از کندوها تا ساختمان‌ها: ۷ موردی که مهندسی انسان از طبیعت الهام گرفته است
طبیعت طی ۳.۸ میلیارد سال تکامل، طرح‌ها و فرآیندهایی برای بقا بهینه و کامل ساخته است، از طراحی بال یک پرنده تا نحوه گرده‌افشانی دانه‌ها.
در مقابل، انسان‌ها تنها در کسری از طول عمر زمین حضور داشته‌اند اما به طبیعت برای الهام‌گیری روی آورده‌اند. از توسعه اولین هواپیما در سال ۱۹۰۳ تا اختراع ولکرو در سال ۱۹۴۱، طبیعت به نحوی به انسان‌ها طرح اولیه‌ای برای کارکرد ارایه داده است.
طبیعت کارآمد، آگاه به منابع و خودپایدار است. طرح‌ها و فرآیندهای طراحی شده طی میلیون‌ها سال آزمایش شده و در محیط‌های متنوع اثبات شده‌اند.
به عنوان مثال، ساختار شش ضلعی توسط زنبورها برای ساخت کندوها استفاده می‌شود. استحکام بالا و پایداری هندسه آن را به یک انتخاب خوب برای زنبورها تبدیل می‌کند. علاوه بر این، این ساختار در استفاده از مواد بهینه برای ساخت الگوی شش ضلعی کارآمد است.
امروزه، مردم از این ساختار در مکان‌های مختلف، از هواپیماها و سفینه‌های فضایی تا ساخت و بسته‌بندی استفاده می‌کنند. بیومیمتیک به یادگیری و تقلید انسان‌ها از طرح‌ها و فرآیندهای طبیعت برای استفاده خود می‌پردازد.
در این مقاله، به بررسی دنیای بیومیمتیک می‌پردازیم. طرح‌ها و فرآیندهایی که طبیعت ارائه می‌دهد و چگونگی تطبیق آنها برای ایجاد طرح‌های انسانی پایدارتر را بررسی خواهیم کرد.
هواپیماها
معروف‌ترین و اولین نمونه بیومیمتیک هواپیما است. پرواز کبوتران به عنوان الهام‌بخش هواپیمای برادران رایت شناخته می‌شود که در سال ۱۹۰۳ پرواز کرد.
از شکل پرنده و نحوه کارکرد بال‌ها تا نحوه سر خوردن پرنده در هوا همه به عنوان طرح‌های اولیه برای هواپیماهای مدرن محسوب می‌شوند. این ویژگی‌ها به دقت مطالعه می‌شود و دانشمندان سعی می‌کنند آنها را بازتولید کنند.
طراحان بال‌های هواپیما را به شکل سطح منحنی بال پرنده طراحی می‌کنند، تا تفاوت فشار هوا در بالای و زیر بال به ایجاد لیفت منجر شود. سکان‌ها در انتهای دم هواپیما همانند پرهای دم پرنده برای فراهم کردن تعادل و کنترل جهت‌گیری عملکرد دارند.
با استفاده از طراحی طبیعت، دانشمندان ماشینی سنگین‌تر از هوا را تولید کرده‌اند که می‌تواند در آسمان‌ها سفر کند.
علاوه بر هواپیماهای تجاری، شکل V پرندگان مانند غازها نیز مطالعه شده است.
شکل V به صرفه‌جویی در انرژی با استفاده از جریان هوای بالا در پرنده جلویی کمک می‌کند و به این ترتیب میزان انرژی لازم برای پرنده پشت سر برای ماندن در هوا را کاهش می‌دهد. صفوف نظامی از این اصل برای به حداکثر رساندن کارایی انرژی استفاده کرده‌اند.
ولکرو
مهندس سوئیسی جرج دو مسترال ولکرو را در سال ۱۹۴۱ اختراع کرد زمانی که از یک پیاده‌روی در جنگل بازگشت و قلاب‌های گیاه بابوره به لباس‌هایش و موی سگش چسبیدند.
هنگامی که با میکروسکوپ بررسی کرد، مسترال مشاهده کرد که قلاب‌ها دارای قلاب‌های کوچک روی دانه‌ها هستند. این باعث شد که آنها به لباس و پشم بچسبند.
