التصنيع بالإضافة
المهندسون يتطلعون إلى الطبيعة للإلهام في تصميم حلول ترشيح المياه المطبوعة ثلاثيًا
لطالما ألهمت الطبيعة المهندسين والمهندسين المعماريين والباحثين التكنولوجيين والعلماء في جميع أنحاء العالم. ألهمت الطيور تقنيتنا في الطيران. شجعت النظم البيئية للسهوب البشرية على تطوير أنظمة زراعية أكثر استدامة وكفاءة. التدفقات الحلزونية في الزهور ألهمت أنظمة خلط مياه فعّالة. بذور البرقع ألهمت الفيلكرو. والقائمة تستمر بلا نهاية!
الآن، صدر تقرير علمي يظهر فيه مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كيف يمكن لتقنية الترشيح الفريدة للراي الموبولا وهياكله المتخصصة أن تلهم مرشحات مياه صناعية أكثر كفاءة.
قبل الغوص أعمق في الاكتشاف، دعونا نلقي نظرة سريعة على راي الموبولا.
ما هي راي الموبولا؟
تُعرف أيضًا باسم راي الطيران بسبب قفزاتها البهلوانية، راي الموبولا هي كائنات ذات أجسام كبيرة، مسطحة، على شكل ماسة وزعان طويلة تسمح لها بالانزلاق عبر الماء – وأيضًا عبر الهواء. هذه الأسماك تتجمع بانتظام للقفز خارج البحر وإطلاق نفسها في الهواء، غالبًا ما تقفز حوالي مترين فوق الماء قبل أن تسقط مرة أخرى برشة ماء.
كما يشير متحف التاريخ الطبيعي، تقوم راي الموبولا بالترشيح الغذائي، أي أنها تصفي العوالق من الماء باستخدام أفواهها، وغالبًا ما تتجمع أسرابها بأعداد هائلة. لكن كيف يمكن أن تكون مصدر إلهام في تصميم حلول ترشيح المياه المطبوعة ثلاثيًا؟ سنناقش ذلك في الفقرة التالية.
انقر هنا لتتعرف على كيفية استفادة الروبوتات من الطبيعة.
متابعة راي الموبولا لتصميم ترشيح المياه
يشبه جهاز ترشيح راي الموبولا مرشحات التدفق المتقاطع الصناعية لكنه يعمل تحت نظام معلمات مختلف. لسد الفجوة بين تدفق الصناعي المتقاطع وترشيح الموبولا، قام الباحثون بإنشاء إطار عمل عالمي لتوازن النفاذية-الانتقائية في قناة متسربة.
يدعي الباحثون أنهم نجحوا في إظهار أن هندسة مرشحات الموبولا تطورت لتحقيق توازن يسمح بالتنفس والتغذية واستخلاص مبادئ تصميم تتجاوز أنظمة الترشيح التقليدية. والنتيجة هي إنشاء أجهزة ترشيح مستوحاة من الموبولا.
بينما قد يبدو كل هذاكتمارين معقدة في مجال التقليد الحيوي، من الأسهل متابعة الآلية إذا نظرنا إلى راي الموبولا قليلاً أكثر عن قرب. تتغذى راي الموبولا عن طريق السباحة بفم مفتوح عبر مناطق المحيط الغنية بالعوالق وتصفية جزيئات العوالق إلى معدتها بينما يتدفق الماء إلى أفواهها ويخرج عبر خياشيمها.
يُبطّن قاع فم راي الموبولا على كلا الجانبين بهياكل موازية تشبه المشط، تُسمى ألواح، تقوم بسحب الماء إلى خياشيم الراي. وهذه الألواح هي المفتاح للبحث الحالي الذي نناقشه هنا.
أظهر فريق الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن أبعاد هذه الألواح قد تسمح للعوالق الواردة بالقفز عبر الألواح بالكامل إلى تجويف الراي بدلاً من الخروج عبر الخياشيم. علاوة على ذلك، يمكن لخياشيم راي الموبولا امتصاص الأكسجين من الماء المتدفق للمساعدة في التنفس أثناء التغذية.
