اختراعات مستوحاة من الطبيعة

علم المحاكاة الحيوية هو الآن في مرحلة مبكرة من التطور. المحاكاة الحيوية هو البحث عن أفكار مختلفة من الطبيعة واستعارةها واستخدامها لحل المشكلات التي تواجه البشرية. الأصالة ، والغرابة ، والدقة التي لا تشوبها شائبة ، والاقتصاد في الموارد ، حيث تحل الطبيعة مشاكلها ، ببساطة لا يسعها إلا أن تفرح وتسبب الرغبة في نسخ هذه العمليات والمواد والهياكل المذهلة إلى حد ما. تمت صياغة مصطلح المحاكاة الحيوية في عام 1958 من قبل العالم الأمريكي جاك إي ستيل. ودخلت كلمة "الكترونيات" إلى الاستخدام العام في السبعينيات من القرن الماضي ، عندما ظهر المسلسل "The Six Million Dollar Man" و "The Biotic Woman" على شاشة التلفزيون. يحذر تيم ماكجي من أنه لا ينبغي الخلط بين القياسات الحيوية والنمذجة المستوحاة من علم الأحياء لأنه ، على عكس المحاكاة الحيوية ، لا تؤكد النمذجة المستوحاة من الأحياء على الاستخدام الاقتصادي للموارد. فيما يلي أمثلة على إنجازات المحاكاة الحيوية ، حيث تكون هذه الاختلافات أكثر وضوحًا. عند إنشاء المواد الطبية الحيوية البوليمرية ، تم استخدام مبدأ تشغيل قشرة هولوثوريان (خيار البحر). يتمتع خيار البحر بميزة فريدة - يمكنه تغيير صلابة الكولاجين الذي يشكل الغلاف الخارجي لجسمه. عندما يشعر خيار البحر بالخطر ، فإنه يزيد بشكل متكرر من صلابة جلده ، كما لو تمزقه القشرة. على العكس من ذلك ، إذا احتاج إلى الضغط في فجوة ضيقة ، فيمكنه أن يضعف بين عناصر بشرته بحيث يتحول عمليا إلى هلام سائل. تمكنت مجموعة من العلماء من Case Western Reserve من إنشاء مادة تعتمد على ألياف السليلوز ذات الخصائص المماثلة: في وجود الماء ، تصبح هذه المادة بلاستيكية ، وعندما تتبخر ، تتصلب مرة أخرى. يعتقد العلماء أن هذه المواد هي الأنسب لإنتاج الأقطاب الكهربائية داخل الدماغ ، والتي تستخدم ، على وجه الخصوص ، في مرض باركنسون. عندما تُزرع في الدماغ ، فإن الأقطاب الكهربائية المصنوعة من هذه المواد ستصبح بلاستيكية ولن تتلف أنسجة المخ. أنشأت شركة التغليف الأمريكية Ecovative Design مجموعة من المواد المتجددة والقابلة للتحلل البيولوجي التي يمكن استخدامها للعزل الحراري والتعبئة والأثاث وحالات الكمبيوتر. حتى أن McGee لديها بالفعل لعبة مصنوعة من هذه المادة. لإنتاج هذه المواد ، يتم استخدام قشور الأرز والحنطة السوداء والقطن ، حيث يزرع فطر Pleurotus ostreatus (فطر المحار). يتم وضع خليط يحتوي على خلايا فطر المحار وبيروكسيد الهيدروجين في قوالب خاصة ويُحفظ في الظلام حتى يتصلب المنتج تحت تأثير فطريات الفطر. ثم يتم تجفيف المنتج لوقف نمو الفطريات ومنع الحساسية أثناء استخدام المنتج. ابتكرت أنجيلا بيلشر وفريقها بطارية جديدة تستخدم فيروس عاثية M13 معدل. إنه قادر على الالتصاق بمواد غير عضوية مثل الذهب وأكسيد الكوبالت. نتيجة للتجميع الذاتي للفيروس ، يمكن