بررسی چند اختراع الهام گرفته شده از طبیعت
طبیعت ۳.۸ میلیارد سال تکامل یافته تا طرحها و راهکارهای خود برای بقا، از شکل بال پرندگان گرفته تا نحوه گردهافشانی گیاهان را اصلاح و کامل کند.
طبیعت ۳.۸ میلیارد سال تکامل یافته تا طرحها و راهکارهای خود برای بقا، از شکل بال پرندگان گرفته تا نحوه گردهافشانی گیاهان را اصلاح و کامل کند. در مقابل، انسانها تنها در بخش کمی از تاریخ زمین حضور داشتهاند، اما همیشه از طبیعت برای الهام گرفتن استفاده کردهاند. از توسعه اولین هواپیما در سال ۱۹۰۳ گرفته تا اختراع چسب پارچهای در سال ۱۹۴۱، همگی نشان میدهند طبیعت نوعی طرح اولیه در اختیار ما گذاشته است تا از آن استفاده کنیم. جهان طبیعی همچنین کارآمد، منبعمحور و خودکفاست. راهکارهای بقا که در آن ایجاد شدهاند، طی میلیونها سال آزمایش شده و در محیطهای مختلف به اثبات رسیدهاند.
برای مثال، ساختار لانهزنبوری توسط زنبورها برای ساخت کندوها استفاده میشود. استحکام و پایداری بالای این طراحی هندسی، آن را به انتخاب مناسبی برای زنبورها تبدیل کرده است و در حین ساخت آن، مواد کمی استفاده خواهد شد. امروزه، انسانها از این ساختار در شرایط مختلفی، از تولید هواپیماها و فضاپیماها گرفته تا ساختوساز و بستهبندی استفاده میکنند. علم زیستتقلید (Biomimicry) به معنای یادگیری و تقلید از طرحها و فرایندهای طبیعت برای استفاده انسانی است. در این مقاله، میخواهیم شما را با ۷ مورد از مهمترین اختراعات بشر آشنا کنیم که از طبیعت الهام گرفته شدهاند.
۷- ساختارهای لانهزنبوری
ساختار لانهزنبوری یک فرم هندسی بسیار کارآمد است. دلیل انتخاب این شکل شش ضلعی توسط زنبورها از زمان چارلز داروین، یک معمای علمی بوده است. براساس فرضیه او، این ساختار برای استفاده کمتر از مواد در طول فرایند ساخت موم عسل به کار رفته است. طراحی لانهزنبوری علاوهبر به حداکثر رساندن فضای ذخیرهسازی، نیاز به موم بسیار کمی دارد. در سال ۱۹۹۹، ریاضیدان آمریکایی، توماس هیلز (Thomas Hales) ثابت کرد که ششضلعی، کمترین مساحت را دارد و با استفاده از حداقل مواد، فضای زیادی را ارائه میدهد. این قضیه به عنوان حدس لانهزنبوری شناخته میشود.
حفرههای ششضلعی علاوهبر ذخیره موم، لاروها را نیز در خود جای داده و از آنها محافظت میکنند. بدین ترتیب، موم عسل در هوای گرم ذوب نخواهد شد. دانشمندان با الهام گرفتن از زنبورها، این ساختار هندسی را در آینههای هواپیما، مصالح ساختمانی و پرههای توربین بادی به کار بردهاند، زیرا با کاهش وزن و هزینه مواد مورد نیاز، بر مصرف کمتر منابع تمرکز دارد. مهمتر از همه، آینههای تلسکوپ فضایی جیمز وب هستند که از ۱۸ بخش ششضلعی تشکیل شدهاند و از چیدمان لانهزنبوری برخوردارند. این طراحی فضای بیشتری برای جذب نور فراهم میکند و در عین حال، یکپارچگی ساختاری را حفظ کرده و وزن را به حداقل میرساند که ویژگی مهمی برای ماموریتهای فضایی است.