وفقًا للدراسة المؤلف أنيت “بيكو” هوسوي، أستاذة بابلاردو للهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا:
نحن (الباحثون) نظهر أن راي الموبولا قد طوّر هندسة هذه الألواح لتكون بالحجم المثالي لتحقيق توازن بين التغذية والتنفس.
صمم الباحثون مرشح مياه وفقًا لميزات ترشيح العوالق لراي الموبولا. بعد ذلك، فحصوا كيفية تدفق الماء عبر المرشح عندما يُزود بهياكل شبيهة بالألواح مطبوعة ثلاثيًا. تم تجميع النتائج التي تم الحصول عليها من هذه التجارب في مخطط تصميم يمكن للمصممين استخدامه لتحسين مرشحات التدفق المتقاطع الصناعية، التي تشبه إلى حد كبير تكوين راي الموبولا.
وفقًا للمؤلف الرئيسي والباحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا شينيو ماو:
نريد توسيع مساحة تصميم الترشيح المتقاطع التقليدي بمعرفة جديدة من راي المانتا.
أثناء شرح طبيعة التوسعة، قال الباحث:
يمكن للناس اختيار نظام معلمات لراي الموبولا بحيث يمكنهم تحسين أداء المرشح بشكل عام.
في تصميمهم الخاص للمرشح المستوحى من راي الموبولا، أنشأ فريق البحث مرشحًا بسيطًا. يُعرف التصميم باسم ‘قناة متسربة’، وهو يشبه أنبوبًا به ثقوب على جوانبه. لتوضيح طبيعة ‘القناة’ أكثر، تتكون من لوحين أكريليكيين مسطحين مع فجوة ضئيلة بينهما، تسمح بتدفق السائل عبرهما. في أحد طرفي القناة، وضع الباحثون هياكل مطبوعة ثلاثيًا تحاكي الألواح المخددة داخل فم راي الموبولا.
اختبروا التجربة عن طريق ضخ الماء عبر القناة بسرعات مختلفة. أضافوا صبغة ملونة لتحقيق تصور فعال للتدفق. عندما ارتفعت معدل التدفق، خلق الماء دوامات عند فم كل أخدود، مما منع الجسيمات من المرور ودفعها إلى أسفل القنوات.
ما تفعله راي الموبولا عادةً هو السباحة بالسرعة المناسبة لتوليد دوامات تحجز حتى أصغر جزيئات العوالق، مما يسمح لبقية الماء بالتدفق عبر خياشيمها. تصبح هذه الفكرة المفتاح لمخطط مثالي لتحسين مرشحات التدفق المتقاطع الصناعية، وتقدم إرشادات عملية لتحسين تصميم المرشح.
1. Ford (F )
إحدى أكثر العلامات التجارية للسيارات احترامًا في العالم – فورد – استلهمت الإلهام من النحل لتصميم رف شحن خلية عسل خفيف الوزن ولكنه قوي لسيارة إيكوسبورت الجديدة كليًا. تم تصنيع أرضية الشحن القابلة للتعديل في فورد إيكوسبورت من خلية عسل ورقية معاد تدويرها بنسبة 100٪ عالية القوة، مما يساعد عملاء سيارات الدفع الرباعي المدمجة على تحقيق المزيد بأقل.
مصنوع من ورق طبيعي بالكامل وغراء مائي، كان لوح خلية العسل بوزن ستة أرطال صديقًا للبيئة وقويًا بما يكفي لتحمل ما يقرب من 700 رطل من الحمولة. استُمدت التقنية المقلدة للخلية الأصلية من النحل، وتم تقديمها لأول مرة في تصنيع أبواب المنازل قبل 50 عامًا.