با الهام از طراحی قلابی، مسترال ولکرو را ایجاد کرد که یک سیستم دوقسمتی بود. قلاب‌های کوچک یک طرف ولکرو را تشکیل می‌دادند و ساختارهای حلقه‌ای کوچک طرف دیگر را تشکیل می‌دادند، بنابراین وقتی با هم ملاقات می‌کردند، قلاب به حلقه چسبید و یک پیوند قوی تشکیل داد. نیروی کافی قوی باعث جدا شدن آن می‌شد.
امروزه ولکرو در بسیاری از موارد، از لباس‌ها و کیف‌ها تا بانداژ‌های پزشکی و سازمان‌دهنده‌های کابل استفاده می‌شود. نه تنها این، ناسا نیز از ولکرو در محیط‌های بی‌وزنی استفاده می‌کرد تا برای بستن چیزها استفاده کند.
با الهام از طراحی ساده و کارآمد پراکندگی دانه‌ها، ولکرو اکنون یک مورد رایج است که همه جا از آن استفاده می‌کنیم. این محصول جایگزینی برای دکمه‌ها و زیپ‌ها ارائه می‌دهد که با مزایای سهولت در استفاده، قابلیت استفاده مجدد و کارایی به همراه دارد.
تپه‌های موریانه
تپه‌های موریانه یک طراحی هوشمند هستند که توسط موریانه‌ها ساخته شده‌اند تا پناهگاه و تنظیم محیط زندگی را برای کلنی موریانه‌ها فراهم کنند.
این تپه‌ها از خاک، چوب جویده شده، گل و بزاق ایجاد شده‌اند و دارای ساختار تهویه مرکزی مانند تهویه متصل به تونل‌ها و اتاقک‌های زیرزمینی هستند. ساختار تهویه مرکزی به حفظ یک محیط بهینه در مناطق زیرزمینی کمک می‌کند.
هوای گرم از طریق ساختار مرکزی بلند می‌شود، اجازه می‌دهد هوای خنک‌تر از پایین وارد شود. این اطمینان می‌دهد که محیط داخل تپه‌ها همچنان حفظ می‌شود، هریانساً با محیط بیرونی متفاوت باشد. همچنین طراحی تهویه و تبادل گاز را تسهیل می‌کند.
این ساختارها می‌توانند تا ۳۰ فوت (یا ۹ متر) بلند باشند و دهه‌ها طول بکشند، به نمایش گذاشتن دوام آنها.
با الهام از تپه‌های موریانه، معماران در حال طراحی ساختمان‌هایی هستند که این ساختار را تقلید می‌کنند. بهترین نمونه از این نوع مرکز Eastgate در زیمبابوه است.
میک پیرس مرکز Eastgate را برای حفظ یک محیط کنترل شده برای ساکنان در یک آب و هوای گرمستان و کاهش مصرف انرژی برای خنک کردن طراحی کرد.
سطوح خودتمیز هستند
نیلوفر یکی از زیباترین گل‌ها در طبیعت است.
اگرچه در آب‌های گل‌آلود رشد می‌کند، نیلوفر همیشه تمیز باقی می‌ماند به دلیل آبگریزی بالا بر روی برگ‌هایش. برآمدگی‌های کوچک با لایه‌ای از واکس بر روی سطح برگ نیلوفر پوشانده شده است، باعث می‌شود قطرات آب به همراه گرد و غبار و ذرات کثیف از سطح آن بغلتند.
ساختارهای نانوی روی سطح برگ (برآمدگی‌های کوچک) جلوی چسبندگی دراپلت‌ها به سطح برگ را کاهش می‌دهند.
این به عنوان اثر نیلوفر شناخته می‌شود، و این اصطلاح در سال ۱۹۷۷ توسط بارتلوت و اهلر ابداع شده که ویژگی‌های خودتمیز بودن برگ نیلوفر را توصیف کردند.
