Thiên nhiên đã có 3,8 tỷ năm tiến hóa để hoàn thiện các quá trình sinh tồn - mọi thứ từ cấu tạo cánh chim cho đến cách hoa thụ phấn. Ngược lại, con người chỉ tồn tại trong một phần nhỏ vòng đời của Trái đất nhưng lại tìm đến thiên nhiên để tìm cảm hứng. Lúc nào thiên nhiên cũng cung cấp cho con người một loại kế hoạch để con người có thể làm việc theo đó.
Theo dõi kênh của chúng tôi để biết tin tức mới nhất Google News trực tuyến hoặc thông qua ứng dụng.
Thiên nhiên hoàn hảo ở sự độc đáo, hiệu quả, tiết kiệm tài nguyên và tự cung tự cấp. Các thiết kế và quy trình được phát triển đã được thử nghiệm qua hàng triệu năm và đã được chứng minh là có hiệu quả trong nhiều môi trường khác nhau.
Ví dụ, cấu trúc tổ ong 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. Và đồng thời, nó sử dụng hiệu quả tối thiểu vật liệu. Ngày nay, người ta sử 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 có nghĩa là con người nghiên cứu và bắt chước các cấu trúc và quy trình tự nhiên để sử dụng. Hôm nay chúng ta sẽ xem xét 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.
Phi cơ
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 tạo ra chiếc máy bay mà họ đã 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, đây đều là những bản thiết kế dành cho máy bay hiện đại. Những đặc điểm này được nghiên cứu kỹ lưỡng và các nhà khoa học đang cố gắng tái tạo chúng.
Các nhà thiết kế tạo hình cánh máy bay 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 lực nâng. Các bánh lái ở đuôi máy bay mô phỏng lông đuôi của một con chim để mang lại sự cân bằng và điều khiển hướng. Sử dụng 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, hình chữ V của các loài chim như ngỗng cũng đã được nghiên cứu.
Đường chữ V giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách giữ lại luồng khí bay lên của con chim phía trước và do đó làm giảm lượng năng lượng mà con chim phía sau cần để bay trên không. Các phi đội quân sự sử dụng nguyên tắc này để đạt hiệu quả năng lượng tối đa.
Cũng thú vị: TOP-8 công nghệ quân sự của tương lai cần được chú ý ngay hôm nay
Lipučka
Kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral đã phát minh ra Velcro vào năm 1941 khi ông trở về sau khi đi dạo trong rừng và tìm thấy những gờ từ cây ngưu bàng dính vào quần áo và lông con chó của ông. Kiểm tra chúng dưới kính hiển vi, Mestral nhận thấy những gờ này có những móc nhỏ trên hạt. Điều này dẫn đến việc chúng bám vào quần áo và lông thú.
Lấy cảm hứng từ thiết kế móc, Mestral đã tạo ra Velcro, một hệ thống gồm hai phần. Những chiếc móc nhỏ xíu tạo thành một bên của khóa dán, và những vòng nhỏ tạo thành bên kia, vì vậy khi chúng được nối với nhau, chiếc móc sẽ bám vào vòng khóa, tạo thành một liên kết bền chặt. Nhưng như vậy sẽ có một nỗ lực đủ mạnh để phá vỡ nó.
Ngày nay, Velcro được sử dụng trong nhiều thứ, từ quần áo, túi xách đến băng y tế và dây cáp. Không chỉ vậy, NASA cũng sử dụng khóa dán để buộc chặt mọi thứ trong tình trạng không trọng lượng. Lấy cảm hứng từ thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả của máy rải hạt, Velcro giờ đây đã trở thành vật dụng quen thuộc được chúng ta sử dụng ở mọi nơi. Nó là một sự thay thế cho các nút và khóa kéo, với ưu điểm là dễ sử dụng, có thể tái sử dụng và hiệu quả.
Cũng thú vị: Tàu chở khách trong tương lai sẽ như thế nào?
