer han. "Dette inkluderer evnen til at overføre små partikler fra et sted til et andet, som ved påføring af make-up eller levering af et lægemiddel til et bestemt væv i kroppen."
Det er ikke alt: disse pollenpiller er naturligt spiselige, så det kan også bruges i mad, måske til “dekorative genstande på en kage eller dessert, eller vedhæftede partikler, der indeholder madtilsætningsstoffer til smag, næringsstoffer, konserveringsmidler, farve osv., ”Forklarer Meredith.
Katte er ekspertplejere på grund af hule papiller på deres tunger.
(Elke Schroeder / EyeEm / Getty Images) Katte bruger en temmelig betydelig mængde af deres tid på at slikke sig selv. Det viser sig, at deres tunge har udviklet sig til at give en effektiv plejepleje - og måske faktisk hjælpe os med at gøre bedre hårbørster eller endda inspirere til fremskridt inden for blød robotik og nye former for rengøringsteknologi.
En katts klassisk sandpapir-y-tunge er dækket af vinklede pigge kaldet papiller, som er lavet af keratin eller de samme hårde ting af vores negle. Det er den del af tungen, som forskere ved Georgia Institute of Technology var interesseret i at studere for at finde ud af, nøjagtigt, hvordan den distribuerer fugtighed gennem en kattepels så let.
Det viser sig, at papiller ikke er stikkende eller kegleformede, som tidligere forskning blev anbragt. I stedet for, som Georgia Institute of Technology ingeniører beskriver i en undersøgelse i Proceedings of the National Academy of Sciences, er de skovformede med to hule ender. Denne form skaber overfladespænding, der låser spytdråber i, indtil det er tid til en rengøring, fandt teamet. Og disse tunger kan rumme meget væske. Da teamet satte kattetunger - doneret post mortem - til testen, fandt de, at hver papilla kan rumme ca. 4, 1 mikroliter vand, men over tungen er det nok til at fordele omkring en femtedel af en kop vand gennem dyrets pels i en dag ifølge National Geographic .
Papillerne angriber også en knude fra fire forskellige retninger - perfekt til effektiv detangling. Forskerne skabte endda en tungeninspireret plejebørste (TIGR) med 3D-modeller af kattetunger. De har ansøgt om et patent på børsten, som kunne bruges til at anvende medicin eller distribuere orden-i-shampoo og balsam i kæledyrskind for at reducere allergener.
Og holdet ser for sig andre applikationer. "Den unikke rygsøjeform kunne implementeres i blød robotik for at hjælpe med at gribe - tidligere undersøgelser har vist, at mikrokroge udmærker sig i at gribe til porøse, stive overflader, " siger Alexis Noel, en forskningsingeniør ved Georgia Tech Research Institute og studieforfatter, i en e-mail. Der kan endda være en ny måde at anvende mascara på, tilføjer hun.
