Genopfindelse af aero- og fluiddynamik gennem Venusblomsterkurvens glaståge

Glas svampe, som almindeligt findes i de dybe oceaner, tilhører klassen Hexacitinellida. De får deres navn fra deres væv, som består af glaslignende strukturelle partikler lavet af silica.

Glas svampenes skelet er en evolutionær mekanisme, der hjælper dem med at bekæmpe dybhavspredatorer ved naturligt og organisk at kombinere sig med forskellige kemikalier.

Uden tvivl sofistikerede, opretholder glas svampe sig selv ved at klamre sig fast på hårde overflader og forbruge små bakterier og plankton, som filtreres fra det omgivende vand.

Nogle arter kan danne betydeligt store spikler, der danner et glashus ved at smelte sammen i smukke mønstre. Disse skeletstrukturer fascinerer ofte forskere, da de forbliver intakte selv efter svampen er død, og flere dybhavsdyr bruger disse strukturer som deres hjem!

Den mest kendte glas svamp

Blandt alle de dybtlevende glas svampe er Venusblomsterkurven, en art af Euplectella, særligt kendt. Den har udviklet sig så meget, at dens skelet kan fange en bestemt art af krebsdyr indeni for livet. Disse krebsdyr formerer sig, og deres afkom søger nye blomsterkurve til sig selv. Typisk fungerer disse svampe som livslange hjem for to små, reje-lignende Stenopodidea, en han og en hun.

Dette træk, at fungere som naturligt bolig for dybhavsdyr, har altid gjort Venusblomsterkurvens glas svamp til et fascinerende dyr. Denne nysgerrighed har nu fået forskere til at opdage en anden bemærkelsesværdig egenskab ved disse dyr: deres evne til at filtrere føde uden at pumpe.

Naturlig ‘Zero Energy’ flowkontrol af Venusblomsterkurvens svamp

En af de fantastiske bedrifter, som disse ældgamle dyr er født med, er deres evne til at filtrere føde uden at pumpe, udelukkende ved at udnytte den svage omgivende strøm i havdybet. Men hvordan er dette muligt? Det er, hvad et forskerteam fra Universitetet i Rom Tor Vergata og NYU Tandon School of Engineering har undersøgt. Ved hjælp af ekstremt højopløselige computersimuleringer analyserede de skeletstrukturen af Venusblomsterkurvens svamp. Resultaterne var, for at sige det mildt, forbløffende. Desuden indeholdt den en forbløffende potentiale for en række ingeniørapplikationer.

Mens han forklarede eksperimentets banebrydende karakter, sagde Maurizio Porfiri, professor ved NYU Tandon Institute og direktør for Center for Urban Science + Progress (CUSP), som var medansvarlig for studiet og medvejleder for forskningen:

“Vores forskning løser en debat, der er opstået i de senere år: Venusblomsterkurvens svamp kan muligvis trække næringsstoffer ind passivt, uden nogen aktiv pumpefunktion. Det er en utrolig tilpasning, der gør det muligt for denne filterføder at trives i strømme, der normalt er uegnede til suspension feeding.”

I bund og grund bruger disse glas svampe deres unikke skeletstruktur til at aflede de ultraslotte strømme i dybhavet og lede flowet opad ind i deres centrale kropshulrum. Denne mekanisme filtrerer plankton og andet marint affald fra havvandet, som svampene bruger som føde. Den spiralformede, ribbede yderside af svampens skelet fungerer som en spiraltrappe, der trækker vandet op gennem dens porøse, gitterlignende ramme uden behov for pumpenergi.

Den mest bemærkelsesværdige egenskab ved glas svampen er dens naturlige ventilation, som fungerer perfekt i den næsten stille dybhavsbund. Dette er, hvordan disse dybhavsspecies har udviklet sig, tilpasset sig det barske miljø og passivt trukket føde ind ved en ekstremt langsom strøm.

Ifølge Giacomo Falcucci fra Tor Vergata University of Rome:

“Svampen har fundet en elegant løsning til at maksimere næringsforsyningen, mens den udelukkende fungerer gennem passive mekanismer.”

At opnå disse fantastiske indsigter var ikke let. Det tog flere år for forskerne at opbygge passende faciliteter, der kunne forstå fænomenerne i deres mindste detaljer.

Faciliteterne der hjalp forskningen med at nå sit mål 

Forskerne benyttede Leonardo-supercomputeren hos CINECA, et non-profit konsortium, der huser det største italienske datacenter og et af de vigtigste i verden.