الحصول على أسلاك نانوية طويلة. تمكنت مجموعة Bletcher من تجميع العديد من هذه الأسلاك النانوية ، مما أدى إلى تكوين أساس لبطارية قوية جدًا ومضغوطة للغاية. في عام 2009 ، أظهر العلماء إمكانية استخدام فيروس معدل وراثيًا لإنشاء القطب الموجب والكاثود لبطارية ليثيوم أيون. طورت أستراليا أحدث نظام لمعالجة مياه الصرف الصحي Biolytix. يمكن لنظام الفلتر هذا تحويل مياه الصرف الصحي ومخلفات الطعام بسرعة كبيرة إلى مياه ذات جودة عالية يمكن استخدامها للري. في نظام Biolytix ، تقوم الديدان وكائنات التربة بكل العمل. يقلل استخدام نظام Biolytix من استهلاك الطاقة بنسبة 90٪ تقريبًا ويعمل بكفاءة أعلى بنحو 10 مرات من أنظمة التنظيف التقليدية. يعتقد المهندس المعماري الأسترالي الشاب توماس هيرزيغ أن هناك فرصًا هائلة للهندسة المعمارية القابلة للنفخ. في رأيه ، تعتبر الهياكل القابلة للنفخ أكثر كفاءة من الهياكل التقليدية ، بسبب خفتها وقلة استهلاكها للمواد. يكمن السبب في حقيقة أن قوة الشد تعمل فقط على الغشاء المرن ، بينما تتعارض قوة الضغط بواسطة هواء متوسط ​​مرن آخر ، موجود في كل مكان وخالي تمامًا. بفضل هذا التأثير ، كانت الطبيعة تستخدم هياكل مماثلة لملايين السنين: كل كائن حي يتكون من خلايا. تعتمد فكرة تجميع الهياكل المعمارية من وحدات الخلايا الهوائية المصنوعة من PVC على مبادئ بناء الهياكل الخلوية البيولوجية. الخلايا ، الحاصلة على براءة اختراع من قبل Thomas Herzog ، منخفضة التكلفة للغاية وتسمح لك بإنشاء عدد غير محدود تقريبًا من التوليفات. في هذه الحالة ، لن يؤدي الضرر الذي يلحق بواحد أو حتى عدة خلايا رئوية إلى تدمير الهيكل بأكمله. يحاكي مبدأ التشغيل الذي تستخدمه شركة Calera إلى حد كبير إنشاء الأسمنت الطبيعي ، والذي تستخدمه الشعاب المرجانية خلال حياتها لاستخراج الكالسيوم والمغنيسيوم من مياه البحر من أجل تصنيع الكربونات في درجات الحرارة والضغط الطبيعي. وعند إنشاء أسمنت كاليرا ، يتم أولاً تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الكربونيك ، ومن ثم يتم الحصول على الكربونات منه. يقول ماكجي إنه بهذه الطريقة ، لإنتاج طن واحد من الأسمنت ، من الضروري إصلاح نفس الكمية تقريبًا من ثاني أكسيد الكربون. يؤدي إنتاج الأسمنت بالطريقة التقليدية إلى تلوث بثاني أكسيد الكربون ، لكن هذه التكنولوجيا الثورية ، على العكس من ذلك ، تأخذ ثاني أكسيد الكربون من البيئة. ابتكرت شركة Novomer الأمريكية ، التي تقوم بتطوير مواد تركيبية جديدة صديقة للبيئة ، تقنية لإنتاج البلاستيك ، حيث يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون كمواد خام رئيسية. يؤكد McGee على قيمة هذه التقنية ، حيث أن إطلاق غازات الدفيئة والغازات السامة الأخرى في الغلاف الجوي هو أحد المشاكل الرئيسية في العالم الحديث. في تكنولوجيا البلاستيك في Novomer ، يمكن أن تحتوي البوليمرات