Ingenieure lassen sich von der Natur inspirieren, um 3D‑gedruckte Wasserfiltrationslösungen zu entwerfen

Die Natur hat Ingenieure, Architekten, technologische Forscher und Wissenschaftler auf der ganzen Welt schon immer inspiriert. Vögel haben unsere Flugtechnologie inspiriert. Prärieökosysteme haben die Menschheit dazu ermutigt, nachhaltigere und effizientere Agrarsysteme zu entwickeln. Spiralströmungen in Blumen haben effiziente Wassermischsysteme inspiriert. Bur‑Samen haben den Klettverschluss inspiriert. Die Liste geht immer weiter!

Jetzt ist ein wissenschaftlicher Bericht erschienen, in dem MIT‑Ingenieure zeigen, wie die einzigartige Filter‑Fress‑Technik des Mobula‑Rochen und seine spezialisierten Strukturen effizientere industrielle Wasserfilter inspirieren könnten.

Bevor wir tiefer in die Entdeckung eintauchen, werfen wir einen kurzen Blick auf Mobula‑Rochen.

Was sind Mobula‑Rochen?

Auch als fliegende Rochen wegen ihrer akrobatischen Sprünge bezeichnet, Mobula‑Rochen sind Lebewesen mit großen, flachen, diamantförmigen Körpern und langen Flossen, die ihnen ermöglichen, durch das Wasser – und auch durch die Luft – zu gleiten. Diese Fische versammeln sich regelmäßig, um aus dem Meer zu springen und sich in die Luft zu katapultieren, oft etwa zwei Meter aus dem Wasser springend, bevor sie mit einem Platschen wieder zurückfallen.

Wie das Naturhistorische Museum betont, filtern Mobula‑Rochen, das heißt, sie sieben Plankton aus dem Wasser mit ihren Mäulern heraus, und Schwärme von ihnen versammeln sich häufig in großer Zahl. Aber wie könnten sie eine Inspiration für die Gestaltung von 3D‑gedruckten Wasserfiltrationslösungen sein? Das werden wir im nächsten Abschnitt besprechen.

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Mobula‑Rochen als Vorbild für Wasserfiltration

Das Filterapparat des Mobula‑Rochen ähnelt industriellen Cross‑Flow‑Filtern, arbeitet jedoch unter einem anderen Parameter‑Regime. Um die Lücke zwischen industriellem Cross‑Flow und Mobula‑Filtration zu überbrücken, haben die Forscher einen universellen Rahmen für den Permeabilitäts‑Selektivitäts‑Kompromiss in einem undichten Kanal etabliert.

Die Forscher behaupten, erfolgreich gezeigt zu haben, dass die Geometrie der Mobula‑Filter sich entwickelt hat, um ein Gleichgewicht zwischen Atmung und Fressen zu erreichen und Designprinzipien abzuleiten, die über traditionelle Filtrationsregime hinausgehen. Das Ergebnis ist die Schaffung von von Mobula inspirierten Filtrationsgeräten.

Obwohl all das wie komplexe Übungen im Bereich der Biomimikry klingen mag, ist es einfacher, den Mechanismus zu verstehen, wenn wir die Mobula‑Rochen ein wenig genauer betrachten. Mobula‑Rochen ernähren sich, indem sie mit offenem Maul durch planktonreiche Regionen des Ozeans schwimmen und Planktonpartikel in ihren Schlund filtern, während das Wasser in ihre Mäuler strömt und durch die Kiemen wieder austritt.

Der Boden des Mundes des Mobula‑Rochen ist auf beiden Seiten mit parallelen, käfigartigen Strukturen, sogenannten Platten, ausgekleidet, die Wasser in die Kiemen des Rochen saugen. Diese Platten sind der Schlüssel zu der hier diskutierten Forschung.

Das MIT‑Forschungsteam hat gezeigt, dass die Abmessungen dieser Platten es ermöglichen können, dass einströmendes Plankton über die Platten hinweg bis in die Höhle des Rochen springt, anstatt durch die Kiemen auszutreten. Darüber hinaus können die Kiemen des Mobula‑Rochen Sauerstoff aus dem ausströmenden Wasser aufnehmen, um gleichzeitig zu atmen und zu fressen.