أثناء حديثه عن التصميم المستوحى من الطبيعة في سياراتهم، قال مايك ماكسزيلا، مهندس مساعد رئيسي في فورد إيكوسبورت:
إن التصميم السداسي للخلية هو شهادة على عبقرية الطبيعة. ليس فقط قويًا، بل خفيفًا جدًا. يمكن للعملاء إدخال الرف في عدة فتحات مختلفة، مثل رف الفرن، وحتى تخزينه على ظهر المقاعد. يساعد ذلك على جعل إيكوسبورت مرنًا للغاية في الاستخدام اليومي.
وزن رف إيكوسبورت كان ستة أرطال فقط. ومع ذلك، تم تقييمه لتحمل ما يقرب من 700 رطل على مساحة 38.5 بوصة × 25.25 بوصة. بمعنى آخر، يمكن لهذا الرف أن يحمل تركيبات لا حصر لها من العناصر الثقيلة، مثل خمس أكياس من خلطة الخرسانة (94 رطلاً لكل منها)، وأربعة أكياس كبيرة من التربة (40 رطلاً لكل منها)، وثمانية جالونات من الماء (كل جالون يزن أكثر من ثمانية أرطال).
لطالما كانت فورد شركة تتواصل دائمًا مع وظائف الطبيعة لفهم كيفية تحسين منتجاتها وجعلها أكثر كفاءة ومتانة. قبل ما يقرب من عقد من الزمن، في عام 2015، بدأت الشركة في استكشاف التقليد الحيوي بطريقة منظمة. وقد أعلنت عن شراكة بحثية مع بروكتر آند غامبل لإنشاء مواد لاصقة جديدة بمساعدة معهد التقليد الحيوي، وهي منظمة غير ربحية تدافع عن تبني الحلول المستوحاة من الطبيعة.
أثناء حديثها عن أهمية مثل هذه الشراكات، قالت بيث راتنر، المديرة التنفيذية لمعهد التقليد الحيوي:
أعتقد أنه من الضروري أن تقول شركة مثل فورد: ‘نحن نضع جهودنا في هذا ليس فقط لأننا نعتقد أنه أفضل، وتصميم أكثر استدامة، بل لكي يولي الناس المزيد من الاهتمام للكائنات الطبيعية في العملية.’
في عام 2015، سعت الشركة لاشتقاق مواد لاصقة جديدة من خلال دراسة وسادات أصابع السحلية توكاي، التي تسمح للزاحف بالركض عبر الأسقف والنوافذ الزجاجية. رأت فورد ذلك كفرصة لزيادة معدلات إعادة التدوير لمركباتها بنسبة تصل إلى 10٪ حيث يمكن للمواد اللاصقة المستوحاة من أصابع السحلية أن تسمح لمصنّع السيارات بفصل مزيج البلاستيك والرغوات المتبقي بعد تجريد السيارة من هيكلها المعدني.
وفقًا لديبي ميلسكي، القائدة التقنية العليا آنذاك لأبحاث البلاستيك والاستدامة في فورد:
إذا استطعنا فصلها، إذا استطعنا تحديد تدفقات مختلفة داخلها، فسنحظى بفرصة أفضل بكثير لاستخدامها في تطبيقات عالية الجودة.
(F )
بينما تستمر فورد في استلهام الإلهام من الطبيعة، تستمر أيضًا في الأداء الجيد ماليًا ومن حيث الإيرادات. سجلت الشركة إيرادات قدرها 46.20 مليار دولار في الربع المنتهي في 30 سبتمبر 2024، بنمو 5.47٪، مما رفع إيرادات الشركة في الاثني عشر شهرًا الأخيرة إلى 182.74 مليار دولار، بزيادة 4.89٪ على أساس سنوي. في عام 2023، حققت شركة فورد موتور إيرادات سنوية قدرها 176.19 مليار دولار بنمو 11.47٪.
2. The Procter and Gamble Company (PG )
كيان تجاري كبير آخر يقع في طليعة تعلم مبادئ صياغة المنتجات الأفضل من الطبيعة هو بروكتر آند غامبل. في عام 2024، شكلت شركة بروكتر آند غامبل شراكة مع Basecamp Research، وهي شركة رائدة في رسم خرائط التنوع الجيني لتصميم البروتينات المعتمد على الذكاء الاصطناعي، لتسريع تطوير إنزيمات تنظيف عالية الأداء لظروف المياه الباردة.