الجديدة والبلاستيك على ما يصل إلى 50٪ من ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون ، ويتطلب إنتاج هذه المواد طاقة أقل بشكل ملحوظ. سيساعد هذا الإنتاج على تقييد كمية كبيرة من غازات الدفيئة ، وتصبح هذه المواد نفسها قابلة للتحلل. بمجرد أن تلمس الحشرة ورقة محاصرة نبات فينوس صائدة الذباب آكلة اللحوم ، يبدأ شكل الورقة على الفور في التغيير ، وتجد الحشرة نفسها في فخ الموت. تمكن ألفريد كروسبي وزملاؤه من جامعة أمهيرست (ماساتشوستس) من صنع مادة بوليمر قادرة على التفاعل بطريقة مماثلة لأدنى تغيرات في الضغط أو درجة الحرارة أو تحت تأثير التيار الكهربائي. سطح هذه المادة مغطى بعدسات مجهرية مملوءة بالهواء يمكنها تغيير انحناءها بسرعة كبيرة (تصبح محدبة أو مقعرة) مع تغيرات في الضغط أو درجة الحرارة أو تحت تأثير التيار. يتراوح حجم هذه العدسات الدقيقة من 50 ميكرومتر إلى 500 ميكرومتر. كلما كانت العدسات نفسها أصغر والمسافة بينها ، زادت سرعة تفاعل المادة مع التغيرات الخارجية. يقول ماكجي إن ما يجعل هذه المادة مميزة هو أنها تنشأ عند تقاطع تقنية النانو الدقيقة. بلح البحر ، مثله مثل العديد من الرخويات ذات الصدفتين الأخرى ، قادرة على الالتصاق بقوة بمجموعة متنوعة من الأسطح بمساعدة خيوط بروتين خاصة شديدة التحمل - ما يسمى بيسوس. الطبقة الواقية الخارجية للغدة القيصرية متعددة الاستخدامات ومتينة للغاية وفي نفس الوقت مادة مرنة بشكل لا يصدق. أجرى أستاذ الكيمياء العضوية هربرت وايت من جامعة كاليفورنيا أبحاثًا عن بلح البحر لفترة طويلة جدًا ، وتمكن من إعادة تكوين مادة تشبه هيكلها إلى حد بعيد المادة التي ينتجها بلح البحر. يقول ماكجي إن هربرت وايت قد فتح مجالًا جديدًا بالكامل من الأبحاث ، وأن عمله ساعد بالفعل مجموعة أخرى من العلماء على ابتكار تقنية PureBond لمعالجة أسطح الألواح الخشبية دون استخدام الفورمالديهايد وغيرها من المواد شديدة السمية. يتميز جلد سمك القرش بخاصية فريدة تمامًا - لا تتكاثر البكتيريا عليه ، وفي نفس الوقت لا يتم تغطيته بأي مادة تشحيم مبيدة للجراثيم. بمعنى آخر ، الجلد لا يقتل البكتيريا ، فهي ببساطة غير موجودة عليه. يكمن السر في نمط خاص يتكون من أصغر مقاييس جلد القرش. عند الاتصال ببعضها البعض ، تشكل هذه المقاييس نمطًا خاصًا على شكل الماس. يتم استنساخ هذا النمط على فيلم Sharklet الواقي المضاد للبكتيريا. يعتقد McGee أن تطبيق هذه التكنولوجيا لا حدود له حقًا. وبالفعل فإن تطبيق مثل هذا النسيج الذي لا يسمح للبكتيريا بالتكاثر على سطح الأجسام في المستشفيات والأماكن العامة يمكن أن يخلصك من البكتيريا بنسبة 80٪. في هذه الحالة ، لا يتم تدمير البكتيريا ، وبالتالي لا يمكن أن تكتسب المقاومة ، كما هو الحال مع المضادات الحيوية. تقنية Sharklet هي أول تقنية في العالم تمنع نمو البكتيريا دون استخدام مواد سامة. وفقًا لـ bigpikture.ru