Η βιομιμητική και επιστημονικές ανακαλύψεις που υπόσχονται απίθανες τεχνολογικές εφευρέσεις

Είναι γεγονός πως ό,τι κάνει ο άνθρωπος, είτε αντλεί έμπνευση από τη φύση είτε προσπαθεί να την ξεπεράσει.

Εδώ θα μιλήσουμε για την πρακτική όπου τεχνητά προϊόντα προκύπτουν από φυσιολογικές βιολογικές διαδικασίες, μια τεχνική που ονομάζεται βιομιμητική.

Είναι μια διαδικασία μεταφοράς προτύπων από το βιολογικό στο μηχανικό ανάλογο, με πραγματικά ανεξάντλητες εφαρμογές σε πάρα πολλούς κλάδους επιστήμης και τεχνολογίας.

Καλύτερα το έχει πει η Janine Benyus, που έκανε τον όρο δημοφιλή το 1997 με το ομώνυμο βιβλίο της «Biomimicry»: «Η βιομιμητική», γράφει, «είναι βασικά το να πάρεις μια σχεδιαστική πρόκληση και να βρεις μετά ένα οικοσύστημα που έχει ήδη λύσει αυτή την πρόκληση και να προσπαθήσεις κυριολεκτικά να μιμηθείς αυτά που έμαθες».

Αυτό έκανε εξάλλου και ο Λεονάρντο ντα Βίντσι, μελετούσε τα πουλιά για να κατασκευάσει τις πτητικές μηχανές του. Αντιγράφοντας απλώς μια καλή ιδέα της φύσης, μια ιδέα που θα έβρισκε εφαρμογή σε μια νέα τεχνολογία.

Η βιομίμηση είναι μια επιστημονική καινοτομία εμπνευσμένη από τη φύση. Με αυτόν τον τρόπο φτιάξαμε τα σόναρ, μελετώντας τη χρήση υπερήχων από τις νυχτερίδες προκειμένου να προσδιορίσουν εμπόδια και τροφή.

Αλλά και την πλοήγηση με την πυξίδα την πήραμε από το μαγνητικό ένστικτο των αποδημητικών πουλιών. Το ίδιο κάναμε και με τους αισθητήρες υπερύθρων, τους δανειστήκαμε από τους αισθητήρες θερμότητας που χρησιμοποιούν οι κροταλίες για να εντοπίσουν το θήραμά τους.

Όσο οι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν τι ακριβώς συμβαίνει στον έμβιο κόσμο με τη χρήση απλών πειραματικών διατάξεων ή προσομοιώσεων, μηχανικοί και εφευρέτες τεντώνουν τα αυτιά τους.

Αυτοί θα εφαρμόσουν τις λύσεις της Μητέρας Φύσης σε νέες τεχνολογίες. Και για το 2020, αυτές ήταν οι ανακαλύψεις που τράβηξαν περισσότερο το ενδιαφέρον τους…

Τα πτερύγια των ψαριών είναι τόσο ευαίσθητα όσο τα ακροδάχτυλα

Τα ψάρια δεν έχουν τα πτερύγια μόνο για μανούβρες και κολύμπι, όπως ανακάλυψε ο νευροεπιστήμονας του Πανεπιστημίου του Σικάγο, Adam Hardy, στο εργαστήριό του.

Αυτός και η ομάδα του βρήκαν πως τα πτερύγια είναι τόσο ευαίσθητα όσο και τα ακροδάχτυλα των πρωτευόντων.

Για να καθορίσουν πόσο ευαίσθητα είναι στην πραγματικότητα, οι ερευνητές έκαναν ευθανασία στα ψάρια, εγχέοντας ωστόσο ένα αλατούχο διάλυμα που κρατούσε τα νεύρα τους πλήρως λειτουργικά κατά τη διάρκεια του πειράματος.

Και μετά κατέγραψαν με τη βοήθεια απεικονιστικών τεχνικών τα μοτίβα των ηλεκτρικών παλμών που απέδιδαν τα νεύρα όταν διεγείρονταν τα πτερύγια. Οι μετρήσεις τους έδειξαν πως τα πτερύγια των ψαριών προσλαμβάνουν «πραγματικά μικρές λεπτομέρειες», όπως δήλωσε η Melina Hale, νευροεπιστήμονας και μέλος της ομάδας, στο Science News.

Η μελέτη τους χαιρετίστηκε από πολλούς, καθώς μια τέτοια γνώση μπορεί να επιστρατευτεί στην αισθητηριακή τεχνολογία των ρομπότ, ένα από τα μεγάλα στοιχήματα της ανθρωπότητας για τον αιώνα που διανύουμε.

