Επανασχεδιασμός της αεροδυναμικής και της ρευστοδυναμικής με το γυάλινο σφουγγάρι Venus Flower Basket

Τα γυάλινα σφουγγάρια, που συναντώνται συχνά στα βαθιά του ωκεανού, ανήκουν στην τάξη Hexacitinellida. Το όνομά τους προέρχεται από τους ιστούς τους, οι οποίοι αποτελούνται από δομικά σωματίδια παρόμοια με γυαλί φτιαγμένα από πυρίτιο.

Το σκελετικό σύστημα των γυάλινων σφουγγαριών αποτελεί ένα εξελικτικό μηχανισμό που τα βοηθά να αντιμετωπίζουν τους θηρευτές του βυθού, ενσωματώνοντας εγγενώς και οργανικά διάφορες χημικές ουσίες.

Αδιαμφισβήτητα εξελιγμένα, τα γυάλινα σφουγγάρια επιβιώνουν προσκολλώνταςται σε σκληρές επιφάνειες και καταναλώνοντας μικρά βακτήρια και πλαγκτόν που φιλτράρουν από το περιβάλλον νερό.

Ορισμένα είδη μπορούν να δημιουργήσουν σημαντικά μεγάλα σπίκουλα που σχηματίζουν ένα γυάλινο σπίτι ενωμένα σε όμορφα μοτίβα. Αυτές οι σκελετικές δομές συχνά εντυπωσιάζουν τους επιστήμονες, καθώς παραμένουν ζωντανές ακόμη και μετά το θάνατο του σφουγγαριού, και πολλά ζώα του βυθού τις χρησιμοποιούν ως κατοικία!

Το πιο γνωστό γυάλινο σφουγγάρι

Ανάμεσα σε όλα τα βαθιά βυθισμένα γυάλινα σφουγγάρια, το Venus Flower Basket, ένα είδος του Euplectella, είναι ιδιαίτερα γνωστό. Έχει εξελιχθεί τόσο ώστε το σκελετικό του σύστημα να παγιδεύει ένα συγκεκριμένο είδος καρκινοειδών για όλη τη ζωή του. Αυτά τα καρκινοειδή αναπαράγονται, και τα απογόνους τους αναζητούν νέα λουλούδια-καλάθια. Συνήθως, αυτά τα σφουγγάρια χρησιμεύουν ως δια βίου κατοικία για δύο μικρά, γαρίδες-σχήματος Stenopodidea, ένα αρσενικό και ένα θηλυκό.

Αυτό το χαρακτηριστικό του να λειτουργεί ως φυσική κατοικία για τα ζώα του βυθού έχει πάντα προκαλούσε το ενδιαφέρον για το γυάλινο σφουγγάρι Venus Flower Basket. Αυτή η περιέργεια οδήγησε τους ερευνητές να ανακαλύψουν ένα ακόμη αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό αυτών των ζώων: την ικανότητά τους να τρέφονται με φιλτράρισμα χωρίς αντλία.

Φυσικός ‘μηδενικής ενέργειας’ έλεγχος ροής από το σφουγγάρι Venus Flower Basket

Ένα από τα εκπληκτικά κατορθώματα που διαθέτουν αυτά τα αρχαία ζώα είναι η ικανότητά τους να τρέφονται με φιλτράρισμα χωρίς αντλία, βασιζόμενα αποκλειστικά στην αδύναμη περιβάλλουσα ροή των ωκεάνιων βάθων. Πώς είναι αυτό δυνατό; Αυτό είναι που μελέτησε μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Ρώμης Tor Vergata και τη Σχολή Μηχανικής NYU Tandon. Χρησιμοποιώντας εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης προσομοιώσεις υπολογιστή, ανέλυσαν τη σκελετική δομή του σφουγγαριού Venus Flower Basket. Τα ευρήματα, για να το πούμε απλά, ήταν συγκλονιστικά. Επιπλέον, παρουσίαζαν εντυπωσιακό δυναμικό για πληθώρα εφαρμογών μηχανικής.