از آن زمان، دانشمندان پوشش‌های زیست‌تقلیدی الهام‌گرفته از برگ نیلوفر که خودتمیزکننده هستند، را بررسی کرده‌اند. شرکت آمریکایی Sto Corp. رنگی را با الهام از اثر نیلوفر ایجاد کرده که گل و کثیفی را دفع می‌کند .
علاوه بر رنگ‌ها، پارچه‌ها و پوشش‌های خودتمیز، مردم از این روش برای توسعه مواد برای جمع‌کننده‌های حرارتی خورشیدی، حسگرهای کنترل ترافیک و چادرها استفاده کرده‌اند.
قطارهای تندروی ژاپنی
کلیدها پرندگان بسیار چابک و سریعی هستند که به شکار خود می‌زنند. این عمل زدن، خصوصاً در نزدیکی آب، صدای بلندی ندارد تا طعمه‌شان را هشیار نکند.
طراحی منحصربه‌فرد منقار کلید این برتری را به آن می‌بخشد. منقاری باریک، بلند و تیز دارد که قطرش از نوک به سر می‌رسد.
این طراحی به توزیع نرمینی فشار ایجاد شده هنگام برخورد با آب کمک می‌کند و صدای ترکش را کاهش داده و به شناوری کارآمد، آرام و پایدار کمک می‌کند.
مهندسان ژاپنی که قطار تندروی شینکانسن را طراحی کرده بودند ابتدا با مشکل قطار ایجاد صدای بوم تونل مواجه شدند، به دلیل فشاری که در جلوی قطار ایجاد می‌شد.
برای رفع این مشکل، مهندسان به طراحی منقار کلید نظر انداختند. مهندسان جلوی قطار را مجدداً طراحی کردند تا با ترکیب منقار کلید همخوان شود و صداهای تونل را حذف کنند. علاوه بر این، طراحی اجازه می‌داد قطار ۱۰٪ سریع‌تر سفر کند و ۱۵٪ کمتر برق مصرف کند.
نوآوری‌های الهام‌گرفته‌شده از پوست کوسه
کوسه‌ها به دلیل سرعت و تسلط خود در زیرآب شناخته شده‌اند. بنابراین به هیچ تعجبی ندارد که دانشمندان سعی در بازتولید پوست کوسه برای برنامه‌های مختلف داشته باشند، از جمله لباس‌های شنا و پوشش‌های ضد باکتری.
پوست کوسه از ساختارهای دندانی کوچک معروف به دنیکت‌های پوستی ساخته شده است که در یک جهت صاف احساس می‌شوند و در سمت دیگر ناهموار. دنیکت‌های پوستی دو نقش را ایفا می‌کنند: به عنوان زره‌ای برای محافظت و برای بهبود حرکت آنها در آب.
عبارت دنکت‌های پوستی به معنای دندان‌های پوستی است و به عنوان یک ابزار قدرتمند برای کوسه‌ها به کار می‌رود. با قطع جریان آب به دلیل حاشیه‌های دندانی خاکی، دنیکت‌های پوستی مقاومت را که کوسه در حال حرکت در آب تجربه می‌کند، کاهش می‌دهند و به کوسه‌ها اجازه می‌دهند که به سرعت، کارآمد و آرام شنا کنند.
این ساختارها همچنین از لنگر زدن میکروارگانیسم‌ها به پوست کوسه جلوگیری می‌کنند. بخش‌های ناهموار کوچک سطح پوست جلو ورود هرگونه مهمان ناخواسته برای بهره‌برداری رایگان را می‌گیرد!
با الهام از این سطح یکتا، دانشمندان آن را برای لباس‌های شنا بازتولید کرده‌اند تا عملکرد را بهبود بخشند. این لباس‌های شنا در المپیک چنان موفق بودند که یکی از لباس‌های شنا اسپیدو به نام LZR Racer توسط فدراسیون شنا بین‌المللی ممنوع شد.
اگرچه برخی از محققان ادعا کرده‌اند که لباس‌های شنا الهام گرفته‌شده از پوست کوسه واقعاً مقاومتی را کاهش نمی‌دهند بلکه آن را افزایش می‌دهند. بدن کوسه نسبت به بدن انسان به مراتب انعطاف‌پذیرتر است و از طریق دنیکت‌های پوستی مقاومت را کاهش می‌دهد.
