© ROOT-NATION.com - Bài viết này đã được dịch tự động bởi AI. Chúng tôi xin lỗi vì bất kỳ sự không chính xác nào. Để đọc bài viết gốc, hãy chọn English trong trình chuyển đổi ngôn ngữ ở trên.
Thiên nhiên đã có 3.8 tỷ năm tiến hóa để hoàn thiện các quá trình sinh tồn – từ thiết kế cánh chim đến phương pháp thụ phấn cho hoa. Ngược lại, con người chỉ tồn tại trong một phần nhỏ vòng đời của Trái đất nhưng chúng ta không ngừng tìm kiếm nguồn cảm hứng từ thiên nhiên. Trong suốt thời gian này, thiên nhiên đã cung cấp một loại kế hoạch chi tiết để nhân loại noi theo.
Thiên nhiên hoàn hảo ở tính độc đáo, hiệu quả, bảo tồn tài nguyên và tự duy trì. Các thiết kế và quy trình mà nó phát triển đã được thử nghiệm qua hàng triệu năm, chứng minh tính hiệu quả của chúng trong các môi trường khác nhau.
Ví dụ, cấu trúc hình lục giác được ong sử dụng để xây tổ. Độ bền và độ ổn định cao của hình học khiến nó trở nên lý tưởng cho loài ong, đồng thời sử dụng hiệu quả lượng vật liệu tối thiểu. Ngày nay, con người áp dụng cấu trúc này trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ máy bay, tàu vũ trụ cho đến xây dựng và đóng gói. Phỏng sinh học đề cập đến việc nghiên cứu và bắt chước các thiết kế và quy trình tự nhiên để sử dụng thực tế. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá một số thiết kế và quy trình mà thiên nhiên ban tặng cũng như cách chúng được điều chỉnh để tạo ra các công trình nhân tạo bền vững hơn.
Máy bay
Ví dụ nổi tiếng nhất và lâu đời nhất về mô phỏng sinh học là máy bay. Người ta tin rằng chuyến bay của chim bồ câu đã truyền cảm hứng cho anh em nhà Wright chế tạo chiếc máy bay đầu tiên mà họ phóng vào năm 1903. Từ hình dạng của con chim và cách hoạt động của đôi cánh cho đến cách con chim lướt trong không trung, tất cả những yếu tố này đều phục vụ như bản thiết kế của máy bay hiện đại. Những đặc điểm này được nghiên cứu cẩn thận và các nhà khoa học cố gắng tái tạo chúng.
Các nhà thiết kế máy bay định hình đôi cánh mô phỏng bề mặt cong của cánh chim, tạo ra sự chênh lệch áp suất không khí bên trên và bên dưới cánh để tạo ra lực nâng. Các bánh lái ở đuôi máy bay mô phỏng lông đuôi chim để mang lại sự cân bằng và điều khiển hướng. Bằng cách áp dụng các nguyên tắc thiết kế tự nhiên, các nhà khoa học đã tạo ra một cỗ máy nặng hơn không khí có thể di chuyển trên bầu trời. Ngoài máy bay thương mại, đội hình hình chữ V của các loài chim như ngỗng cũng đã được nghiên cứu.
Đội hình hình chữ V giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách thu giữ luồng khí bay lên từ con chim phía trước, giảm lượng năng lượng cần thiết cho con chim phía sau để bay trên không. Các phi đội quân sự áp dụng nguyên tắc này để tối đa hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.
Đọc cũng: 8 công nghệ quân sự hàng đầu của tương lai cần chú ý ngay hôm nay
Velcro
Kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral đã phát minh ra Velcro vào năm 1941 sau khi đi dạo trong rừng trở về và nhận thấy những vệt từ cây ngưu bàng dính vào quần áo và lông con chó của ông. Khi kiểm tra chúng dưới kính hiển vi, de Mestral thấy rằng hạt của chúng có những móc nhỏ khiến chúng bám vào quần áo và lông thú.
Lấy cảm hứng từ thiết kế móc, de Mestral đã tạo ra Velcro—một hệ thống gồm hai phần. Một bên có những chiếc móc nhỏ, trong khi bên kia có những vòng nhỏ. Khi hai bên được ép vào nhau, các móc sẽ bám vào các vòng, tạo thành một liên kết bền chặt. Tuy nhiên, kết nối được thiết kế đủ chắc chắn để giữ nhưng đủ dễ tách ra với một lực vừa đủ.
Ngày nay, Velcro được sử dụng trong nhiều loại mặt hàng, từ quần áo, túi xách cho đến băng y tế và dây cáp. Trong thực tế, NASA cũng sử dụng Velcro để cố định các vật thể trong điều kiện không trọng lực. Lấy cảm hứng từ thiết kế phân tán hạt đơn giản nhưng hiệu quả, Velcro đã trở thành một yếu tố phổ biến trong cuộc sống hàng ngày. Nó đóng vai trò thay thế cho các nút và khóa kéo, mang lại những ưu điểm như dễ sử dụng, tái sử dụng và hiệu quả.