Mối
Các ụ mối là những cấu trúc khéo léo được tạo ra bởi mối để cung cấp nơi trú ẩn và điều hòa môi trường sống cho đàn mối. Được làm từ đất, gỗ nhai, đất và nước bọt, những ụ đất này có cấu trúc thông gió giống như khói ở trung tâm nối với các đường hầm và căn phòng dưới lòng đất. Cấu trúc này giúp duy trì môi trường tối ưu ở các khu vực dưới lòng đất.
Không khí nóng bốc lên qua cấu trúc trung tâm, đưa không khí mát vào từ các khe hở phía dưới. Điều này đảm bảo rằng môi trường bên trong các gò đất được duy trì bất chấp môi trường 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 cao tới 9 m và tồn tại hàng chục năm, chứng tỏ độ bền của chúng.
Lấy cảm hứng từ những ụ mối, các kiến trúc sư thiết kế những tòa nhà bắt chước cấu trúc này. Ví dụ nổi tiếng nhất là Trung tâm Eastgate ở Zimbabwe. Mick Pearce đã thiết kế Trung tâm Eastgate để duy trì khí hậu được kiểm soát cho cư dân ở vùng có khí hậu nóng và giảm mức sử dụng năng lượng để làm mát.
Cũng thú vị: Cạnh của hệ mặt trời của chúng ta trông như thế nào?
Bề mặt tự làm sạch
Mặc dù phát triển mạnh trong nước bùn nhưng sen luôn giữ được sự sạch sẽ 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 cùng với bụi bẩn, mảnh vụn. Các cấu trúc nano trên bề mặt của lá (những vết sưng nhỏ đó) khiến các giọt nước cuốn theo các hạt bụi, làm giảm độ bám dính của giọt nước với bề mặt lá. Hiện tượng này được gọi là "hiệu ứng hoa sen", và thuật ngữ này được đề xuất vào năm 1977 bởi Bartlott và Eller, người đã mô tả đặc tính tự làm sạch của lá sen.
Kể từ đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu lớp phủ lấy cảm hứng từ lá sen tự làm sạch. Công ty Mỹ Sto Corp. đã tạo ra 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, người ta cũng đang sử dụng phương pháp này để phát triển vật liệu cho bộ thu nhiệt mặt trời, cảm biến điều khiển giao thông và mái hiên.
Cũng thú vị: 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, chúng lao xuống con mồi để tóm lấy. Chúng sà xuống, đặc biệt là gần các vùng nước, không ồn ào lắm để không làm con mồi sợ hãi. Thiết kế độc đáo của mỏ chim bói cá mang lại cho nó lợi thế này. Nó có mỏ hẹp, dài và nhọn, đường kính tăng dần từ đầu đến đầu. Thiết kế này cho phép bạn phân phối trơn tru áp lực được tạo ra khi chạm mặt nước, giảm âm thanh nước bắn tung tóe và đảm bảo quá trình lặn hiệu quả, yên tĩnh và ổn định.
Các kỹ sư Nhật Bản thiết kế tàu cao tốc Shinkansen ban đầu phải đối mặt với vấn đề tàu tạo ra tiếng ầm ầm 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 chuyển sự chú ý sang thiết kế mỏ của chim bói cá. Các kỹ sư đã thiết kế lại phần đầu tàu để mô phỏng mỏ chim bói cá, loại bỏ tiếng ồn của đường hầm. Ngoài ra, thiết kế này còn cho phép tàu di chuyển nhanh hơn 10% và tiêu thụ ít điện năng hơn 15%.
Cũng thú vị: Europa Clipper: mọi thứ 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. Do đó, không có gì đáng ngạc nhiên khi các nhà khoa học đã cố gắng tái tạo da cá mập cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả đồ bơi và lớp phủ kháng khuẩn. Da cá mập bao gồm các cấu trúc nhỏ giống như răng gọi là răng giả, chúng mịn khi chạm vào theo một hướng và lởm chởm ở hướng khác. Răng giả có hai vai trò: chúng đóng vai trò như áo giáp bảo vệ và cải thiện khả năng di chuyển trong nước.