«Η έρευνά μας λύνει μια συζήτηση που έχει προκύψει τα τελευταία χρόνια: το σφουγγάρι Venus Flower Basket μπορεί να απορροφά θρεπτικά στοιχεία παθητικά, χωρίς κανένα ενεργό μηχανισμό αντλίας. Είναι μια απίστευτη προσαρμογή που επιτρέπει σε αυτόν τον φιλτράροντα καταναλωτή να ευδοκιμεί σε ροές που κανονικά δεν είναι κατάλληλες για σίτιση με ανάρτηση»

Βασικά, αυτά τα γυάλινα σφουγγάρια χρησιμοποιούν τη μοναδική σκελετική τους δομή για να κατευθύνουν τις υπερ-αργές ροές του βυθού, οδηγώντας τη ροή προς τα πάνω προς την κεντρική κοιλότητα του σώματός τους. Αυτός ο μηχανισμός φιλτράρει το πλαγκτόν και άλλα θαλάσσια υπολείμματα από το θαλασσινό νερό, τα οποία τα σφουγγάρια χρησιμοποιούν ως τροφή. Η σπειροειδής, ραβδωτή εξωτερική επιφάνεια της σκελετικής δομής του σφουγγαριού λειτουργεί όπως μια σπειροειδής σκάλα, τραβώντας το νερό προς τα πάνω μέσω του πορώδους, πλέγματος πλαισίου χωρίς ανάγκη ενέργειας αντλίας.

Η πιο αξιοσημείωτη ιδιότητα του γυάλινου σφουγγαριού είναι η φυσική του αερισμός, που λειτουργεί άψογα στη σχεδόν ακινησία των βυθών του ωκεανού. Αυτό είναι ο τρόπος με τον οποίο αυτά τα είδη του βυθού έχουν εξελιχθεί, προσαρμοζόμενα στο σκληρό περιβάλλον και απορροφώντας παθητικά τροφή με εξαιρετικά αργή ροή.

Σύμφωνα με τον Giacomo Falcucci του Πανεπιστημίου Tor Vergata της Ρώμης:

«Το σφουγγάρι έχει βρει μια κομψή λύση για τη μεγιστοποίηση της παροχής θρεπτικών στοιχείων, λειτουργώντας εξ ολοκλήρου μέσω παθητικών μηχανισμών»

Η επίτευξη αυτών των εκπληκτικών γνώσεων δεν ήταν εύκολη. Χρειάστηκαν αρκετά χρόνια για να δημιουργήσουν οι ερευνητές κατάλληλες εγκαταστάσεις που θα μπορούσαν να κατανοήσουν το φαινόμενο με τις πιο λεπτομερείς λεπτομέρειες.

Οι εγκαταστάσεις που βοήθησαν την έρευνα να φτάσει τον στόχο της 

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον υπερυπολογιστή Leonardo στο CINECA, ένα μη κερδοσκοπικό κονσόρτσιουμ που φιλοξενεί το μεγαλύτερο ιταλικό κέντρο υπολογιστών και ένα από τα πιο σημαντικά παγκοσμίως. 

Αυτός ο ισχυρός υπερυπολογιστής βοήθησε τους ερευνητές να δημιουργήσουν ένα ρεαλιστικό 3D αντίγραφο του σφουγγαριού, με εκατό δισεκατομμύρια μεμονωμένα σημεία που αναπαριστούν τη λεπτομερή ελικοειδή ραβδωτή δομή του σφουγγαριού. Η τεράστια υπολογιστική ισχύς του Leonardo επέτρεψε την εκτέλεση τετρασεκατομμυρίων υπολογισμών ανά δευτερόλεπτο, προσομοιώνοντας ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων και συνθηκών ροής νερού.

Σύμφωνα με τους ερευνητές που συμμετείχαν, τα αποτελέσματα της μελέτης μπορεί να οδηγήσουν σε πολλές καινοτόμες λύσεις μηχανικής. Παρακάτω συνοψίζουμε μερικές από αυτές τις καινοτόμες ιδέες. 

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς είναι δυνατόν να χειριστείτε το φως με τη βοήθεια των leafhoppers.

Το πραγματικό δυναμικό εφαρμογών της έρευνας

Το προάγγελο αυτής της έρευνας που συζητάμε είναι μια μελέτη του 2021 που διεξήχθη από την ίδια ομάδα. Σε αυτήν την έρευνα, η ομάδα εξέτασε ειδικά πώς το σφουγγάρι Venus Flower Basket θα μπορούσε να βελτιώσει τις τεχνητές κατασκευές. Η ομάδα πίστευε ότι η διερεύνηση του ρόλου της γεωμετρίας του σφουγγαριού στην αντίδραση στη ροή υγρού είχε πολλές επιπτώσεις για το σχεδιασμό υψηλών κτιρίων και μηχανικών κατασκευών διαφόρων ειδών, συμπεριλαμβανομένων των ουρανοξυστών, των δομών χαμηλής αντίστασης για πλοία, και ακόμη και των αεροπλάνων.