Ο εξωσκελετός του σκαθαριού που είναι πρακτικά άφθαρτος

Διαβολικό τεθωρακισμένο σκαθάρι ονομάζουν κοινώς το Nosoderma diabolicum, ένα έντομο που δικαιώνει πλήρως το όνομά του. Την ώρα που τα περισσότερα σκαθάρια έχουν κύκλο ζωής που δεν ξεπερνά μερικές εβδομάδες, αυτό ζει 8 χρόνια. Σαν να ζει ένας άνθρωπος μερικές χιλιετίες δηλαδή.

Και για να συμβεί αυτό, έχει αναπτύξει μερικές αξιοσημείωτες εξελικτικές στρατηγικές, όπως η θωράκισή του. Μιλάμε για ένα μικροσκοπικό σκαθάρι που μπορεί να επιβιώσει ακόμα και αν το πατήσει αυτοκίνητο.

Αν αυτό μοιάζει απίστευτο, το έκανε ο ακαδημαϊκός μηχανικός David Kisailus του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια. Έβαλε όλη την ερευνητική του ομάδα σε ένα σεντάν και πέρασαν πάνω από ένα. Δύο φορές. Και επέζησε.

Έπειτα από μια μακρά σειρά τέτοιων πειραμάτων, η ερευνητική ομάδα κατέληξε πως το διαβολικό σκαθάρι μπορεί να αντέξει αδιανόητη πίεση, ακόμα και 39.000 φορές το βάρος του σώματός του. Είναι ο εξωσκελετός του αυτός που τα κάνει όλα, διαθέτει στρώματα πλούσια σε πρωτεΐνες που μπορούν να κινούνται ανεξάρτητα χωρίς να επιβαρύνουν την όλη κατασκευή.

Ειδική μνεία κάνουν οι ερευνητές στον τρόπο που προστατεύει ο εξωσκελετός τα πιο ευαίσθητα κομμάτια των αρθρώσεων. Αυτή η παρατήρηση έχει ήδη επιστρατευτεί ερευνητικά από σχεδιαστές αεροπλάνων, καθώς ο τρόπος του σκαθαριού μπορεί να αντικαταστήσει τον τρόπο που ασφαλίζονται οι τουρμπίνες του αεροσκάφους.

Πρακτικές εφαρμογές βρίσκει η ανακάλυψη σε κάθε σχεδιασμό που πρέπει να δεθούν μαζί δύο διαφορετικά υλικά, όπως αυτοκίνητα, κτίρια και γέφυρες…

Η κατάμαυρη χρωστική των πλασμάτων της Αβύσσου εξηγήθηκε

Όταν η βιολόγος του Εθνικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας των ΗΠΑ, Karen Osborn, έπιασε στα δίχτυα της ένα ψάρι της Αβύσσου, θέλησε να το βγάλει μια φωτογραφία. Όσο κι αν προσπαθούσαν όμως αυτή και η ομάδα της, οι λεπτομέρειες του κατάμαυρου ψαριού δεν μπορούσαν να απαθανατιστούν.

Δεν είχε κανένα πρόβλημα η μηχανή τους, ήταν απλώς πως ο ιστός του δέρματός του απορροφούσε το 99,5% του φωτός από το φλας της φωτογραφικής.

Τα 16 πλάσματα της Αβύσσου που περιλαμβάνονται στη μελέτη τους έχουν πράγματι το πιο μαύρο μαύρο που έχει καταγραφεί ποτέ. Κάπου 20 φορές πιο μαύρο από τα μαύρα αντικείμενα της φύσης.

Αυτή η κατάμαυρη χρωστική επιτρέπει στα πλάσματα της Αβύσσου να εξαφανίζονται μέσα στο πυκνό σκοτάδι του περιβάλλοντός τους.

Έτσι προστατεύονται ακόμα και από τους θηρευτές που επιστρατεύουν τη βιοφωταύγεια για να βρίσκουν τη λεία τους στις ακραίες συνθήκες έλλειψης φωτός της Αβύσσου.

Η ομάδα βρήκε πως τα 16 είδη το πετυχαίνουν αυτό με τεράστια σε μέγεθος και πολύ πυκνά μεταξύ τους μελανοσώματα, τα οργανίδια των ζώων που περιέχουν μελανίνη ώστε να απορροφούν το φως.

Η βιομιμητική έχει εδώ μια πολύ καλή πάσα. Το μόνο που πρέπει να κάνει είναι να μιμηθεί το σχήμα, τη δομή και τη διασπορά των κατάμαυρων αυτών μελανοσωμάτων ώστε να αποδώσει τεχνητές χρωστικές που να απορροφούν το αστρονομικό 99,5% του φωτός.

