Design tricks fra naturen

Flaggermus, alger, biller, skilpadder: kule design-tricks fra naturen
Evolutionsnyheter; 8. jan.2018
Oversatt herfra.

Bilde 1: Sea Turtle Hatchling, fra Living Waters , takket være Illustra Media.

Biomimetikk var en ‘hot trend’ i 2017, og viser ingen tegn til avkjøling ved inngangen til det nye året. Her er noen gode teknologier som har fanget oppmerksomheten vår nylig.

Bilde 2. Skisse av ekkolokalisering hos flaggermus

Flaggermus i verdensrommet
Kan ekkolokaliserende flaggermus se inni planeter og måner? Ikke direkte, men deres teknikk for å se i støyende omgivelser kan hjelpe mennesker å gjøre det. En artikkel i Nature Communications –her , “Løsning av tvetydighet i geofysisk radar-utforskning av planetariske legemer ved å etterligne flaggermus ekkolokalisering”, beskriver hva ingeniører ønsker å lære av flaggermus:
-Sounders er rombårne radarer som er mye benyttet for geofysisk utforskning av himmellegemer rundt omkring i solsystemet. De gir unik informasjon om undergrunns-strukturen og sammensetningen av planeter og deres måner. De oppkjøpte dataene blir ofte påvirket av uønskede artefakter, noe som hindrer datatolkingen som utføres av geofysikere. Flaggermus har en bemerkelsesverdig evne til å diskriminere mellom et byttedyr, for eksempel et raskt forflyttende insekt og uønsket rot (f.eks. Løvverk) ved effektivt å bruke sin bio-sonar …. Slående analogier forekommer mellom egenskapene til flaggermusens sonar og den til en radar-mottaker. Her foreslår vi en tilpasning av den unike støy- diskriminasjonsfunksjonen til flaggermusens radar ved å utvikle en ny rotasjonsdeteksjonsmodell. Den foreslåtte bio-inspirerte strategien viser sin effektivitet på Mars’ eksperimentelle data og baner vei for en ny generasjon mottakere som letter data-fortolkningen til planetariske forskere.

Så med unnskyldninger til Thomas Nagel svarer disse forskerne på hans filosofiske spørsmål “Hvordan er det å være en flaggermus” ved å imitere dem.
Vi hater å nevne dette, men passasjen nevner ovenfor var selv rotete til med støy som hindrer tolkningen. I utelatelsen … utelot vi ordene “[biosonar] perfeksjonert i millioner år med evolusjon.” Men sitatet mister ingenting fra utelatelsen. Hm, interessant.

Bilde 3. Skisse over alge-bakterie (cyano-bakterien)

Kommer snart: Alge TV?
Ingeniører ved Technical University of Munich forestille en fremtid for forbedrede “batterielektroder til ny skjerm- og skjermteknologi til applikasjoner i medisin, som erstatnings ben og vev.” For å få det håpet til å virke, eksperimenterer de med rødalger. Hvorfor? Alger er komponenter av biofilmer, som de ser som potensielle “byggearbeidere” for ønskelige materialer. (Forsiktig: mer evolusjonsstøy kommer.)
-Biofilmer er generelt sett som et problem som bør utryddes på grunn av farene de utgjør for mennesker og materialer. Imidlertid har disse samfunnene av alger, sopp eller bakterier besitter interessante egenskaper både vitenskapelig og teknisk. Et team fra Technical University of Munich (TUM) beskriver prosesser fra biologiområdet som benytter biofilmer som “byggearbeidere” for å skape strukturelle maler for nye materialer som besitter egenskapene til naturlige materialer. Tidligere var dette bare i begrenset grad mulig.

Hvorvidt det er tre, bein, perlemor eller tenner – over millioner av år har disse materialene blitt optimalisert via evolusjon i henhold til prinsippet om tilpasset stabilitet med lavest mulig vekt. Naturen har gitt tegningene til mange tekniske utviklinger. Eksempler er flyvinger, glidelåser og overflate fugemasse som bruker en lotus-effekt. Imidlertid kan omvendte ingeniør-replikater ikke reprodusere den strukturelle kompleksiteten til originalen i naturen.
Uten å bli legge vekt på om evolusjonen er en optimaliserer, fortsetter artikkelen å forklare hvorfor det er så utfordrende å etterligne naturlige materialer.

-Som grensesnitt mellom biologi og teknologi benytter bionikk metoder og systemer som finnes i naturen for å gi løsninger på tekniske problemer. Da det fortsatt var begrenset til å bruke naturlige former, for eksempel som maler for utvikling i utformingen av flyvinger eller skipsskrog, var problemene fortsatt håndterbare. Imitasjon av materialegenskapene til naturlige byggematerialer er imidlertid en helt annen historie. Dette skyldes at de finnes i de indre strukturer, hvor fibre er knyttet til hverandre over flere størrelsesordener og på tvers av ulike hierarkiske nivåer.
Ordet “bionikk” oppstod først i 1955 som en sammenheng med “biologi” og “elektronikk”, men som dette sitatet viser, er det ikke begrenset til elektronikk. Eksperimentene med biofilmer i denne historien kan likevel føre til fremskritt i elektroniske enheter, så vel som i materialvitenskap.