Denne kraftfulde supercomputer hjalp forskerne med at udvikle en livagtig 3D-replika af svampen, med hundrede milliarder individuelle punkter, der genskaber svampens indviklede helikale ribbestruktur. Leonardos enorme beregningskraft gjorde det muligt at udføre kvadrillioner af beregninger pr. sekund og simulere et bredt spektrum af vandstrømhastigheder og -forhold.

Ifølge de involverede forskere kan studiens resultater føre til mange innovative ingeniørløsninger. Nedenfor opsummerer vi et par af sådanne innovative idéer.

Klik her for at lære, hvordan det er muligt at manipulere lys med hjælp fra bladhoppe.

Det reelle anvendelsespotentiale for forskningen

Forløberen for denne forskning, vi diskuterer, er en 2021-undersøgelse udført af det samme team. I den forskning undersøgte teamet specifikt, hvordan Venusblomsterkurvens svamp kunne forbedre menneskeskabte strukturer. Teamet mente, at deres undersøgelse af svampens geometri i forhold til fluidstrøm havde mange implikationer for design af høje bygninger og mekaniske strukturer af bredt omfang, herunder skyskrabere, lavmodstands nye strukturer til skibe og endda flykroppe.

Ifølge Giacomo Falcucci fra Tor Vergata University of Rome hjalp 2021-eksperimentet på glas svampen med at besvare spørgsmål som:

“Vil der være mindre aerodynamisk modstand på høje bygninger bygget med et lignende gitter af ribber og huller? Vil det optimere fordelingen af påførte kræfter?”

Den aktuelle forskning, som går dybere ind i de biometriske ingeniøraspekter af glas svampen, kan hjælpe med at designe mere effektive reaktorer med optimerede flowmønstre og minimeret ydre modstand.

Ved at følge de indre ingeniørprincipper for de ribbede og porøse overflader på glas svampen kan man øge luftfiltrerings- og ventilationssystemer i skyskrabere og andre strukturer. De asymmetriske helikale ribber kan for eksempel inspirere lavmodstands skrog eller flykroppe, som forbliver strømlinede samtidig med at de fremmer indre luftstrøm.

Fra 2021 til 2024 fortsatte forskningen i Venusblomsterkurvens svampe, og afslørede løbende, hvordan dette bioingeniørmarvel kan inspirere flere virkelige anvendelser.

Udnyttelse af naturen som designinspiration for deres produkter har hjulpet mange virksomheder med at forbedre effektiviteten og indføre optimering.

#1. Bioniske biler fra Mercedes Benz

I marts 2024, Mercedes Benz, mens de forklarede designfilosofien bag en af deres seneste modeller, Vision EQXX, sagde følgende:

“Når det gælder letvægtskonstruktion, er naturen stadig den bedste rollemodel: fra kassefisk til arktisk terne – mange dyr har udviklet optimale kropsformer og andre egenskaber, der gør dem i stand til at rejse deres migrationsruter med minimal energiforbrug. Maksimal effektivitet var også den ledende princip bag teknologi-programmet, der producerede VISION EQXX – hvilket er grunden til, at dele af chassisstrukturen er baseret på naturlige former og bioniske designprincipper.”

Virksomheden har navngivet sin bioinspirerede materialebrugsfilosofi Bionicast-processen. Denne tilgang går ind for kun at bruge materiale, hvor belastningsvejene er nødvendige. Som resultat har de bioniske elementer en konstant varierende vægtykkelse og åbninger, der ligner et skelet.

Virksomheden mener, at den bioinspirerede designfilosofi har resulteret i et produkt, der er yderst funktionelt og kompakt, med betydeligt reduceret vægt. For eksempel har bioniske designs på bilens bageste gulv alene sparet 15-20 % i vægt og materiale. Wiper-motorbeslaget har også en vægtfordel på 20 %.

Mercedes-Benz (MBG.DE ) Bionic-bilen, kendt for sin fremragende aerodynamik, debuterede i juni 2005 i Washington, DC. Siden da har den fortsat med at udvikle sig og bevare sin relevans og fremtræden inden for bilfællesskabet. Den innovative udviklingsproces for BIONICAST vandt 2022 Material Design + Technology Award i kategorien ‘Best of Process’. I 2039, med hjælp fra principperne om reduceret ressourceforbrug og let konstruktion fra Bionicast, sigter Mercedes Benz mod at opnå det overordnede mål om netto-kulstofneutralitet gennem hele værdikæden i deres nye køretøjsflåde.

I 2023, Mercedes Benz rapporterede omsætning på 153,2 milliarder euro, en stigning på 3,2 milliarder euro fra 150 milliarder euro i 2022. Virksomheden registrerede en EBIT på 19,7 milliarder euro, og dens EPS var 13,46 euro.

