Ingeniører ser til naturen for inspiration i design af 3D‑printede vandfiltreringsløsninger

Natur har altid inspireret ingeniører, arkitekter, teknologiske forskere og videnskabsfolk over hele verden. Fugle har inspireret vores flyvningsteknologi. Prærieøkosystemer har opmuntret menneskeheden til at udvikle mere bæredygtige og effektive landbrugssystemer. Spiralstrømme i blomster har inspireret effektive vandblandingssystemer. Burfrø har inspireret velcro. Listen fortsætter uendeligt!

Nu er der kommet en videnskabelig rapport, hvor MIT‑ingeniører viser, hvordan mobulahrærenes unikke filterspisningsteknik og deres specialiserede strukturer kan inspirere mere effektive industrielle vandfiltre. 

Før vi dykker dybere ned i opdagelsen, lad os kort se på mobulahrærene.

Hvad er mobulahrærene?

Også kaldet flyvende stingrays for deres akrobatiske spring, Mobula Rays are creatures with large, flat, diamond-shaped bodies and long fins that allow them to glide through the water – and also through the air.  These fishes regularly gather together to leap out of the sea and launch themselves into the air, often jumping around two meters out of the water before flopping back down with a splash.

Som Natural History Museum påpeger, filterspiser mobulahrærene, hvilket betyder, at de filtrerer plankton ud af vandet ved hjælp af deres mund, og at skoler af dem ofte samles i enorme antal. Men hvordan kan de være en inspiration til at designe 3D‑printede vandfiltreringsløsninger? Det vil vi diskutere i det næste afsnit.

Klik her for at lære, hvordan robotteknik kan tage inspiration fra naturen.

Følg mobulahrærene for vandfiltrering

Mobulahrærenes filtreringsapparat ligner industrielle krydsstrømsfiltre, men fungerer under et andet parameterregime. For at bygge bro mellem industriel krydsstrøm og mobulahrænefiltrering, etablerede forskerne en universel ramme for permeabilitet‑selektivitet‑afvejningen i en lækkanal.

Forskere hævder, at de har demonstreret med succes, at geometrien af mobulahrænefiltre har udviklet sig til at finde en balance mellem åndedræt og fødeindtag, og udlede designprincipper, der går ud over traditionelle filtreringsregimer. Resultatet er skabelsen af mobulahræne‑inspirerede filtreringsenheder. 

Selvom alt dette kan lyde som komplekse øvelser inden for biomimik, er det enklere at følge mekanismen, hvis vi ser nærmere på mobulahrærene. Mobulahrærene fodrer sig selv ved at svømme med åbent mund gennem planktonrige områder i havet og filtrere planktonpartikler ind i deres spiserør, mens vand strømmer ind i munden og ud gennem gællerne.

Bunden af mobulahrærenes mund er på begge sider beklædt med parallelle, kamlignende strukturer, kaldet plader, som suger vand ind i gællerne. Det er disse plader, der indeholder nøglen til den aktuelle forskning, vi diskuterer her.

MIT‑forskerteamet har vist, at dimensionerne af disse plader kan tillade indkommende plankton at hoppe hele vejen over pladerne og videre ind i rhænenes hulrum i stedet for at udstrømme gennem gællerne. Desuden kan mobulahrænenes gæller absorbere ilt fra det udstrømmende vand for samtidig at trække vejret mens de spiser.

Ifølge undersøgelsen forfatter Anette “Peko” Hosoi, Pappalardo professor i maskinteknik ved MIT:

“Vi (forskerne) viser, at mobulahrænen har udviklet geometrien af disse plader til at have den perfekte størrelse for at balancere fødeindtag og åndedræt.”

Forskerne udformede et vandfilter i overensstemmelse med mobulahrænenes planktonfiltreringsegenskaber. Efterfølgende undersøgte de, hvordan vand kunne strømme gennem filteret, når det var udstyret med 3D‑printede plade‑lignende strukturer. Resultaterne fra disse øvelser blev omsat til en blueprint, som designere kan bruge til at optimere industrielle krydsstrømsfiltre, som i bred grad ligner mobulahrænenes konfiguration.