Laut Studie Autorin Anette „Peko“ Hosoi, Pappalardo‑Professorin für Maschinenbau am MIT:

„Wir (die Forscher) zeigen, dass der Mobula‑Rochen die Geometrie dieser Platten so entwickelt hat, dass sie die perfekte Größe hat, um Fressen und Atmen auszubalancieren.“

Die Forscher entwickelten einen Wasserfilter, der den Plankton‑Filtereigenschaften des Mobula‑Rochen entspricht. Anschließend untersuchten sie, wie Wasser durch den Filter fließen könnte, wenn er mit 3D‑gedruckten plattenähnlichen Strukturen ausgestattet ist. Die aus diesen Versuchen gewonnenen Ergebnisse wurden zu einem Blueprint für Designer zusammengefasst, um industrielle Cross‑Flow‑Filter zu optimieren, die in ihrer Konfiguration dem Mobula‑Rochen weitgehend ähneln.

Laut leitender Autorin und MIT‑Postdoktorandin Xinyu Mao:

„Wir wollen den Gestaltungsraum der traditionellen Cross‑Flow‑Filtration mit neuem Wissen vom Mantarochen erweitern.“

Während sie die Art der Erweiterung erklärte, sagte die Forscherin:

„Menschen können ein Parameter‑Regime des Mobula‑Rochen wählen, um potenziell die Gesamtfilterleistung zu verbessern.“

In ihrem eigenen, vom Mobula‑Rochen inspirierten Filterdesign entwickelte das Forschungsteam einen einfachen Filter. Das Design, bekannt als ‘leaky channel’ (undichter Kanal), ähnelt einem Rohr mit Löchern entlang seiner Seiten. Um die Natur des ‘Kanals’ genauer zu erläutern, bestand er aus zwei flachen Acrylplatten mit einem kleinen Spalt dazwischen, der den Durchfluss von Flüssigkeit ermöglicht. An einem Ende des Kanals platzierten die Forscher 3D‑gedruckte Strukturen, die die gerillten Platten im Mund des Mobula‑Rochen nachahmen.

Sie testeten das Setup, indem sie Wasser mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch den Kanal pumpten. Sie fügten farbige Farbstoffe hinzu, um den Fluss effektiv zu visualisieren. Als die Durchflussrate zunahm, erzeugte das Wasser Wirbel am Eingang jeder Rille, die das Durchdringen von Partikeln verhinderten und die Partikel stattdessen die Kanäle hinunterdrückten.

Was Mobula‑Rochen typischerweise tun, ist mit der richtigen Geschwindigkeit zu schwimmen, um Wirbel zu erzeugen, die selbst die kleinsten Planktonpartikel einfangen, während der Rest des Wassers durch die Kiemen abfließt. Diese Erkenntnis wird zum Schlüssel für einen idealen Blueprint zur Optimierung industrieller Cross‑Flow‑Filter und bietet praktische Anleitungen zur Verbesserung des Filterdesigns.

1. Ford

Eine der weltweit am meisten verehrten Automarken – Ford – ließ sich von Bienen inspirieren, um ein leichtes, aber starkes Honigwaben‑Ladungsregal für seinen brandneuen EcoSport‑SUV zu entwerfen. Der Ford EcoSport verfügte über einen verstellbaren Laderaum‑Boden aus hochfestem, zu 100 % recyceltem Papier‑Honigwabenmaterial, das Kunden von kompakten SUVs ermöglicht, mehr mit weniger zu erreichen.

Aus komplett natürlichem Papier und wasserbasiertem Klebstoff gefertigt, wog das sechs Pfund schwere Honigwaben‑Bodenbrett sowohl umweltfreundlich als auch stark genug, um fast 700 Pfund Ladung zu tragen. Ursprünglich von Honigbienen abgeleitet, wurde die biomimetische Technologie vor 50 Jahren erstmals in der Herstellung von Haustürblättern eingeführt.

Während er über das von der Natur inspirierte Design in ihren Autos sprach, sagte Mike Maxzzella, Assistenz‑Chefingenieur des Ford EcoSport:

„Das hexagonale Design der Honigwabe ist ein Beweis für die Genialität der Natur. Es ist nicht nur stark, sondern auch super leicht. Kunden können das Regal in verschiedene Schlitze schieben, ähnlich wie ein Ofenrost, und es sogar auf der Rückseite der Sitze verstauen. Es macht den EcoSport im Alltag super flexibel.“

Das EcoSport‑Regal wog nur sechs Pfund, konnte jedoch fast 700 Pfund auf einer Fläche von 38,5 × 25,25 Zoll tragen. Mit anderen Worten, dieses schlanke Regal kann unzählige Kombinationen schwerer Gegenstände halten, wie fünf Säcke Betonmischung (je 94 Pfund), vier große Säcke Muttererde (je 40 Pfund) und acht einzelne Gallonen Wasser (etwas mehr als acht Pfund pro Stück).

Ford war schon immer ein Unternehmen, das stets die Funktionen der Natur heranzog, um zu verstehen, wie seine Produkte besser, effizienter und robuster gemacht werden können. Fast ein Jahrzehnt zurück, im Jahr 2015, begann das Unternehmen, Biomimikry systematisch zu erforschen. Es kündigte eine Forschungskooperation mit Procter and Gamble an, um neuartige Klebstoffe mit Unterstützung des Biomimicry Institute zu entwickeln, einer gemeinnützigen Organisation, die die Einführung von naturinspirierten Lösungen fördert.

Während sie über die Bedeutung solcher Partnerschaften sprach, sagte Beth Rattner, Geschäftsführerin des Biomimicry Institute:

„Ich halte es für entscheidend, dass jemand wie Ford sagt: ‘Wir setzen unsere Anstrengungen hier nicht nur ein, weil wir denken, dass es ein besseres, nachhaltigeres Design ist, sondern damit die Menschen dem natürlichen Organismus im Prozess mehr Aufmerksamkeit schenken.’“

Im Jahr 2015 versuchte das Unternehmen, neue Klebstoffe zu entwickeln, indem es die Zehenpolster des Tokay‑Geckos studierte, die es der Echse ermöglichen, über Decken und Glasfenster zu rasen. Ford sah darin eine Chance, die Recyclingquote seiner Fahrzeuge um bis zu 10 % zu steigern, da ein von Gecko‑Zehen inspirierter Klebstoff dem Autohersteller ermöglichen könnte, das Durcheinander von Kunststoffen und Schäumen, das nach dem Entkernen eines Autos zurückbleibt, besser zu trennen.

Laut Debbie Mielewski, damals leitende Technikerin für Kunststoff‑ und Nachhaltigkeitsforschung bei Ford:

„Wenn wir es trennen könnten, wenn wir verschiedene Ströme darin identifizieren könnten, hätten wir eine viel bessere Chance, sie für hochwertigere Anwendungen zu nutzen.“

Während Ford weiterhin Inspiration aus der Natur zieht, erzielt es weiterhin gute finanzielle und umsatzseitige Ergebnisse. Das Unternehmen verzeichnete im Quartal zum 30. September 2024 einen Umsatz von 46,20 Mrd. $, bei einem Wachstum von 5,47 %, wodurch der Umsatz der letzten zwölf Monate auf 182,74 Mrd. $ stieg, ein Anstieg von 4,89 % gegenüber dem Vorjahr. Im Jahr 2023 erzielte die Ford Motor Company (F ) einen Jahresumsatz von 176,19 Mrd. $ bei einem Wachstum von 11,47 %.

2.  The Procter and Gamble Company

Ein weiteres großes Unternehmen, das an vorderster Front steht, um bessere Prinzipien der Produktformulierung aus der Natur zu lernen, ist Procter and Gamble. Im Jahr 2024 gründete Procter and Gamble eine Partnerschaft mit Basecamp Research, einem Kartographen der genetischen Biodiversität für KI‑basierte Protein‑Designs, um die Entwicklung hochleistungsfähiger Reinigungsenzyme für Kaltwasserbedingungen zu beschleunigen.

Die Partnerschaft wollte von Organismen lernen, die an kalte Umgebungen angepasst sind, um neuartige Enzyme mit verbesserter Kaltwaschleistung mithilfe von KI zu entwerfen. Während Dr. Philip Souter OBE, Senior Director of Laundry Research and Development bei P&G, über den Zweck der Partnerschaft und den Nutzen, den P&G daraus ziehen möchte, sagte:

„Wir freuen uns, mit Basecamp Research an dieser Initiative zusammenzuarbeiten, um gemeinsam neue Lösungen zu entwickeln, indem wir ihre einzigartige Sicht auf die Natur und KI‑Fähigkeiten mit unserer umfangreichen Innovationskompetenz kombinieren, um ein überlegenes Kundenerlebnis zu bieten.“

P&G hatte konkrete Pläne, die Fähigkeiten von Basecamp Research zu nutzen, um die genetische Biodiversität von Millionen von Organismen in kalten Umgebungen zu verstehen und sie zu verwenden, um die Wirksamkeit bei niedrigeren Wascht Temperaturen zu steigern und den Bedarf an heißem Wasser zu reduzieren – was sowohl für die Umwelt als auch für die Heizkosten besser ist.

Procter and Gamble ließ sich auch von der Forschung von Biomimicry 3.8 inspirieren, die Erkenntnisse aus Schlangen und Blutegeln zog, um bessere Waschmittel zu entwickeln. Biomimicry 3.8 ist das weltweit führende Beratungs- und professionelle Trainingsunternehmen, das sich auf naturpositive Gestaltung und Innovation konzentriert.

Eine der Studien von Biomimicry 3.8 untersuchte die Verbesserung der Fleckenentfernungseffizienz von Waschprodukten. Durch die Fokussierung auf tiefe Muster in der biologischen Welt identifizierte Biomimicry 3.8 30 einzigartige biologische Strategien, die das Potenzial haben, die schwierige Herausforderung der Entfernung von Blutflecken aus Stoffen zu lösen. Die Forschung untersuchte, wie Schlangen und Blutegel funktionieren, da sie zu den vielen Organismen gehören, die Blut verdauen können und als besonders hartnäckige Fleckenbildner gelten.

Diese Organismen, zusammen mit vielen anderen, boten wertvolle Design‑Lehren für eine Lösung, die das Potenzial hat, den Einsatz von Chlor, Abwasser und Energie bei der Fleckenentfernung zu reduzieren. Aufgrund dieser Forschung verlagerte die F&E‑Abteilung von P&G ihre gesamten Forschungsanstrengungen. Der leitende Wissenschaftler Yousef Aouad sagte, die Arbeit habe dem Team ein Blutflecken‑Modell mit einem konzeptuellen Verständnis der aufeinanderfolgenden Schritte zur Beseitigung von Blutflecken gegeben.

„Aber am wichtigsten ist, dass das Modell jetzt im Nachhinein erklärt: Warum scheitern unsere derzeitigen Enzyme daran, ihre Aufgabe bei Blutflecken zu erfüllen?“

– Yousef Aouad

Das Lernen von der Natur und das konsequente Ziehen von Inspiration daraus führten zu immer stärkerem Wachstum im Angebot des Unternehmens und zu einer größeren Vielfalt seiner Produktpalette. Der Umsatz des Unternehmens verzeichnete ein stetiges Wachstum beim Nettoumsatz. Er stieg von 71 Mrd. $ im Jahr 2020 auf 84 Mrd. $ im Jahr 2024. Das operative Ergebnis sprang ebenfalls von 15,7 Mrd. $ auf 18,5 Mrd. $.

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Die Zukunft von naturinspirierten Designs

Unternehmen zeigen ein wachsendes Interesse daran, Inspiration aus der Natur zu ziehen, da ihre Designs nachhaltig, umweltfreundlich, in der Lage sind, verfügbare Ressourcen zu optimieren, und flexibel genug, um sich an unterschiedliche Klimabedingungen anzupassen.