Thuật ngữ răng giả được dịch là "răng da" và hóa ra lại là một công cụ đắc lực của cá mập. Bằng cách làm gián đoạn dòng nước bằng các cạnh có răng cưa, các răng ở da làm giảm lực cản mà cá mập gặp phải 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 quá giang không mong muốn giành được một chuyến đi miễn phí.
Lấy cảm hứng từ bề mặt độc đáo này, các nhà khoa học đã tái tạo nó cho đồ bơi để cải thiện hiệu suất của chúng. Những bộ đồ bơi này thành công tại Thế vận hội đến nỗi một trong những bộ đồ bơi của Speedo có tên là LZR Racer đã bị Liên đoàn bơi lội quốc tế cấm.
Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu cho rằng đồ bơi bằng da cá mập không thực sự làm giảm sức đề kháng mà còn làm tăng sức đề kháng. Cơ thể cá mập linh hoạt hơn nhiều so với con người, đó là lý do tại sao các răng cưa ở da làm giảm lực cản. Mặc dù các nhà nghiên cứu đã phát triển những bộ đồ bơi này bằng cách quan sát da cá mập, nhưng thành công của họ có thể là sản phẩm phụ của quá trình thử và sai.
Da cá mập cũng được nghiên cứu để phát triển công nghệ y tế, chẳng hạn như tấm nhựa dán trên tường bệnh viện. Điều này ngăn chặn sự lây lan của vi khuẩn và các vi sinh vật nguy hiểm khác vì chúng không thể bám vào tường.
Cũng thú vị: Công nghệ mới - làm thế nào để chúng giúp việc đi lại dễ dàng hơn?
Cấu trúc tế bào
Như đã đề cập trong phần giới thiệu, cấu trúc tế bào được ong sử dụng là một dạng hình học rất hiệu quả. Lý do tại sao ong chọn hình lục giác nói riêng đã là sự tò mò khoa học kể từ thời Charles Darwin, người đã đưa ra giả thuyết rằng hình dạng này được điều chỉnh để tiết kiệm quá trình sản xuất sáp. Hình dạng 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, sử dụng tối thiểu vật liệu. Điều này được gọi là "giả thuyết tổ ong". Ngoài việc lưu trữ sáp, các tế bào hình lục giác còn lưu trữ và giữ ấu trùng, đảm bảo sáp không bị tan chảy ở vùng khí hậu nóng.
Lấy cảm hứng từ loài ong, các nhà khoa học sử dụng hình học trong gương máy bay, vật liệu xây dựng và cánh tuabin gió. Thiết kế tập trung vào hiệu quả tài nguyên, giảm trọng lượng và chi phí vật liệu.
Đặc biệt, các gương của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) gồm có 18 đoạn lục giác được sắp xếp theo dạng tổ ong. Hình dạng này tối đa hóa diện tích để thu ánh sáng trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc và giảm thiểu trọng lượng, điều cần thiết cho các sứ mệnh không gian.
Đây là một số ví dụ về mô phỏng sinh học và cách thiên nhiên truyền cảm hứng cho những thiết kế và đổi mới hiệu quả. Danh sách này hoàn toàn không đầy đủ và chỉ đề cập đến những cải tiến mà thiên nhiên đã thực hiện trong thiết kế và quy trình của nó. Ngày nay, có nhiều hệ thống và quy trình tự nhiên được các nhà khoa học chú ý nhằm cải tiến các công nghệ hiện có.
Thiên nhiên tiếp tục phát triển và tối ưu hóa các hệ thống của mình, không chỉ giúp ích cho thế giới tự nhiên mà còn truyền cảm hứng cho con người đổi mới từ đó 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 thêm:
- 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