Ifølge hovedforfatter og MIT postdoc Xinyu Mao:

“Vi ønsker at udvide designområdet for traditionel krydsstrømsfiltrering med ny viden fra mantahrænen.”

Mens forskeren forklarede arten af udvidelsen, sagde han:

“Folk kan vælge et parameterregime fra mobulahrænen, så de potentielt kan forbedre den samlede filterpræstation.”

I deres egen mobulahræne‑inspirerede filterdesign skabte forskerholdet et simpelt filter. Designet, kendt som en ‘lækket kanal’, ligner et rør med huller langs siderne. For at uddybe ‘kanalens’ natur bestod den af to flade akrylplader med en lille åbning imellem, så væsken kan strømme igennem. I den ene ende af kanalen placerede forskerne 3D‑printede strukturer, der efterlignede de rillede plader inde i mobulahrænenes mund.

De testede opsætningen ved at pumpe vand gennem kanalen med varierende hastigheder. De tilsatte farvet farvestof for at opnå en effektiv visualisering af strømmen. Når flowhastigheden steg, dannede vandet hvirvler ved hver rilles mund, hvilket forhindrede partikler i at passere igennem og i stedet skubbede partiklerne ned gennem kanalerne.

Hvad mobulahrærene typisk gør, er at svømme med den rette hastighed for at generere hvirvler, der fanger selv de mindste planktonpartikler, så resten af vandet kan strømme ud gennem deres gæller. Denne indsigt bliver nøglen til en ideel blueprint for optimering af industrielle krydsstrømsfiltre, som giver praktisk vejledning til forbedring af filterdesign.

1. Ford

Et af de mest anerkendte bilmærker i verden – Ford – hentede inspiration fra bier til at designe en let, men stærk honningkage‑ladningshylde til deres helt nye EcoSport SUV. Ford EcoSport havde sit justerbare lastegulv lavet af højstyrkekarton med 100 procent genanvendt papir i honningkageformat, hvilket hjælper kompakte SUV‑kunder med at gøre mere med mindre.

Fremstillet af helt naturligt papir og vandbaseret lim, vejede den seks pund tunge honningkagegulv både miljøvenligt og var stærk nok til at håndtere næsten 700 pund last. Oprindeligt afledt fra honningbier, blev biomimetisk teknologi først introduceret i husholdningsdørproduktion for 50 år siden. 

Mens han talte om den naturinspirerede design i deres biler, sagde Mike Maxzzella, Ford EcoSport assistentchefingeniør, følgende:

“Det hexagonale design af honningkagen er et bevis på naturens opfindsomhed. Ikke kun er det stærkt, det er super let. Kunder kan glide hylden ind i flere forskellige spor, som et ovnrist, og endda opbevare den på bagsædet. Det hjælper med at gøre EcoSport superfleksibel i daglig brug.” 

EcoSport‑hylden vejede kun seks pund. Alligevel blev den vurderet til at kunne håndtere næsten 700 pund over en overflade på 38,5 tommer gange 25,25 tommer. Med andre ord kunne denne lille hylde holde utallige kombinationer af tunge genstande, såsom fem poser betonblanding (94 pund hver), fire store poser topjord (40 pund hver) og otte individuelle gallons vand (lidt over otte pund hver).

Ford har altid været et firma, der har søgt inspiration i naturens funktion for at forstå, hvordan deres produkter kan gøres bedre, mere effektive og robuste. Næsten et årti tilbage, i 2015, begyndte virksomheden at udforske biomimik på en organiseret måde. De annoncerede et forskningspartnerskab med Procter and Gamble for at skabe nye limtyper med assistance fra Biomimicry Institute, en nonprofitorganisation, der har til formål at fremme adoption af naturinspirerede løsninger.

Mens hun talte om vigtigheden af sådanne partnerskaber, sagde Beth Rattner, administrerende direktør for Biomimicry Institute, følgende:

“Jeg synes, det er kritisk, at nogen som Ford siger, ‘Vi lægger vores indsats i dette, ikke kun fordi vi tror, det er bedre, mere bæredygtigt design, men så folk vil lægge mere mærke til den naturlige organisme i processen.'”