Đọc cũng: Những chuyến tàu chở khách trong tương lai sẽ trông như thế nào
Mối
Các ụ mối là một cấu trúc đáng chú ý được tạo ra bởi mối để cung cấp nơi trú ẩn và điều hòa môi trường sống cho đàn mối của chúng. Được làm từ đất, gỗ nhai, bụi bẩn và nước bọt, những ụ đất này có cấu trúc thông gió trung tâm giống như khói nối với các đường hầm và căn phòng dưới lòng đất. Thiết kế này giúp duy trì môi trường tối ưu trong các khu vực dưới lòng đất.
Không khí nóng bốc lên qua cấu trúc trung tâm, cho phép không khí mát hơn đi vào qua các khe hở phía dưới. Điều này đảm bảo rằng môi trường bên trong các gò đất được duy trì, bất kể điều kiện bên ngoài. Thiết kế này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thông gió và trao đổi khí. Những cấu trúc này có thể đạt chiều cao lên tới 9 mét và tồn tại trong nhiều thập kỷ, cho thấy độ bền của chúng.
Lấy cảm hứng từ những ụ mối, các kiến trúc sư đã thiết kế những tòa nhà mô phỏng cấu trúc này. Một trong những ví dụ nổi tiếng nhất là Trung tâm Eastgate ở Zimbabwe. Được thiết kế bởi Mike Pearce, Trung tâm Eastgate nhằm mục đích duy trì khí hậu được kiểm soát cho người cư ngụ ở vùng có khí hậu nóng đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng để làm mát.
Đọc cũng: Tại sao tiền điện tử lại tăng sau chiến thắng của Trump: Giải thích
Tự làm sạch bề mặt
Mặc dù tồn tại trong vùng nước đục nhưng hoa sen vẫn sạch nhờ tính chất siêu kỵ nước của lá. Những vết sưng nhỏ phủ đầy sáp bao phủ bề mặt lá sen, khiến những giọt nước lăn ra, mang theo bụi bẩn và mảnh vụn. Các cấu trúc nano trên bề mặt của lá (những vết sưng nhỏ này) làm giảm độ bám dính của các giọt nước, cho phép chúng hút các hạt bụi. Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng hoa sen”, thuật ngữ được Barthlott và Ehler đưa ra lần đầu tiên vào năm 1977, những người đã mô tả đặc tính tự làm sạch của lá sen.
Kể từ đó, các nhà khoa học đã khám phá các lớp phủ lấy cảm hứng từ lá sen có khả năng tự làm sạch. Công ty Mỹ Sto Corp. đã phát triển một loại sơn lấy cảm hứng từ hiệu ứng hoa sen, có tác dụng đẩy lùi bụi bẩn.
Ngoài sơn, vải và lớp phủ tự làm sạch, phương pháp này còn được sử dụng để phát triển vật liệu cho bộ thu nhiệt mặt trời, cảm biến điều khiển giao thông và mái hiên.
Đọc cũng: Máy bay chở khách trong tương lai sẽ trông như thế nào
Tàu cao tốc Nhật Bản
Chim bói cá là loài chim cực kỳ nhanh nhẹn và nhanh nhẹn, lao vào con mồi để bắt nó. Chúng tiếp cận một cách lặng lẽ, đặc biệt là gần các vùng nước, để tránh làm giật mình con mồi. Thiết kế độc đáo của mỏ chim bói cá mang lại cho nó lợi thế này. Nó có mỏ hẹp, dài và nhọn, với đường kính tăng dần từ đầu đến gốc. Thiết kế này giúp phân phối áp lực được tạo ra khi chạm mặt nước, giảm tiếng ồn bắn tung tóe và đảm bảo quá trình lặn hiệu quả, yên tĩnh và ổn định.
Các kỹ sư Nhật Bản phát triển tàu cao tốc Shinkansen ban đầu phải đối mặt với vấn đề tiếng nổ lớn trong đường hầm do áp suất khí quyển tạo ra ở phía trước tàu.
Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư đã tìm đến thiết kế mỏ của chim bói cá. Họ đã thiết kế lại phần đầu tàu để mô phỏng hình dạng của mỏ, loại bỏ sự bùng nổ của đường hầm. Thiết kế này còn cho phép tàu di chuyển nhanh hơn 10% và tiêu thụ ít điện hơn 15%.
Đọc cũng: Europa Clipper: Mọi điều bạn cần biết trước khi phóng tàu vũ trụ lớn nhất
Những đổi mới lấy cảm hứng từ da cá mập
Cá mập được biết đến với tốc độ và kỹ năng bơi lội dưới nước. Không có gì ngạc nhiên khi các nhà khoa học đã cố gắng tái tạo da cá mập cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm làm đồ bơi và lớp phủ kháng khuẩn. Da cá mập được tạo thành từ các cấu trúc nhỏ giống như răng được gọi là răng dưới da, có cảm giác mịn màng theo một hướng và có răng cưa ở hướng còn lại. Những răng giả này có hai chức năng: chúng hoạt động như áo giáp bảo vệ và tăng cường khả năng di chuyển trong nước.