Σύμφωνα με τον Giacomo Falcucci του Πανεπιστημίου Tor Vergata της Ρώμης, το πείραμα του 2021 στο γυάλινο σφουγγάρι βοήθησε να απαντηθούν ερωτήματα όπως:

«Θα υπάρχει λιγότερη αεροδυναμική αντίσταση σε ουρανοξύστες που θα χτιστούν με παρόμοιο πλέγμα ραβδών και οπών; Θα βελτιστοποιήσει την κατανομή των εφαρμοζόμενων δυνάμεων;»

Η τρέχουσα έρευνα, η οποία εμβαθύνει στις βιομετρικές πτυχές μηχανικής του γυάλινου σφουγγαριού, θα μπορούσε να βοηθήσει στο σχεδιασμό πιο αποδοτικών αντιδραστήρων με βελτιστοποιημένα πρότυπα ροής και ελαχιστοποιημένη εξωτερική αντίσταση. 

Ακολουθώντας τις αρχές εσωτερικής μηχανικής των ραβδωτών και πορώδεις επιφανειών του γυάλινου σφουγγαριού, θα μπορούσε να αυξήσει τα συστήματα αερισμού και φιλτραρίσματος αέρα σε ουρανοξύστες και άλλες κατασκευές. Οι ασύμμετρες ελικοειδείς ραβδώσεις, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να εμπνεύσουν καπάκια ή αεροπλανοφόρα με χαμηλή αντίσταση που θα παραμείνουν αεροδυναμικά ενώ προάγουν την εσωτερική ροή αέρα.

Από το 2021 έως το 2024, η έρευνα για τα σφουγγάρια Venus Flower Basket συνεχίστηκε, αποκαλύπτοντας συνεχώς πώς αυτό το βιομηχανικό θαύμα θα μπορούσε να εμπνεύσει περισσότερες πραγματικές εφαρμογές. 

Η αξιοποίηση της φύσης ως έμπνευση σχεδίασης για τα προϊόντα τους έχει βοηθήσει πολλές εταιρείες να βελτιώσουν την αποδοτικότητα και να εισαγάγουν βελτιστοποίηση. 

#1. Bionic Cars by Mercedes Benz

Τον Μάρτιο του 2024, η Mercedes Benz, ενώ εξηγούσε τη φιλοσοφία σχεδίασης πίσω από ένα από τα τελευταία μοντέλα της, Vision EQXX, δήλωσε τα εξής::

«Όσον αφορά την ελαφριά κατασκευή, η φύση παραμένει το καλύτερο πρότυπο: από τα ψάρια-κουτιά μέχρι το Αρκτικό Κύκνο – πολλά ζώα έχουν εξελίξει βέλτιστα σχήματα σώματος και άλλες δυνατότητες που τους επιτρέπουν να διανύουν τις μεταναστευτικές διαδρομές τους με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Η μέγιστη αποδοτικότητα ήταν επίσης η καθοδηγητική αρχή πίσω από το τεχνολογικό πρόγραμμα που παρήγαγε το VISION EQXX – γι’ αυτό τα μέρη της δομής του πλαισίου βασίζονται σε φυσικά σχήματα και βιονικές αρχές σχεδίασης.»

Η εταιρεία ονόμασε τη φιλοσοφία χρήσης υλικών εμπνευσμένη από τη φύση ως διαδικασία Bionicast. Αυτή η προσέγγιση προωθεί τη χρήση υλικού μόνο όπου απαιτούνται οι διαδρομές φορτίου. Ως αποτέλεσμα, τα βιονικά στοιχεία διαθέτουν συνεχώς μεταβαλλόμενο πάχος τοίχου και ανοίγματα που μοιάζουν με σκελετό. 

Η εταιρεία πιστεύει ότι η φιλοσοφία σχεδίασης εμπνευσμένη από τη φύση έχει οδηγήσει σε ένα προϊόν εξαιρετικά λειτουργικό και συμπαγές, με σημαντικά μειωμένο βάρος. Για παράδειγμα, τα βιονικά σχέδια στο πίσω πάτωμα του αυτοκινήτου έχουν μόνο από μόνο τους εξοικονομήσει 15-20% βάρους και υλικού. Η στήριξη του μοτέρ του υαλοκαθαριστήρα έχει επίσης πλεονέκτημα βάρους 20%.