كانت الشراكة حريصة على التعلم من الكائنات المتكيفة مع البيئات الباردة لتصميم إنزيمات جديدة ذات أداء محسن في الغسيل البارد باستخدام الذكاء الاصطناعي. أثناء الحديث عن هدف الشراكة والقيمة التي تريد P&G استخراجها منها، قال الدكتور فيليب سوتير، OBE، المدير الأول لأبحاث وتطوير الغسيل في P&G:
نحن سعداء بشراكتنا مع Basecamp Research في هذه المبادرة، حيث نتعاون معًا لتطوير حلول جديدة من خلال دمج رؤيتهم الفريدة للطبيعة وقدرات الذكاء الاصطناعي مع خبرتنا الواسعة في الابتكار لتقديم تجربة مستهلك متفوقة.
كان لدى P&G خطط محددة للاستفادة من قدرات Basecamp Research في فهم التنوع الجيني لملايين الكائنات في البيئات الباردة واستخدامه لزيادة الفعالية عند درجات حرارة الغسيل المنخفضة لتقليل الحاجة إلى الماء الساخن — وهو ما يفيد البيئة وفواتير التدفئة.
كما استلهمت شركة بروكتر آند غامبل من أبحاث Biomimicry 3.8 التي استخلصت رؤى من الثعابين والعلقات لتصميم منظفات أفضل. Biomimicry 3.8 هي الشركة الاستشارية الرائدة عالميًا في التدريب المهني التي تركز على التصميم والابتكار الإيجابي للطبيعة.
أحد أبحاث Biomimicry 3.8 تناول تحسين فعالية إزالة البقع من منتجات الغسيل. من خلال التركيز على الأنماط العميقة في العالم البيولوجي، حددت Biomimicry 3.8 ثلاثين استراتيجية بيولوجية فريدة لديها القدرة على حل التحدي الصعب لإزالة بقع الدم من الأقمشة. بحثت الدراسة في طريقة عمل الثعابين والعلقات حيث أنها من بين العديد من الكائنات التي يمكنها هضم الدم وتُعتبر من أقوى مسببى البقع.
قدمت هذه الكائنات، إلى جانب العديد غيرها، دروس تصميم قيمة لحل محتمل يحد من استخدام الكلور ومياه الصرف والطاقة في إزالة البقع. بفضل هذا البحث، حول قسم البحث والتطوير في P&G جميع جهوده البحثية. قال العالِم الرئيسي يوسف عواد إن العمل وفر للفريق نموذجًا لبقع الدم مع فهم تصوري للخطوات المتسلسلة لإزالة بقع الدم.
ولكن الأهم من ذلك، يشرح النموذج الآن أيضًا بأثر رجعي: لماذا تفشل إنزيماتنا الحالية في أداء مهمتها على بقع الدم؟
– يوسف عواد
(PG )
التعلم من الطبيعة والاستمرار في استلهام الإلهام منها أدى إلى نمو متزايد في عروض الشركة وتنوع منتجاتها. شهدت إيرادات الشركة نموًا ثابتًا في صافي مبيعاتها. ارتفعت من 71 مليار دولار في 2020 إلى 84 مليار دولار في 2024. كما ارتفع الدخل التشغيلي من 15.7 مليار دولار إلى 18.5 مليار دولار.
انقر هنا لتتعلم كيف يمكن للجراد الأخضر أن يعلمنا التحكم في الضوء.
مستقبل التصاميم المستوحاة من الطبيعة
تزداد اهتمام الشركات باستلهام الإلهام من الطبيعة لأن تصاميمها مستدامة وصديقة للبيئة، وقادرة على تحسين الموارد المتاحة، ومرنة بما يكفي للتكيف مع ظروف المناخ المتنوعة.