Eine der neuesten und sehr populären Nachahmungen der Natur im Design und in der Technik war, als Mercedes Benz das Bionic Car entwickelte, das Inspiration aus der großen strukturellen Festigkeit und dem geringen Gewicht des Kugelfisches zog. Es wurde berichtet, dass das Auto den Luftwiderstand reduziert, dabei erhebliche Steifigkeit, geringes Gewicht und deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Autos aufweist.

In Japan wurde das Design der Hochgeschwindigkeitszüge von dem Eisvogel inspiriert. Als Meister im Reisen zwischen Luft und Wasser mit kaum Spritzwasser inspirierten diese Züge das Shinkansen‑Hochgeschwindigkeitszug-Design mit einer langen, schnabelartigen Nase. Das Design reduzierte den von dem Zug erzeugten Lärm erheblich, verbrauchte 15 % weniger Strom und fuhr 10 % schneller als zuvor.

Vor fast zwei Jahrzehnten entwickelte eine weitere Gruppe von MIT‑Forschern ein neues Material, das winzige Wassermengen erfassen und kontrollieren kann. Das Design wurde von kästchen‑großen Käfern inspiriert. Das Material kombinierte eine superhydrophobe (wasserabweisende) Oberfläche mit superhydrophilen (wasseranziehenden) Erhebungen, die Wassertropfen einfingen und den Wasserfluss steuerten.

Mögliche Anwendungen für das neue Material umfassen die Wassergewinnung, die Herstellung eines Lab‑on‑a‑Chip (für Diagnostik und DNA‑Screening) sowie die Schaffung mikrofluidischer Geräte und Kühlgeräte.

Die Geschichte der Biomimikry ist so alt wie die menschliche Zivilisation selbst. Beispiele dafür finden sich nicht nur im Ingenieurwesen, sondern auch in der Architektur. In der Architektur äußert sich Biomimikry im Entwurf nachhaltiger und effizienter Gebäude, die im Einklang mit der Natur stehen. Oft als biomimetische Architekturen bezeichnet, ziehen diese Gebäude Inspiration aus der Natur, um energieeffizient, bioklimatisch, nachhaltig, anpassungsfähig, resilient und umweltfreundlich zu sein.

Um Biomimikry jedoch zu einem effizienteren Prozess zu machen, müssen die Werkzeuge effektiver werden. Laut Designern gibt es zwar keinen Mangel an Biomimikry‑Werkzeugen, aber die meisten biomimetischen Werkzeuge helfen Designern, Konzepte zu generieren und diese Konzepte aus dem Bereich der Biomimetik auf potenzielle Anwendungen zu übertragen, jedoch bieten diese Werkzeuge wenig umsetzbare Ratschläge zur Übersetzung biologischer Konzepte in herstellbare Prototypen.

Allerdings hat es einen deutlichen Anstieg der Investitionen in Technologien gegeben, die uns helfen, naturbasierte Designs in unseren Alltagsanwendungen zu übernehmen. Schätzungen zufolge könnte der globale Markt für biomimetische Technologie von US 6,8 Mrd. im Jahr 2017 auf US 18,5 Mrd. im Jahr 2028 wachsen.

In den frühen Tagen bestand der Zweck von Technologie und Maschinen darin, unser Leben zu vereinfachen, indem wiederholende und iterative Aufgaben automatisiert wurden. Heutzutage muss Technologie nachhaltig ausgerichtet sein, damit sie verfügbare Ressourcen sparsam nutzt und den geringstmöglichen Einfluss auf unseren Planeten in Bezug auf CO₂‑Emissionen hinterlässt.

Natur‑inspirierte Designs könnten ein hervorragender Weg sein, Technologie auf diese Weise effizienter zu machen. Dieses Merkmal natur‑inspirierter Gestaltung würde in den kommenden Tagen mehr Aufmerksamkeit und Investitionen auf sich ziehen.

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