Το Mercedes‑Benz Bionic car, γνωστό για την εξαιρετική αεροδυναμική του, παρουσιάστηκε τον Ιούνιο του 2005 στην Ουάσιγκτον, DC. Από τότε, συνεχίζει να εξελίσσεται, διατηρώντας τη σημασία και την κυριαρχία του στην αυτοκινητοβιομηχανία. Η καινοτόμος διαδικασία ανάπτυξης του BIONICAST κέρδισε το βραβείο Material Design + Technology του 2022 στην κατηγορία ‘Best of Process’. Μέχρι το 2039, με τη βοήθεια των αρχών μειωμένης κατανάλωσης πόρων και του δυναμικού ελαφριάς κατασκευής του Bionicast, η Mercedes Benz στοχεύει στην επίτευξη του γενικού στόχου της καθαρής μηδενικής εκπομπής άνθρακα σε ολόκληρη τη αλυσίδα αξίας του στόλου νέων οχημάτων.

Το 2023, η Mercedes Benz ανέφερε έσοδα 153,2 δισεκατομμυρίων ευρώ, αύξηση 3,2 δισεκατομμυρίων ευρώ σε σχέση με τα 150 δισεκατομμύρια ευρώ εσόδων το 2022. Η εταιρεία κατέγραψε EBIT 19,7 δισεκατομμυρίων ευρώ, και το EPS της ανήλθε σε 13,46 ευρώ. 

#2. Biohm

Η Biohm, μια πολυβραβευμένη εταιρεία έρευνας και ανάπτυξης, πιστεύει στη φιλοσοφία του ‘να αφήνουμε τη φύση να ηγείται της καινοτομίας’. Ως αποστολή της, η εταιρεία επιδιώκει την ‘εναρμόνιση των πολιτιστικών και φυσικών συστημάτων μέσω της υπεύθυνης αδειοδότησης καινοτόμων, κλιμακώσιμων βιοτεχνολογιών’.

Μία από τις κορυφαίες τεχνολογίες της Biohm αξιοποιεί τη δύναμη του Μυκήλιο—της φυτικής ριζικής δομής των μανιταριών. Η εταιρεία χρησιμοποιεί αυτήν την τεχνολογία για την παραγωγή λύσεων υψηλής επίπτωσης και απόδοσης στην ανάπτυξη εξελιγμένων εξαρτημάτων όπως σωματιδικά σύνθετα υλικά, ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά, μονολιθικά υλικά και μονολιθικά υλικά παρόμοια με πολυμερή. Αυτά είναι κατάλληλα για χρήση στους τομείς της κατασκευής, των καταναλωτικών ή λιανικών προϊόντων, εξειδικευμένων συσκευασιών, εσωτερικών χώρων, επίπλων και μόδας.

Μέσω της τεχνολογίας ‘Orb’, η Biohm μετατρέπει μερικά από τα ταχύτερα αναπτυσσόμενα ‘ρεύματα αποβλήτων’—τροφικά και γεωργικά απορρίμματα—σε πολύτιμα και λειτουργικά προϊόντα υψηλής απόδοσης. Αυτά τα προϊόντα μπορούν να διαμορφωθούν σε φύλλα και να χυλώνονται σε περίπλοκα τρισδιάστατα σχήματα και τρισδιάστατα εκτυπωμένα προϊόντα.

Επιπλέον, η Biohm προσφέρει ένα προ‑κατασκευασμένο σύστημα κατασκευής που δεν απαιτεί μόνιμους συνδετικούς ή στεγανοποιητικούς παράγοντες, δημιουργώντας ανθεκτικές, υψηλής ποιότητας δομές. Εμπνευσμένο από τη μαθηματική γεωμετρία των μοριακών δεσμών του άνθρακα, αυτό το σύστημα μπορεί να μειώσει το περιβαλλοντικό αποτύπωμα, το κόστος και τον χρόνο κατασκευής ενός κτιρίου κατά 120%, 70% και 95% αντίστοιχα.

Σε μία από τις επαναστατικές προσπάθειες βιοαποκατάστασης, η Biohm, σε συνεργασία με τις Waitrose & Partners και Power To Change, ανέπτυξε τέσσερις στελέχη Μυκήλιο που μπορούν να καταναλώνουν πλαστικά, συμπεριλαμβανομένων των Πολυουρεθάνων (PU), Πολυαιθυλενίου (PE), Πολυστυρενίου (PS) και Πολυεστέρα (PET). Εκμεταλλευόμενη αυτήν την τεχνολογία κεντρική στο μυκήλιο, τα πλαστικά μπορούν να διασπαστούν σε σάκχαρα, αβλαβείς υδρογονάνθρακες και διοξείδιο του άνθρακα. Το Μυκήλιο καταναλώνει τα σάκχαρα και τους υδρογονάνθρακες, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπεται σε οξυγόνο μέσω φωτοσυνθετικών οργανισμών.