Bilde 4. Fossil av rødalger

Røde alger reagerer på lys ved å bevege seg mot det, slippe litt sukkermolekyler langs veien. Teknikerne jobbet på måter å styre algene i strukturelle arrangementer. “Ved å projisere lysmønstre som forandrer seg over tid til algens voksende medium, bruker forskerne dem til å lage lange, fine polymertråder som fungerer som tilpassede maler for fremstilling av funksjonell keramikk.” Det er et første skritt i å bygge materialer som kan fungere på flere designnivåer.
En annen type flagell
Tenk på cassidine billen – se bildet. Den har et gjennomtrengende organ for paring, kalt flagellum (vi lar det være med det). Det som fascinert et tysk lag som publiserte i Science Advances –her, var hvordan dette lange, myke “intro-mittente organet” kan nå sitt mål uten å knuse eller knuses. Det er bare ett eksempel på en klasse av langstrakte organer i insekter som gjør alle slags ting:

Bilde 5. Flagell i bevegelse

-Hyperlange strukturer og deres gjennomtrengning er utbredt blant insekter, for eksempel intromittente organer, ovipositorer og piercing-sugende munnstykker. Inntrengningen av tynne strukturer med høyt forhold uten bulking og revning er mekanisk svært utfordrende. Dette problemet er imidlertid økonomisk løst i naturen, og løsningene kan være til hjelp for eksempel ved utvikling av ufarlige katetre. Vi fokuserer på gjennomtrengingsprosessen av en hyper-lengde struktur av et cassidinbille-intromittent organ, betegnet et flagellum. Vi brukte en trepunkts bøyingstest for flagellum for å måle bøyestivheten langs hele flagellumet. Vi viste bøyings-stivhetsgradienten, hvor den basale halvdelen er relativt stiv og apikal-halvdelen er mykere, hvis god ytelse under kopuleringen tidligere var numerisk demonstrert. Stivhetsgradienten er resultatet av flagellumformen, som er sylindrisk og konisk mot spissen. Videre omfatter den buede spissen en hardere ytre kurve og en mykere indre kurve …. Vår undersøkelse viser at den tilsynelatende enkle flagellum-penetrasjonen oppnås med mange utførlige mekaniske tilpasninger.

For å forstå bille flagellen (flere størrelsesordener større enn bakterielle flagellen), tok de av en serie elektronmikrografier. Det er et av mange eksempler på gjennomtrengende organer i naturen, inkludert hos pattedyr, som trenger å utføre sin funksjon uten bulking (vi lar det gå igjen, selv om de får litt grafikk i denne åpent tilgjengelige artikkelen for nysgjerrige) . Denne foreløpige studien kan imidlertid love lettelse for medisinske pasienter som ønsker å kunne bruke katetre med mindre smerte.

-Denne artikkelen konkluderer med at de eksperimentelle og teoretiske arbeidene med biomekanikk ved innføring av langstrakte strukturer nettopp har begynt , og vi forventer mer sammenlignende data i nær fremtid. Dette vil være avgjørende for videre forståelse av dette fascinerende biomekaniske systemet som er svært viktig, ikke bare for evolusjonær biologi, men også for fremtidig utvikling av medisinske enheter.

Bilde 6. Havskilpadde unge -mot havet

Skilpadder på tredemølle
Dette siste vitenskapsprosjektet er ikke et skildpadde-mot-hare-eksperiment, men tar i betraktning en søt episode i Illustra Medias film Living Waters –her : løpet til havskildpadder fra rede til hav. National Geographic postet et bilde av forskere ved Florida Atlantic University eksperimenterer med havskildpadde-unger på tredemølle.

I dette tilfellet var de mer interessert i bevaring enn biomimetikk. De ønsket å se hvor mye utholdenhet skilpaddene har når de blir distrahert av byens lys. Lys-forurensning kan få babyene til å drifte ut av kurs, og bruke lenger tid utsatt for rovdyr. Når de endelig når havet, er de utmattet? Har de fortsatt styrke til å svømme i kilometervis? Hvor tøffe er de? Det overraskende svaret var: “De er motstandsdyktige. De hadde fortsatt muligheten til å svømme.”

Bilde 7. Basseng-robot (ville denne kunne bevege seg i sand?)

Tidligere studier har vist at ungene har en bemerkelsesverdig effektiv metode for å bevege seg over sandstranden. For noen år siden var Georgia Tech så inspirert av deres fremdrift at de prøvde å etterligne den med “FlipperBot” her – en enhet som etterligner handlingen. Denne informasjonen “kunne gi robotdesignere ledetråder til å legge til rette for design og kontroll-teknikker for roboter som beveger seg i disse miljøene,” sa de. Utrolig nok, fungerer flipper på havskilpadder like godt på sand og i vannet. Prøv å bygge en robot som kan gjøre det!

 

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund