علوم المواد
إعادة تصور الديناميات الهوائية والسائلة عبر إسفنجة زهرة الفراشة الزجاجي
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الإسفنجات الزجاجية، التي تُوجد عادةً في أعماق المحيط، تنتمي إلى فصيلة Hexacitinellida. تستمد أسمائها من أنسجتها التي تتكون من جزيئات هيكلية شبيهة بالزجاج مصنوعة من السيليكا.
هيكل الإسفنجات الزجاجية هو آلية تطورية تساعدها على مكافحة مفترسي الأعماق من خلال دمجها الفطري والعضوي مع مواد كيميائية مختلفة.
بدون شك، تُظهر الإسفنجات الزجاجية تعقًّاً حيث تعيش بالتمسك بالأسطح الصلبة وتستهلك البكتيريا الصغيرة والعوالق التي تُصفّى من الماء المحيط.
بعض الأنواع يمكنها إنشاء شوكيات كبيرة بشكل ملحوظ تُكوّن بيتًا زجاجيًا من خلال الاندماج في أنماط جميلة. غالبًا ما تُسلي هذه الهياكل العظمية العلماء لأنها تظل قائمة حتى بعد موت الإسفنجة، وتستخدمها عدة حيوانات عميقة البحر كمساكن لها!
الإسفنجة الزجاجية الأكثر شهرة
من بين جميع الإسفنجات الزجاجية التي تعيش في الأعماق، يُعد إسفنجة زهرة الفراشة، وهي نوع من Euplectella، من الأكثر شهرة. تطورت إلى حد أن هيكلها العظمي يحبس نوعًا معينًا من القشريات داخلها طوال الحياة. تتكاثر هذه القشريات، ويسعى صغارها إلى العثور على سلالات جديدة من الزهرة الخاصة بهم. عادةً ما تُستخدم هذه الإسفنجات كمساكن دائمة لاثنين من القشريات الصغيرة الشبيهة بالروبيان من عائلة Stenopodidea، ذكر وأنثى.
هذه السمة التي تجعلها موطنًا طبيعيًا للمخلوقات العميقة في البحر جعلت إسفنجة زهرة الفراشة الزجاجية دائمًا موضوعًا للفضول. وقد أدى هذا الفضول الآن إلى اكتشاف الباحثين ميزة أخرى ملحوظة لهذه الكائنات: قدرتها على التغذية الترشيحية دون الضخ.
التحكم في تدفق ‘صفر طاقة’ الطبيعي بواسطة إسفنجة زهرة الفراشة
إحدى الإنجازات المذهلة التي وُلدت بهذه الكائنات القديمة هي قدرتها على التغذية الترشيحية دون الضخ، معتمدة فقط على التيار الضعيف المحيط بأعماق المحيط. لكن كيف يكون ذلك ممكنًا؟ هذا ما بحث فيه فريق من الباحثين في جامعة روما تور فيرغاتا ومدرسة الهندسة NYU تاندون. باستخدام محاكاة حاسوبية عالية الدقة للغاية، قاموا بتحليل هيكل هيكل إسفنجة زهرة الفراشة. كانت النتائج، على أقل تقدير، مذهلة. علاوةً على ذلك، كان لها إمكانات هائلة للعديد من التطبيقات الهندسية.
أثناء شرح طبيعة الاختراق في التجربة، قال موريتسيو بورفيري، أستاذ معهد NYU تاندون ومدير مركز العلوم الحضرية + التقدم (CUSP)، الذي شارك في قيادة الدراسة وإشراف البحث،::
“تُسقط أبحاثنا جدلاً نشأ في السنوات الأخيرة: قد تكون إسفنجة زهرة الفراشة قادرة على جذب المغذيات بشكل سلبي، دون أي آلية ضخ نشطة. إنها تكيف مذهل يسمح لهذا المصفِّي بالازدهار في التيارات التي عادةً لا تكون مناسبة للتغذية المعلقة.”
في الأساس، تستخدم هذه الكائنات الإسفنجية الزجاجية هيكلها العظمي الفريد لتوجيه التيارات البطيئة جدًا في أعماق البحر، موجهةً التدفق صعودًا إلى تجويفها الجسدي المركزي. تُفلتر هذه الآلية العوالق وغيرها من الحطام البحري من مياه البحر، وتستخدمه الإسفنج كغذاء. السطح الخارجي الحلزوني المتعرّج يعمل كالسلم الحلزوني، ساحبًا الماء صعودًا عبر إطاره المسامي الشبيه بالشبكة دون الحاجة إلى طاقة الضخ.
أكثر خاصية ملحوظة في الإسفنجة الزجاجية هي تهويتها الطبيعية، التي تعمل بشكل مثالي في هدوء قاع المحيط العميق. هذا هو كيفية تطور هذه الأنواع العميقة، حيث تتكيف مع البيئة القاسية وتجذب الطعام بشكل سلبي عند تيار بطيء للغاية.
وفقًا لجياكومو فالكوچي من جامعة تور فيرغاتا في روما:
“توصلت الإسفنجة إلى حل أنيق لتعظيم إمداد المغذيات مع العمل بالكامل عبر آليات سلبية.”
لم يكن الوصول إلى هذه الرؤى المذهلة سهلًا. استغرق الباحثون عدة سنوات لبناء مرافق كافية تمكنهم من فهم الظاهرة بأدق تفاصيلها.
المرافق التي ساعدت البحث على تحقيق هدفه
استخدم الباحثون الحاسوب الفائق ليوناردو في CINECA، وهو اتحاد غير ربحي يستضيف أكبر مركز حوسبة إيطالي وإحدى أهم المراكز عالميًا.
ساعد هذا الحاسوب الفائق القوي الباحثين على تطوير نسخة ثلاثية الأبعاد واقعية من الإسفنجة، باستخدام مئة مليار نقطة فردية لإعادة إنشاء الهيكل الحلزوني المتعرّج المعقّد للإسفنجة. مكنت القدرة الحوسبية الهائلة لليوناردو من إجراء كوادريليون من الحسابات في الثانية، محاكاة مجموعة واسعة من سرعات وتيارات المياه.
وفقًا للباحثين المشاركين، قد تؤدي نتائج الدراسة إلى العديد من الحلول الهندسية المبتكرة. أدناه، نلخص بعض هذه الأفكار المبتكرة.
انقر هنا لتعرف كيف يمكن التحكم في الضوء بمساعدة القوارض.
الإمكانات التطبيقية الواقعية للبحث
المقدمة لهذا البحث الذي نناقشه هي دراسة 2021 أجراها نفس الفريق. في ذلك البحث، ركز الفريق تحديدًا على كيفية تحسين إسفنجة زهرة الفراشة للهياكل الصناعية. كان الفريق يعتقد أن تحقيقه في دور هندسة الإسفنجة في الاستجابة لتدفق السوائل يحمل العديد من الدلالات لتصميم المباني الشاهقة والهياكل الميكانيكية المتنوعة، بما في ذلك ناطحات السحاب، والهياكل ذات السحب المنخفضة للسفن، وحتى هياكل طائرات.
وفقًا لجياكومو فالكوچي من جامعة تور فيرغاتا في روما، ساعدت تجربة 2021 على الإسفنجة الزجاجية في الإجابة على أسئلة مثل:
“هل سيكون هناك انخفاض في السحب الهوائي على المباني الشاهقة المبنية بهيكلة مماثلة من الحواف والثقوب؟ هل سيُحسّن توزيع القوى المطبقة؟”
البحث الحالي، الذي يغوص أعمق في جوانب الهندسة البيومترية للإسفنجة الزجاجية، قد يساعد في تصميم مفاعلات أكثر كفاءة مع أنماط تدفق محسّنة وتقليل السحب الخارجي.
اتباع مبادئ الهندسة الداخلية للسطوح المتعرجة والمسامية للإسفنجة الزجاجية قد يزيد من كفاءة أنظمة الترشيح والتهوية في ناطحات السحاب والهياكل الأخرى. الحواف الحلزونية غير المتناظرة، على سبيل المثال، قد تُلهم هياكل سفن أو هيكل طائرات منخفضة السحب تبقى انسيابية مع تعزيز تدفق الهواء الداخلي.
من 2021 إلى 2024، استمر البحث في إسفنجة زهرة الفراشة، مكشفًا باستمرار كيف يمكن لهذا المعجزة البيولوجية أن تلهم تطبيقات واقعية أكثر.
الاستفادة من الطبيعة كمصدر إلهام لتصميم منتجاتها ساعدت العديد من الشركات على تحسين الكفاءة وتقديم تحسينات.
#1. سيارات بيوينيك من مرسيدس بنز
https://www.youtube.com/watch?v=ekgUjyWe1Yc
في مارس 2024، مرسيدس بنز، أثناء شرح فلسفة التصميم خلف أحد أحدث موديلاتها، Vision EQXX، قالت ما يلي:
“عندما يتعلق الأمر بالبناء الخفيف الوزن، لا تزال الطبيعة هي النموذج المثالي: من أسماك الصندوق إلى طائر القطرس القطبي – تطورت العديد من الحيوانات لتتمتع بأشكال جسمية مثالية وقدرات أخرى تمكّنها من السفر عبر مساراتها المهاجرة بأقل استهلاك للطاقة. كانت الكفاءة القصوى أيضًا المبدأ الهادف وراء برنامج التكنولوجيا الذي أنتج VISION EQXX – وهذا هو السبب في أن أجزاء من هيكل الشاسيه مستوحاة من الأشكال الطبيعية ومبادئ التصميم البايويني.”
سميت الشركة فلسفة استخدامها للمواد المستوحاة من الطبيعة بعملية Bionicast. يروج هذا النهج لاستخدام المادة فقط حيث تكون مسارات الحمل ضرورية. نتيجة لذلك، تمتلك العناصر البايوينية سمك جدار متغير باستمرار وفتحات تشبه الهيكل العظمي.
تعتقد الشركة أن فلسفة التصميم المستوحاة من الطبيعة أدت إلى منتج عالي الوظيفة ومضغوط، مع تقليل الوزن بشكل كبير. على سبيل المثال، وفرت التصاميم البايوينية في الجزء الخلفي من أرضية السيارة وحدها 15-20٪ من الوزن والمواد. كما يتمتع حامل محرك المسّاحة بميزة وزن بنسبة 20٪.
ظهرت سيارة مرسيدس-بنز بيوينيك، المعروفة بأيروديناميكيتها الممتازة، في يونيو 2005 في واشنطن، دي سي. ومنذ ذلك الحين، استمرت في التطور، محافظةً على صلتها وبروزها داخل مجتمع السيارات. فاز عملية التطوير المبتكرة لـ BIONICAST بجائزة 2022 لتصميم المواد + التكنولوجيا في فئة ‘أفضل عملية’. بحلول عام 2039، وبمساعدة مبادئ تقليل استهلاك الموارد وإمكانات البناء الخفيف لـ Bionicast، تهدف مرسيدس بنز إلى تحقيق الهدف الشامل للحياد الكربوني الصافي عبر سلسلة القيمة بأكملها في أسطولها من المركبات الجديدة.
في عام 2023، أعلنت مرسيدس بنز عن إيرادات بلغت 153.2 مليار يورو، بزيادة قدرها 3.2 مليار يورو عن إيرادات 150 مليار يورو في 2022. سجلت الشركة EBIT بقيمة 19.7 مليار يورو، وكان ربح السهم الواحد (EPS) 13.46 يورو.
#2. Biohm
Biohm، شركة أبحاث وتطوير حائزة على عدة جوائز، تؤمن بفلسفة ‘السماح للطبيعة بقيادة الابتكار’. مهمتها هي ‘تناغم الأنظمة الثقافية والطبيعية من خلال الترخيص المسؤول لتقنيات حيوية رائدة وقابلة للتوسع’.
إحدى التقنيات الرائدة في Biohm تستفيد من قوة الفطريات – الجذر الخيطي النباتي للفطر. تستخدم الشركة هذه التقنية لإنتاج حلول عالية التأثير والأداء في تطوير مكونات متطورة مثل المركبات الجسيمية، المركبات المعززة بالألياف، المواد الأحادية، والمواد الأحادية الشبيهة بالبوليمر. هذه مناسبة للاستخدام في مجالات البناء، المنتجات الاستهلاكية أو التجزئة، التغليف المتخصص، الديكورات الداخلية، قطع الأثاث، والموضة.
من خلال تقنية ‘Orb’ الخاصة بها، تحول Biohm بعض أسرع ‘تدفقات النفايات’ نموًا—نفايات الطعام والزراعة—إلى منتجات عالية الأداء وقيمة. يمكن تشكيل هذه المنتجات إلى أوراق وتشكيلها إلى أشكال ثلاثية الأبعاد معقدة ومنتجات مطبوعة ثلاثية الأبعاد.
بالإضافة إلى ذلك، تقدم Biohm نظام بناء مسبق الصنع لا يتطلب روابط أو مثبتات دائمة، مما يخلق هياكل قوية وعالية الجودة. مستوحى من الهندسة الرياضية لروابط جزيئات الكربون، يمكن لهذا النظام تقليل الأثر البيئي للمبنى، التكلفة، ووقت البناء بنسبة 120٪، 70٪، و95٪ على التوالي.
في أحد جهوده المبتكرة في المعالجة البيولوجية، تعاونت Biohm مع Waitrose & Partners وPower To Change، وطورت أربعة سلالات من الفطريات القادرة على استهلاك البلاستيك، بما في ذلك البولي يوريثان (PU)، البولي إيثيلين (PE)، البولي ستيرين (PS)، والبوليستر (PET). باستخدام هذه التقنية المرتكزة على الفطريات، يمكن تحطيم البلاستيك إلى سكريات، هيدروكربونات غير ضارة، وثاني أكسيد الكربون. تستهلك الفطريات السكريات والهيدروكربونات، بينما يتحول ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين عبر الكائنات المتمثلة في عملية التمثيل الضوئي.
وفقًا لتقديرات الصناعة، نجحت الشركة في جمع تمويل بقيمة 1.73 مليون دولار أمريكي حتى الآن.
مستقبل الديناميات الهوائية والسائلة المستوحاة من الطبيعة
إعادة تصور الديناميات الهوائية والسائلة من خلال استلهام الطبيعة قد دفع الباحثين حول العالم. في مختبر الطيران المستوحى من الطبيعة بجامعة بريستول، بقيادة الدكتور شين وندسور، على سبيل المثال، قام الباحثون بالتحقيق في مجموعة من جوانب الاستشعار والتحكم في طيران الحيوانات وكيف يمكن أن تحسن التقنيات الهندسية، خاصةً في تشغيل المركبات الجوية غير المأهولة الصغيرة (UAVs).
إحدى أكبر العلامات التجارية في العالم، لوكهيد مارتن، استلهمت من خنافس هيركوليس في المناطق الاستوائية بأمريكا الوسطى والجنوبية لتغيير لونها بشكل عضوي لتتناسب مع تغير اللون اليومي للغابات المطيرة المحيطة. يعتقد الباحثون في Skunk Works أن تقليد هذه الخاصية قد يحسن تصنيع أجزاء الطائرات المركبة من خلال تطوير حساسات قابلة للتحديد تنبه الفنيين عندما تكون بنية معقدة عند المستوى المناسب من الرطوبة للانتقال إلى الخطوة التالية من عملية التصنيع.
وفقًا لتوماس كونس، المسؤول عن محفظة التكنولوجيا الثورية في Skunk Works، “ستكون حساسات تغيير اللون طريقة سريعة، غير مكلفة، وموثوقة لتحديد ما إذا كانت الظروف صحيحة للتصنيع.” ويعتبر كونس ذلك حلًا ‘منخفض التكلفة، منخفض الجهد البشري’.
في مركز غلين للأبحاث التابع لناسا في أوهايو، ألهمت شوارب فقم الأحياء البحرية الباحث فيكرم شايام لتصميم شفرات توربين منخفضة السحب لمشروع تقنية النقل الجوي المتقدم، الذي يسعى لتطوير كفاءة طاقة رائدة للطائرات ذات الأجنحة الثابتة.
وبالمثل، استلهم إيزايا بلاكنسون، كبير التقنيين في مركز غلين للبحث التابع لناسا في أوهايو، من دقة السباحة البهلوانية للبطاريق لتطوير برنامج عرض الطيران منخفض الضوضاء الذي يسعى لتقليل الانفجارات الصوتية من خلال تشكيل أيروديناميكي.
استلهام الطبيعة ساعد البشر بشكل كبير على تحسين حلولهم في الديناميات الهوائية والسائلة. حكمة الطبيعة ومملكة الحيوان، التي صقلتها مئات الآلاف من سنوات التطور وممارسات البقاء، تقدم ثروة من الحكمة لحلول هندسية أفضل تكون فعّالة، منخفضة التكلفة، ومستدامة.