Τέτοιες επιστρώσεις είναι απαραίτητες στα εσωτερικά των τηλεσκοπίων, αλλά και στα ηλιακά πάνελ. Ακόμα και στρατιωτικές χρήσεις μπορεί να έχει. Μια θωράκιση με μελανίνη στο εξωτερικό ενός οχήματος θα είναι ιδιαιτέρως βοηθητική για stealth νυχτερινές επιχειρήσεις…

Ο σκόρος με τον ακουστικό μανδύα που μπλοκάρει το σόναρ της νυχτερίδας

Το να είσαι έντομο και να προσπαθείς να κρυφτείς από θηρευτές που «βλέπουν» με ηχοεντοπισμό μόνο εύκολο δεν είναι, κάποια ωστόσο από τα φτερωτά αυτά θηράματα έχουν εξελιχτεί με αδιανόητους τρόπους.

Δεν είναι μόνο ότι το δέρμα τους «μαλακώνει» τον ήχο των νυχτερίδων. Δύο είδη σκόρου διαθέτουν ειδικές φολίδες σαν πιρούνια στα φτερά τους που απορροφούν τους ήχους από το σόναρ της νυχτερίδας.

Αυτό ανακάλυψαν έκπληκτοι οι ερευνητές μέσα στη χρονιά. Δεκάδες χιλιάδες τέτοιες μικροσκοπικές φολίδες έχουν τα φτερά τους, οι οποίες συλλαμβάνουν τους ήχους, εξασθενούν την ακουστική τους ενέργεια και τους αντανακλούν πίσω στη νυχτερίδα.

Κάθε ομάδα φολίδων ανταποκρίνεται μάλιστα σε διαφορετική συχνότητα, την ίδια ώρα που όλες μαζί μπορούν να «απορροφήσουν τουλάχιστον 3 οκτάβες ήχου», όπως λέει ο επικεφαλής της μελέτης Marc Holderied.

Ακαδημαϊκοί μηχανικοί έχουν εκτιμήσει ήδη πως η ηχομόνωση των σκόρων μπορεί να αποδώσει υλικά ακόμα και 10 φορές πιο αποδοτικά σε όρους απορρόφησης θορύβων. Αντί να εγκαθιστούμε χοντροκομμένα πάνελ σε σπίτια και γραφεία, οραματίζονται ήδη λεπτεπίλεπτες ταπετσαρίες με επιστρώσεις νανοϋλικών σαν τις φολίδες του σκόρου.

Οι πρακτικές συνέπειες είναι ανεξάντλητες, απλώνονται από την αρχιτεκτονική και τις μηχανές μέχρι και τις μεταφορές…

Η προστατευτική επίστρωση στη θωράκιση των μυρμηγκιών

Όταν ο εξελικτικός βιολόγος Hongjie Li ανακάλυψε πως τα μυρμήγκια φυλλοκόπτες που μελετούσε είχαν ένα λεπτό στρώμα από ορυκτά στη θωράκιση του σώματός του, φώναξε στους συναδέλφους του: «Βρήκα μυρμήγκια βράχους».

Για να εξετάσει καλύτερα τον εξωσκελετό, έπρεπε να αφαιρέσει τη λεπτή επίστρωση. Πώς όμως; Το βρήκε όταν έπλενε τα δόντια του. Το στοματικό διάλυμα αφαιρεί τα υπολείμματα των τροφών από τα δόντια χωρίς να καταστρέφει τίποτα στο στόμα.

Η σκέψη του ήταν σωστή, το στοματικό διάλυμα διέλυσε την προστατευτική επίστρωση χωρίς να βλάψει τον εξωσκελετό.

Μερικά εργαστηριακά πειράματα αργότερα, ο Li και η ομάδα του καθόρισαν πως αυτή η επίστρωση ορυκτών αποτελούνταν από ασβεστίτη και υψηλές συγκεντρώσεις μαγνησίου.

Γιατί αυτή ήταν τόσο σπουδαία ανακάλυψη σε όρους βιομιμητικής;

«Η ενσωμάτωση μαγνησίου και ασβεστίτη μπορεί να είναι ιδιαιτέρως ευεργετική για κάθε νανοτεχνολογία που περιλαμβάνει τη χρήση ασβεστίτη, όπως στα πλαστικά, τις κόλλες, το κονίαμα κατασκευών και την οδοντιατρική», εξηγούν οι ερευνητές.

Ακόμα καλύτερα, η επίστρωση των ορυκτών δεν είναι κάτι με το οποίο γεννιούνται τα μυρμήγκια, αλλά κάτι που αναπτύσσουν στιγμιαία όταν το χρειαστούν.

«Είναι απίστευτο ότι τα μυρμήγκια μας μπορούν να βελτιώσουν καθοριστικά την προστασία τους σχηματίζοντας γρήγορα έναν λεπτό και ελαφρύ μανδύα από νανοκρυστάλλους. Αυτό πιστοποιεί την πιθανή εφαρμογή τέτοιων επιστρώσεων νανοϋλικών στη βελτίωση των θωρακίσεων»…