اگرچه محققان این لباس‌های شنا را با مشاهده پوست کوسه توسعه دادند، موفقیت آنها ممکن است نتیجه فرآیند آزمون و خطا باشد.
پوست کوسه همچنین برای توسعه فناوری‌های پزشکی مانند برگ‌های پلاستیکی که به دیوارهای بیمارستان چسبیده می‌شوند، مطالعه شده است. این از انتشار باکتری‌ها و دیگر میکروارگانیسم‌های خطرناک جلوگیری می‌کند زیرا آنها نمی‌توانند به دیوارها بچسبند.
ساختارهای شش‌ضلعی
همانطور که در مقدمه اشاره شد، ساختار شش‌ضلعی که توسط زنبورها استفاده می‌شود، یک شکل هندسی بسیار کارآمد است.
دلیلی که زنبورها شکل شش‌ضلعی را انتخاب می‌کنند همیشه یک کنجکاوی علمی بوده و تا زمان چارلز داروین برمی‌گردد، که حدس می‌زد این شکل برای اقتصادی کردن فرآیند تولید موم اقتباس شده است. شکل شش‌ضلعی به حداکثر رساندن فضا برای ذخیره‌سازی می‌پردازد در حالی که مواد کمتری استفاده می‌کند.
در سال ۱۹۹۹، ریاضیدان آمریکایی توماس هالز ثابت کرد که شش‌ضلعی کمترین ناحیه محیط را به حداکثر می‌برد و فضا را با استفاده از مواد کمتری بهینه می‌کند. این به عنوان فرضیه شش‌ضلعی شناخته می‌شود.
علاوه بر ذخیره‌سازی موم، سلول‌های شش‌ضلعی نیز لاروها را ذخیره و نگه می‌دارند، تا اطمینان حاصل شود که موم در محیط‌های گرم ذوب نمی‌شود.
با الهام از زنبورها، دانشمندان هندسه آن را در آینه‌های هواپیما، مواد ساختاری و تیغه‌های توربین بادی استفاده می‌کنند. طراحی بر کارایی منابع تمرکز دارد با کاهش وزن و هزینه‌های مواد.
به‌ویژه، آینه‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) از ۱۸ قطعه شش‌ضلعی که در یک الگوی شش‌ضلعی مرتب شده‌اند تشکیل شده‌اند. این هندسه ناحیه‌ای را برای دریافت نور حداکثر می‌کند در حالی که یکپارچگی ساختاری را حفظ کرده و وزن را به حداقل می‌رساند، که یک نیاز برای مأموریت‌های فضایی است.
نتیجه‌گیری
این‌ها مثالی از بیومیمتیک و چگونگی الهام‌گیری طبیعت برای طرح‌ها و نوآوری‌های کارآمد بودند. این لیست به هیچ وجه جامع نیست و نشان می‌دهد که چگونه طبیعت به طرح‌ها و فرآیندهای خود بهبود بخشیده است.
امروزه، تعداد زیادی سیستم‌ها و فرآیندهای طبیعی وجود دارد که دانشمندان به آنها نگاهی دارند و می‌تواند به بهبود فناوری‌های موجود کمک کند.
به عنوان مثال، محققان در پنسیلوانیا دیودهای نورانی (LED) ساخته‌اند که با ساختارهای الگوگیری‌شده از کرم‌های شعله‌ای می‌توانند به صرفه‌جویی بیشتر در انرژی منجر شوند.
مسیر تحقیقاتی دیگر ابریشم مصنوعی عنکبوت است که می‌تواند مقاومت و سبکی ابریشم تولید شده توسط عنکبوت‌ها را تقلید کند تا جلیقه‌های ضد گلوله یا اسکلتی عمومی برای تکه‌تکه‌سازی بافت‌ها ساخته شوند.
منابع بی‌پایانی برای انسان‌ها وجود دارد تا از طبیعت الهام بگیرند و طبیعت به تکامل و بهینه‌سازی سیستم‌های خود ادامه می‌دهد، که به بهبود دنیای طبیعی و همچنین الهام‌بخشی به نوآوری انسانی کمک می‌کند.