#2. Biohm

Biohm, et multi-prisvindende forsknings- og udviklingsfirma, tror på filosofien ‘at lade naturen lede innovationen.’ Som deres mission har virksomheden ‘harmoniseret kulturelle og naturlige systemer gennem ansvarlig licensering af banebrydende, skalerbare bioteknologier.’

En af Biohms flagskibs-teknologier udnytter kraften fra Mycelium – den vegetative filamentære rodstruktur fra svampe. Virksomheden bruger denne teknologi til at producere høj‑impact og høj‑præstationsløsninger i udviklingen af sofistikerede komponenter såsom partikelkompositter, fiberforstærkede kompositter, monolitiske materialer og polymerlignende monolitiske materialer. Disse er velegnede til brug inden for områder som byggeri, forbruger‑ eller detailprodukter, specialemballage, interiører, møbler og mode.

Gennem deres ‘Orb’-teknologi omdanner Biohm nogle af de hurtigst voksende ‘affaldsstrømme’ – mad- og landbrugsaffald – til værdifulde og funktionelle høj‑præstationsprodukter. Disse produkter kan formes til plader og støbes til indviklede 3‑D‑former og 3‑D‑printede produkter.

Derudover tilbyder Biohm et præfabrikeret byggesystem, der ikke kræver permanente bindemidler eller fastgørelser, og skaber robuste, højkvalitets strukturer. Inspireret af den matematiske geometri af carbon’s molekylære bindinger kan dette system reducere en bygnings miljøpåvirkning, omkostninger og byggetid med henholdsvis 120 %, 70 % og 95 %.

I et af deres banebrydende bioremedieringsprojekter har Biohm i samarbejde med Waitrose & Partners og Power To Change udviklet fire stammer af Mycelium, der kan nedbryde plast, herunder polyurethan (PU), polyethylen (PE), polystyren (PS) og polyester (PET). Ved at udnytte denne mycelium‑centrerede teknologi kan plast nedbrydes til sukker, harmløse kulbrinter og kuldioxid. Myceliumet forbruger sukkeret og kulbrinterne, mens kuldioxiden omdannes til ilt gennem fotosyntetiserende organismer.

Ifølge brancheestimatene, virksomhed har formået at rejse finansiering på 1,73 million US‑dollar indtil nu.

Fremtiden for bio‑inspireret aero- og fluiddynamik

At hente inspiration fra naturen har motiveret forskere verden over til at genoverveje aero- og fluiddynamik. På University of Bristol’s Bio‑Inspired Flight Lab, ledet af Dr. Shane Windsor, undersøgte forskere en række sensor‑ og kontrolaspekter af dyrenes flyvning og hvordan de kan forbedre teknologier, især funktionen af små‑skala ubemandede luftfartøjer (UAV’er).

Et af de største mærker i verden, Lockheed Martin (LMT ), har hentet inspiration til sit Skunk Works fra Hercules‑billerne i tropisk Central‑ og Sydamerika for organisk at mørkne eller lysne for at matche den daglige skiftende nuance i den omgivende regnskov. Forskere i Skunk Works mener, at efterligning af denne egenskab kan forbedre fremstillingen af sammensatte flydele ved at udvikle sensorer, der kan advare teknikere, når en kompleks struktur har den rette fugtighedsniveau til at gå videre til næste trin i fremstillingsprocessen.

Ifølge Thomas Koonce, ansvarlig for Skunk Works’ Revolutionary Technology Portfolio, “Farveskiftssensorer ville være en hurtig, billig og pålidelig måde at afgøre, om betingelserne er korrekte for fremstilling.” Koonce betegner dette som en ‘lav‑omkostnings‑ og lav‑arbejdsstyrkeløsning.’

Ved NASA’s Glenn Research Center i Ohio har knurhårene på havsæler inspireret forsker Vikram Shyam til at designe lavmodstands turbineblade til Advanced Air Transport Technology Project, som søger at udvikle banebrydende energieffektivitet for fastvingede fly.

På samme måde har Isaiah Blankson, senior teknolog ved NASA’s Glenn Research Center i Ohio, ladet sig inspirere af de akrobatiske præcisioner fra svømmende pingviner til at udvikle Low‑Boom Flight Demonstration‑programmet, som forsøger at mindske soniske boom ved hjælp af aerodynamisk formgivning.

At hente inspiration fra naturen har hjulpet mennesker enormt med at forbedre deres aero‑ og fluiddynamiske løsninger. Naturens og dyrenes visdom, formet gennem hundredtusinder af år med evolutionære praksisser og overlevelsestaktikker, tilbyder en overflod af indsigt til bedre ingeniørløsninger, som er effektive, omkostningsbesparende og bæredygtige.

Klik her for at lære, hvordan robotteknologi tager inspiration fra naturen.