۶- نوآوریهای الهامگرفتهشده از پوست کوسه
کوسهها بهخاطر سرعت و مهارت شنای خود در زیر آب معروف هستند. بنابراین، تعجبی ندارد که دانشمندان سعی کردهاند پوست آنها را برای کاربردهای مختلف مانند تولید لباس شنا و پوشش ضدباکتری شبیهسازی کنند. پوست کوسه دارای اجزای دندانهمانند کوچکی به نام دندانههای پوستی (Dermal Denticles) است که در یک جهت صاف و در جهت دیگر ناهموار هستند. نقش این دندانهها محافظت از بدن کوسهها و بهبود حرکت آنها در آب است. این اجزاء مانند دندانهایی روی پوست این جانوران هستند که ابزار قدرتمندی نیز محسوب میشوند. آنها به دلیل لبههای ناهموار خود اختلال در جریان آب ایجاد میکنند.
این کار موجب میشود نیروی مقاومت یا کششی که کوسه هنگام حرکت با آن مواجه است، کاهش یابد و این شکارچی بیرحم سریع، راحت و بیصدا شنا کند. دندانههای پوستی همچنین مانع از چسبیدن جانداران بسیار ریز و مسافران ناخواسته به پوست کوسهها میشوند. دانشمندان از این پوشش خاص برای بهبود عملکرد لباسهای شنا الهام گرفتهاند. این لباسها در المپیک آنقدر خوب بودند که یکی از مایوهای برند اسپیدو به نام LZR Racer توسط فدراسیون بینالمللی شنا ممنوع شد. با این وجود، برخی از محققان ادعا کردهاند که لباسهای شنای الهامگرفتهشده از پوست کوسه نه تنها موجب کاهش مقاومت آب نمیشوند، بلکه آن را افزایش نیز میدهند.
بدن کوسه بسیار انعطافپذیرتر از انسان است، به همین دلیل دندانههای پوستی میتوانند نیروی مذکور را برای این ماهی کاهش دهند. اگرچه محققان این لباسهای شنا را با بررسی پوست کوسه تولید کردهاند، اما عملکرد خوب آنها ممکن است نتیجه فرایند آزمون و خطا باشد. پوست این شکارچی بزرگ همچنین برای توسعه فناوریهای پزشکی مانند ورقهای پلاستیکی که به دیوارهای بیمارستان میچسبند مورد بررسی قرار گرفته است. این نوع ورقها به دلیل ممانعت از چسبیدن باکتریها و سایر میکروارگانیسمهای خطرناک به دیوار، از انتشار آنها جلوگیری میکنند.
۵- قطارهای سریعالسیر ژاپنی
ماهیخورکها پرندگانی بسیار چابک و سریع هستند که برای شکار طعمه بهطور ناگهانی به سوی آن حمله میکنند. این حرکت به خصوص در اطراف آب، صدای بلندی ندارد که موجب مطلع شدن طعمه شود. ظاهر منحصربهفرد منقار ماهیخورک این مزیت را به آن میدهد. درواقع، منقار آن باریک، بلند و نوکتیز است که ضخامت آن از نوک به سمت سر پرنده افزایش مییابد. چنین منقاری باعث میشود فشار ایجادشده هنگام برخورد با آب بهطور یکنخواخت توزیع شود، صدای پاشش آب کاهش یابد و پرنده شیرجهای کارآمد، بیصدا و پایدار داشته باشد.
مهندسان ژاپنی که قطار تندرو شینکانسن (Shinkansen) را طراحی کردند، ابتدا با مشکل شنیدن شدن صدایی بلند هنگام حرکت قطار در تونل مواجه شدند که به دلیل فشار جوی در جلوی آن ایجاد میشد. برای حل این مشکل، مهندسان به شکل منقار ماهیخورک نگاه کردند. آنها جلوی قطار را دوباره طراحی کردند تا شبیه نوک این پرنده باشد و صدای اشارهشده از بین برود. افزونبر این، این طراحی به قطار اجازه داد تا ۱۰ درصد سریعتر حرکت کرده و ۱۵ درصد برق کمتری مصرف کند.