I 2015 forsøgte virksomheden at udvikle nye limtyper ved at studere tåpadderne på Tokay‑geckoen, som gør, at firbenet kan løbe over lofter og glasvinduer. Ford så dette som en mulighed for at øge genanvendelsesraterne for deres køretøjer med op til 10 %, da en gecko‑tå‑inspireret lim kunne gøre det lettere for bilproducenten at adskille den blandede plast og skum, der er tilbage efter en bil is stripped for sine metaldele.

Ifølge Debbie Mielewski, dengang senior teknisk leder for plast‑ og bæredygtighedsforskning hos Ford:

“Hvis vi kunne adskille det, hvis vi kunne identificere forskellige strømme inden i det, ville vi have langt bedre chance for at kunne anvende dem til højkvalitetsapplikationer.”

Mens Ford fortsat henter inspiration fra naturen, fortsætter de med at klare sig godt økonomisk og indtægtsmæssigt. Virksomheden registrerede en omsætning på $46.20B i kvartalet, der sluttede den 30. september 2024, med en vækst på 5.47 %, hvilket bragte virksomhedens omsætning i de sidste tolv måneder til $182.74B, en stigning på 4.89 % år‑til‑år. I år 2023 havde Ford Motor Company (F ) en årlig omsætning på $176.19B med en vækst på 11.47 %.

2.  The Procter and Gamble Company

En anden stor virksomhed, der er i front med at lære bedre produktformuleringsprincipper fra naturen, er Procter and Gamble. I 2024 dannede Procter and Gamble et partnerskab med Basecamp Research, en kortlægger af genetisk biodiversitet for AI‑baseret proteindesign, for at fremskynde udviklingen af højtydende rengøringsenzymer til kolde vandforhold.

Partnerskabet ønskede at lære af organismer, der er tilpasset kolde miljøer, for at designe nye enzymer med forbedret koldvaskpræstation ved hjælp af AI. Mens han talte om formålet med partnerskabet og den værdi, P&G ønsker at udvinde af det, sagde Dr Philip Souter OBE, senior direktør for vaskeforskning og -udvikling hos P&G, følgende:

“Vi er glade for at indgå i partnerskab med Basecamp Research om dette initiativ, hvor vi sammen udvikler nye løsninger ved at kombinere deres unikke syn på naturen og AI‑kapacitet med vores omfattende innovationskompetence for at levere en overlegen forbrugeroplevelse.”

P&G havde specifikke planer om at udnytte Basecamp Researchs evner til at forstå den genetiske biodiversitet hos millioner af organismer i kolde miljøer og bruge dette til at øge effektiviteten ved lavere vaske temperaturer for at reducere behovet for varmt vand — hvilket er bedre for miljøet og varmeregningen.

Procter and Gamble blev også inspireret af Biomimicry 3.8’s forskning, der trak indsigt fra slanger og leeches til at designe bedre vaskemidler. Biomimicry 3.8 er verdens førende konsulent‑ og professionel træningsvirksomhed med fokus på natur‑positivt design og innovation.

En af Biomimicry 3.8’s undersøgelser fokuserede på at forbedre pletfjernelses‑effektiviteten af vaskemidler. Ved at fokusere på dybe mønstre i den biologiske verden identificerede Biomimicry 3.8 30 unikke biologiske strategier med potentiale til at løse den vanskelige udfordring med at fjerne blodpletter fra stof. Undersøgelsen så på, hvordan slanger og leeches fungerer, da de er blandt de mange organismer, der kan fordøje blod og betragtes som nogle af de mest hårdføre pletdannere.

Disse organismer, sammen med mange andre, gav værdifulde designlektioner til en løsning med potentiale til at begrænse brugen af klor, spildevand og energi ved fjernelse af pletter. På grund af denne forskning skiftede P&G’s forsknings‑ og udviklingsafdeling hele deres forskningsindsats. Hovedforsker Yousef Aouad sagde, at arbejdet gav teamet en blodplettemodel med en konceptuel forståelse af sekventielle trin til at fjerne blodpletter.

“Men vigtigst af alt forklarer modellen nu også i bakspejlet: Hvorfor er det, at vores nuværende enzymer ikke lever op til deres opgave på blodpletter?”