Σύμφωνα με εκτιμήσεις της βιομηχανίας, η η εταιρεία έχει καταφέρει να συγκεντρώσει χρηματοδότηση ύψους 1,73 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ μέχρι σήμερα. 

Το μέλλον της βιο‑εμπνευσμένης αεροδυναμικής και ρευστοδυναμικής

Η επανεξέταση της αεροδυναμικής και της ρευστοδυναμικής με έμπνευση από τη φύση έχει κινητοποιήσει ερευνητές παγκοσμίως. Στο Εργαστήριο Βιο‑Εμπνευσμένης Πτήσης του Πανεπιστημίου Bristol, υπό την ηγεσία του Δρ. Shane Windsor, για παράδειγμα, οι ερευνητές διερεύνησαν μια σειρά από πτυχές ανίχνευσης και ελέγχου της πτήσης των ζώων και πώς αυτές θα μπορούσαν να βελτιώσουν τις τεχνολογίες μηχανικής, ειδικά τη λειτουργία μικρής κλίμακας μη επανδρωμένων αεροσκαφών (UAVs). (MBG.DE )

Μία από τις μεγαλύτερες μάρκες παγκοσμίως, η Lockheed Martin (LMT ), αντλεί έμπνευση για το Skunk Works της από τα σκαθάρια Hercules των τροπικών κεντρικών και νότιων Αμερικής, ώστε να σκοτεινιάζει ή φωτίζει οργανικά ώστε να ταιριάζει με την καθημερινή αλλαγή χρώματος της γύρω βροχοδάσης. Οι ερευνητές στο Skunk Works πιστεύουν ότι η μίμηση αυτής της ιδιότητας θα μπορούσε να βελτιώσει την κατασκευή σύνθετων αεροπορικών εξαρτημάτων, αναπτύσσοντας αισθητήρες που μπορούν να ειδοποιούν τους τεχνικούς όταν μια σύνθετη δομή βρίσκεται στο σωστό επίπεδο υγρασίας για να προχωρήσει στο επόμενο βήμα της διαδικασίας κατασκευής.

Σύμφωνα με τον Thomas Koonce, υπεύθυνο του Χαρτοφυλακίου Επαναστατικής Τεχνολογίας του Skunk Works, «Οι αισθητήρες αλλαγής χρώματος θα ήταν ένας γρήγορος, οικονομικός, αξιόπιστος τρόπος για να προσδιοριστεί αν οι συνθήκες είναι σωστές για την κατασκευή». Ο Koonce το χαρακτηρίζει ως ‘λύση χαμηλού κόστους, χαμηλής εργατικής ανάγκης’.

Στο Κέντρο Έρευνας Glenn της NASA στο Οχάιο, οι μουστάρες των φώκιας λιμάνων έχουν εμπνεύσει τον ερευνητή Vikram Shyam να σχεδιάσει πτερύγια τουρμπίνας χαμηλής αντίστασης για το Πρόγραμμα Προηγμένης Τεχνολογίας Αεροπορικής Μεταφοράς, το οποίο επιδιώκει την ανάπτυξη επαναστατικής ενεργειακής αποδοτικότητας για αεροπλάνα σταθερού πτερυγίου.

Παρόμοια, ο Isaiah Blankson, ανώτερος τεχνολόγος στο Κέντρο Έρευνας Glenn της NASA στο Οχάιο, έχει εμπνευστεί από την ακροβατική ακρίβεια των κολυμπητικών πιγκουίνων για να αναπτύξει το πρόγραμμα Low‑Boom Flight Demonstration που προσπαθεί να μειώσει τις ηχητικές εκρήξεις με αεροδυναμικό σχήμα.

Η έμπνευση από τη φύση έχει βοηθήσει τους ανθρώπους να βελτιώσουν σημαντικά τις λύσεις αεροδυναμικής και ρευστοδυναμικής. Η σοφία της φύσης και των ζωικών βασιλείων, που έχει διαμορφωθεί σε εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια εξελικτικών πρακτικών και τακτικών επιβίωσης, προσφέρει πλούσια σοφία για καλύτερες μηχανικές λύσεις που είναι αποδοτικές, χαμηλού κόστους και βιώσιμες.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς η ρομποτική παίρνει έμπνευση από τη φύση.