Thuật ngữ da răng đã được chứng minh là một công cụ mạnh mẽ cho cá mập. Bằng cách làm gián đoạn dòng nước bằng các cạnh răng cưa của chúng, các răng ở da làm giảm lực cản của cá mập khi di chuyển trong nước, cho phép nó bơi nhanh chóng, hiệu quả và yên tĩnh. Những cấu trúc này còn ngăn chặn vi sinh vật bám vào da cá mập. Những đường gờ nhỏ dọc theo bề mặt da ngăn cản những người đi nhờ xe không mong muốn được đi xe miễn phí.
Lấy cảm hứng từ bề mặt độc đáo này, các nhà khoa học đã sao chép nó cho đồ bơi để tăng cường hiệu suất của chúng. Những bộ đồ bơi này đã thành công đến mức một trong số chúng, Speedo LZR Racer, đã bị Liên đoàn bơi lội quốc tế cấm.
Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu cho rằng đồ bơi lấy cảm hứng từ da cá mập thực sự làm tăng lực cản hơn là giảm lực cản. Cơ thể cá mập linh hoạt hơn nhiều so với con người, đó là lý do tại sao các răng ở da giúp giảm sức đề kháng. Mặc dù đồ bơi được phát triển bằng cách quan sát da cá mập, nhưng thành công của chúng có thể là sản phẩm phụ của quá trình thử và sai chứ không phải là sự sao chép trực tiếp các lợi thế thủy động lực học của cá mập.
Da cá mập cũng được nghiên cứu để phát triển công nghệ y tế, chẳng hạn như tấm nhựa dán lên tường bệnh viện. Những tấm này giúp ngăn ngừa sự lây lan của vi khuẩn và các vi sinh vật có hại khác vì chúng không thể bám vào tường.
Đọc cũng: Mã hóa đầu cuối: Nó là gì và hoạt động như thế nào
Cấu trúc tổ ong
Như đã đề cập trong phần giới thiệu, cấu trúc tổ ong được ong sử dụng là một dạng hình học có hiệu quả cao. Lý do ong chọn hình lục giác đã là chủ đề được giới khoa học quan tâm kể từ thời Charles Darwin, người đưa ra giả thuyết rằng hình dạng này được điều chỉnh để tối ưu hóa quá trình sản xuất sáp. Hình thức này tối đa hóa không gian lưu trữ có sẵn trong khi sử dụng ít lượng sáp nhất.
Năm 1999, nhà toán học người Mỹ Thomas Hales đã chứng minh rằng hình lục giác giảm thiểu diện tích chu vi và tối đa hóa không gian trong khi sử dụng ít vật liệu nhất. Điều này được gọi là “phỏng đoán tổ ong”. Ngoài việc lưu trữ sáp, các tế bào hình lục giác còn bảo vệ và giữ ấu trùng, đảm bảo sáp không bị tan chảy ở vùng có khí hậu nóng.
Lấy cảm hứng từ loài ong, các nhà khoa học áp dụng hình học vào gương máy bay, vật liệu xây dựng và cánh tua bin gió. Thiết kế tập trung vào hiệu quả sử dụng tài nguyên, giảm trọng lượng và chi phí vật liệu.
Cụ thể, các gương của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) gồm có 18 đoạn lục giác được sắp xếp theo mô hình tổ ong. Hình học này tối đa hóa diện tích bề mặt để thu ánh sáng trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc và giảm thiểu trọng lượng, điều này rất quan trọng đối với các sứ mệnh không gian.
Đây chỉ là một vài ví dụ về mô phỏng sinh học và cách thiên nhiên truyền cảm hứng cho các thiết kế và đổi mới hiệu quả. Danh sách này hoàn toàn không đầy đủ và chỉ đề cập đến những cải tiến mà bản chất đã thực hiện trong các cấu trúc và quy trình của nó. Ngày nay, có nhiều hệ thống và quy trình tự nhiên mà các nhà khoa học đang nghiên cứu để nâng cao các công nghệ hiện có.
Thiên nhiên tiếp tục phát triển và tối ưu hóa các hệ thống của mình, không chỉ mang lại lợi ích cho thế giới tự nhiên mà còn truyền cảm hứng cho con người tạo ra những đổi mới mà từ đó họ có thể lấy cảm hứng.
Nếu bạn quan tâm đến các bài viết và tin tức về công nghệ hàng không và vũ trụ, chúng tôi mời bạn tham gia dự án mới của chúng tôi AERONAUT.media.
Đọc cũng:
- 6 tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (ICBM) có thể hủy diệt thế giới
- Cách chọn xe đạp: Hướng dẫn cho người mới bắt đầu và