إحدى أحدث وأشهر محاكاة الطبيعة في التصميم والهندسة كانت عندمامرسيدس بنز طورت السيارة البيونية، مستلهمةً من القوة الهيكلية العظيمة والكتلة المنخفضة لسمكة الصندوق. وقد أُبلغ أن السيارة تقلل السحب بينما تظهر مستويات ملحوظة من الصلابة، وزن منخفض، واستهلاك وقود أقل بكثير من السيارات التقليدية.
في اليابان، استُلهم تصميم القطارات السريعة من طائر الملكة، وهي ماسترات في الانتقال بين الهواء والماء مع رذاذ قليل جدًا، ألهمتقطار شينكانسن السريع بتصميم أنف طويل على شكل منقار. خفض التصميم بشكل كبير من الضوضاء التي يصدرها القطار، واستخدم 15٪ أقل من الكهرباء، وسافر بسرعة أعلى بنسبة 10٪ مقارنةً بالسابق.
قبل ما يقرب من عقدين من الزمن، أنتج مجموعة أخرى من باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيامادة جديدة يمكنها التقاط والتحكم في كميات صغيرة من الماء. كان التصميم مستوحىً من خنفساء بحجم عشرة سنتات. تجمع المادة بين سطح فائق الكاره للماء (مقاوم للماء) ونتوءات فائق الجاذبة للماء (جاذبة للماء) التي تحبس قطرات الماء وتتحكم في تدفقه.
شملت التطبيقات المحتملة للمادة الجديدة جمع المياه، وإنشاء مختبر على شريحة (للتشخيص وفحص الحمض النووي)، وإنشاء أجهزة ميكروفلودية وأجهزة تبريد.
تاريخ التقليد الحيوي قديم قدم الحضارة الإنسانية نفسها. لا تقتصر أمثلة ذلك على الهندسة فحسب، بل تشمل أيضًا العمارة. في العمارة، يتجلى التقليد الحيوي في تصميم مبانٍ أكثر استدامة وكفاءة تتناغم مع الطبيعة. غالبًا ما تُسمى هذه المباني بالهندسة المعمارية الحيوية، حيث تستلهم من الطبيعة لتصبح موفرة للطاقة، مناخية حيوية، مستدامة، قابلة للتكيف، مرنة، ومستدامة.
مع ذلك، لجعل التقليد الحيوي عملية أكثر كفاءة، يجب أن تصبح الأدوات أكثر فاعلية. وفقًا للمصممين، رغم عدم نقص أدوات التقليد الحيوي المتاحة، فإن معظم الأدوات الحيوية تساعد المصممين على توليد مفاهيم ورسم هذه المفاهيم من مجال التقليد الحيوي إلى التطبيقات المحتملة، لكن هذه الأدوات تقدم نصائح عملية قليلة حول تحويل المفاهيم البيولوجية إلى نماذج أولية قابلة للتصنيع.
مع ذلك، لوحظ زيادة ملحوظة في الاستثمارات في التكنولوجيا التي تساعدنا على تبني التصاميم القائمة على الطبيعة في تطبيقاتنا اليومية. وفقًا للتقديرات، قد ينمو السوق العالمي لتقنية التقليد الحيوي من6.8 مليار دولار أمريكي في 2017 إلى 18.5 مليار دولار أمريكي في 2028.
في الأيام الأولى، كان هدف التكنولوجيا والآلات هو تبسيط حياتنا من خلال أتمتة المهام المتكررة والمتتابعة. اليوم، يجب أن تكون التكنولوجيا موجهة نحو الاستدامة بحيث تستخدم الموارد المتاحة بحكمة وتترك أقل تأثير ممكن على كوكبنا من حيث انبعاثات الكربون.
يمكن أن تكون التصاميم المستوحاة من الطبيعة طريقة رائعة لجعل التكنولوجيا أكثر كفاءة. ستساعد هذه السمة من التصميم المستوحى من الطبيعة في جذب المزيد من الانتباه والاستثمارات في الأيام القادمة.
انقر هنا للحصول على قائمة بأهم التقنيات ذات الإمكانات المخيفة.