– Yousef Aouad

At lære fra naturen og konsekvent hente inspiration fra den har betydet mere og mere vækst i virksomhedens tilbud og diversitet i deres produktportefølje. Virksomhedens omsætning oplevede en stabil vækst i deres nettoomsætning. Den voksede fra US$71 milliarder i 2020 til US$84 milliarder i 2024. Driftsresultatet steg også fra US$15,7 milliarder til US$18,5 milliarder.

Klik her for at lære, hvordan bladhoppe kan lære os at manipulere lys.

Fremtiden for naturinspireret design

Virksomheder bliver i stigende grad interesseret i at hente inspiration fra naturen, da deres designs er bæredygtige, miljøvenlige, i stand til at optimere tilgængelige ressourcer og fleksible nok til at tilpasse sig forskellige klimaforhold. 

Et af de mest nylige og meget populære eksempler på efterligning af naturen i design og ingeniørkunst var, da Mercedes Benz udviklede den Bioniske Bil, inspireret af den store strukturelle styrke og lave masse af bokshajen. Bilen blev rapporteret at reducere luftmodstand, mens den udviste betydelige niveauer af stivhed, lav vægt og væsentligt lavere brændstofforbrug end traditionelle biler. 

I Japan blev designet af højhastighedstog inspireret af isfuglen. Mestere i at rejse mellem luft og vand med meget lille sprøjt, inspirerede disse tog designet af Shinkansen højhastighedstog med en lang næbformet næse. Designet reducerede væsentligt den støj, toget lavede, og brugte også 15 % mindre elektricitet samt rejste 10 % hurtigere end før.

Næsten to årtier siden producerede en anden gruppe MIT‑forskere et nyt materiale, der kunne indfange og kontrollere små mængder vand. Designet var inspireret af billignøddeløbere på en størrelse af en mønt. Materialet kombinerede en superhydrofob (vandreducerende) overflade med superhydrofil (vandtiltrækkende) bump, der fangede vanddråber og kontrollerede vandstrømmen. 

Potentielle anvendelser for det nye materiale inkluderede vandopsamling, fremstilling af et laboratorium på en chip (til diagnostik og DNA‑screening) samt skabelse af mikrofluidiske enheder og køleenheder.

Historien om biomimik er lige så gammel som den menneskelige civilisation selv. Eksempler på dette findes ikke kun inden for ingeniørkunst, men også inden for arkitektur. I arkitektur udtrykker biomimik sig i designet af mere bæredygtige og effektive bygninger, der er i harmoni med naturen. Ofte kaldet biomimetisk arkitektur, trækker disse bygninger inspiration fra naturen for at blive energieffektive, bioklimatiske, bæredygtige, adaptive, modstandsdygtige og holdbare. 

Dog for at gøre biomimik til en mere effektiv proces, skal værktøjerne blive mere effektive. Ifølge designere er der, selvom der ikke er mangel på biomimikværktøjer at vælge imellem, at de fleste biomimetiske værktøjer hjælper designere med at generere koncepter og kortlægge disse koncepter fra biomimetikfeltet til potentielle anvendelser, men disse værktøjer giver kun lidt handlingsorienteret rådgivning om at omsætte biologiske koncepter til fremstilbare prototyper.

Der har dog været en mærkbar stigning i investeringer i teknologi, der hjælper os med at adoptere naturbaserede designs i vores daglige anvendelser. Ifølge estimater kan det globale biomimetiske teknologimarked vokse fra US$6.8 milliarder i 2017 til US$18.5 milliarder i 2028. 

I de tidlige dage var formålet med teknologi og maskiner at gøre vores liv enklere ved at automatisere gentagne og iterative opgaver. I dag skal teknologi være bæredygtighedsorienteret, så den bruger tilgængelige ressourcer klogt og efterlader den mindst mulige påvirkning på vores planet i form af CO₂‑udledning.

Naturinspireret design kan være en fremragende måde at gøre teknologi mere effektiv på. Denne egenskab ved naturinspireret design vil hjælpe med at tiltrække mere opmærksomhed og investering i de kommende dage.

Klik her for en liste over topteknologier med skræmmende potentiale.