۴- سطوح خود تمیزشونده
نیلوفر آبی یکی از زیباترین گلهای طبیعت است. اگرچه این گل در آبهای گلآلود رشد میکند، اما به دلیل خاصیت آبگریزی، برگهایش همیشه تمیز میمانند. برآمدگیهای ریز پوشیده از موم، سطح برگ نیلوفر آبی را پوشانده و موجب میشوند قطرات آب به همراه خاک و آلودگیها از روی آن غلب بخورند. نانوساختارها یا همان برجستگیهای ریز روی برگ باعث میشوند قطرات آب ذرات گردوغبار را به خود جذب کنند و چسبندگی قطره به سطح برگ کاهش یابد. این پدیده به عنوان اثر نیلوفر آبی (lotus effect) شناخته میشود؛ اصطلاحی که در سال ۱۹۷۷ توسط بارتلات و اهلر ابداع شد.
آنها همچنین توضیحاتی درباره خواص خود تمیزشوندگی برگ نیلوفر آبی نیز ارائه کردند. از آن زمان، دانشمندان پوششهای الهامگرفتهشده از برگ این گل را که خاصیت خودپاکشوندگی دارند، مورد بررسی قرار دادهاند. شرکت آمریکایی Sto Crop رنگی با الهام از اثر نیلوفر آبی تولید کرده است که گِل و آلودگی را دفع میکند. علاوهبر رنگها، پارچهها و پوششهای خود تمیزشونده، انسانها از این روش برای توسعه مواد مورد استفاده در کالکتورهای حرارتی خورشیدی، سنسورهای کنترل ترافیک و سایبانها نیز استفاده کردهاند.
۳- ساختمانهایی با تهویه هوشمند هوا
تپههای موریانهای دارای طراحی مبتکرانهای هستند که توسط موریانهها برای ایجاد سرپناه و فراهم کردن شرایط زیستی برای کلونیشان ساخته شدهاند. این تپهها که از خاک، چوب جویدهشده، گل و بزاق تشکیل شدهاند، یک قسمت مرکزی، شبیه به دودکش دارند که به تونلهای زیرزمینی متصل میشود. این بخش به حفظ شرایط مطلوب در مناطق زیرزمینی موریانهها کمک میکند. هوای گرم از طریق قسمت مرکزی تپه بالا میرود و هوای خنک از ورودیهای پایینتر وارد میشود. این فرایند تضمین میکند که شرایط داخل لانهها حتی با وجود تغییرات محیطی خارجی، بدون تغییر باقی میماند.
طراحی تپههای مذکور همچنین به تهویه و تبادل گازها نیز کمک میکند. این سازهها میتوانند تا ۹ متر (۳۰ فوت) ارتفاع داشته باشند و برای دههها دوام بیاورند که این موضوع نشاندهنده استحکام آنها است. معماران با الهام از تپههای موریانهای در حال طراحی ساختمانهایی بلند هستند. برای مثال، معماری به نام میک پیرس (Mick Pearce) مرکز ایستگِیت در زیمباوه را برای حفظ شرایط هوایی کنترلشده برای ساکنان آن در آبوهوای گرم و کاهش مصرف انرژی برای سرمایش طراحی کرد.
۲- چسب پارچهای
مهندس سوئیسی، جورج د مسترال (George de Mestral) در سال ۱۹۴۱ چسب پارچهای (ولکرو) را اختراع کرد. در حقیقت، او هنگام بازگشت از پیادهروی در جنگل متوجه شد خارهای گیاه باباآدم (Buredock) به لباسهای او و موهای سگش چسبیدهاند. مسترال پس از بررسی با میکروسکوپ، فهمید که خارها قلابهای کوچکی روی دانههایشان دارند که موجب میشوند به لباسها و موهای حیوانات بچسبند. او با الهام گرفتن از طراحی این قلابها، چسب ولکرو را با ساختار دو قسمتی اختراع کرد. یک طرف چسب از قلابهای ریز و طرف دیگر از ساختارهای ریز حلقهای تشکیل شده بود.
بدین ترتیب، زمانی که دو طرف به یکدیگر نزدیک میشدند، قلابها به حلقهها گیر کرده و پیوند محکمی را تشکیل میدادند. همچنین نیرویی کافی میتوانست آنها را به راحتی جدا کند. امروزه، چسب پارچهای در چیزهای مختلفی از لباس و کیف گرفته تا باندهای پزشکی و مرتبکنندههای کابل استفاده میشود. افزونبر این، ناسا از این چسب برای ثابت نگه داشتن اشیاء در محیطهای بدون جاذبه استفاده میکند. مسترال با الهام گرفتن از طراحی ساده و کارآمد پراکندگی دانهها، توانست چسبی را اختراع کند که اکنون به محصولی پراستفاده در همهجا تبدیل شده است. این چسب جایگزینی برای دکمهها و زیپها محسوب میشود و از مزایای آن میتوان به کاربرد آسان، قابلیت استفاده مجدد و مفید بودن اشاره کرد.
۱- هواپیماها
طرح لئوناردو داوینچی از یک ماشین پرنده
شناختهشدهترین و قدیمیترین اختراع الهامگرفتهشده از طبیعت، هواپیما است. ظاهرا پرواز کبوترها الهامبخش نوآوری برادران رایت بوده است که در سال ۱۹۰۳ توانست از زمین بلند شود. از شکل این پرندگان و نحوه عملکرد بالهایشان گرفته تا شیوه پرواز آنها در هوا، همه و همه طرحهایی اولیه برای هواپیماهای مدرن هستند. این ویژگیها با دقت مورد بررسی قرار گرفتهاند و دانشمندان تلاش میکنند تا آنها را بازآفرینی کنند. طراحان بالهای هواپیما را با الهام از سطح منحنی بال پرندگان طراحی میکنند، بهطوری که با ایجاد اختلاف فشار هوا در بالا و پایین بال، نیروی بالابری تولید شود.
سکانهای تغییردهنده جهت در انتهای هواپیما نیز از پرهای دم پرندگان الهام گرفته شدهاند تا امکان برقراری تعادل و هدایت آن را فراهم کنند. دانشمندان با استفاده از طراحیهای طبیعت، وسیلهای سنگینتر از هوا ساختهاند که میتواند در آسمان پرواز کند. علاوهبر هواپیماهای مسافربری، پرواز V شکل پرندگانی مانند غازها نیز مورد بررسی انسانها قرار گرفتهاند. این نوع پرواز با استفاده از جریان هوای رو به بالای پرنده جلویی، به صرف کمتر انرژی کمک میکند و در نتیجه، پرنده پشتی به انرژی کمتری برای ماندن در هوا نیاز خواهد داشت. گروههای هوایی نظامی نیز از این اصل برای به حداکثر رساندن بهرهوری انرژی استفاده میکنند.
جمعبندی
اختراعات نامبرده در این مقاله، نمونههایی از نوآوریهای مبتنیبر علم زیستتقلید هستند و نشان میدهند طبیعت چگونه میتواند الهامبخش طراحیها و ابتکارات کاربردی ما باشد. البته این لیست به هیچوجه کامل نیست و تنها به برخی از پیشرفتهایی که عالم طبیعی در طرحها و سازوکارهای خود ایجاد کرده است، اشاره دارد. امروزه، دانشمندان به دنبال ساختارها و فرایندهای طبیعی زیادی هستند که میتوانند فناوریهای موجود را بهبود بخشند. به عنوان مثال، محققان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا تعدادی دیود ساطعکننده نور (LED) را با ساختاری مشابه بدن کرم شبتاب توسعه دادهاند.
این ساختار به الایدیها اجازه میدهد انرژی کمتری مصرف کنند. یکی دیگر از نوآوریهای تحقیقاتی، تارهای مصنوعی عنکبوت است که میتواند استحکام و وزن کمی مشابه تارهای واقعی داشته باشد. شایان ذکر است که امروزه، تار عنکبوتها برای ساخت جلیقههای ضدگلوله و ایجاد داربستهای بافتی استفاده میشود. منابع بیشماری برای الهام گرفتن انسان وجود دارد، زیرا طبیعت همچنان در حال تکامل و بهینهسازی ساختارهای خود است. این امر نه تنها به جهان طبیعی کمک میکند، بلکه الهامبخش نوآوریهای انسانی نیز خواهد بود.
منبع:دیجینوی
