Insinöörit etsivät inspiraatiota luonnosta suunnitellessaan 3D-tulostettuja vesisuodatusratkaisuja

Luonto on aina inspiroinut insinöörejä, arkkitehteja, teknologian tutkijoita ja tiedemiehiä ympäri maailmaa. Linnut ovat inspiroineet lentoteknologiaamme. Preerian ekosysteemit ovat kannustaneet ihmiskunta kehittämään kestävämpiä ja tehokkaampia maatalousjärjestelmiä. Kukkien spiraalivirrat ovat inspiroineet tehokkaita vesisekoitusjärjestelmiä. Burin siemenet ovat inspiroineet tarranauhaa. Lista jatkuu loputtomiin!

Nyt on julkaistu tieteellinen raportti, jossa MIT:n insinöörit osoittavat, miten mobulakaraan ainutlaatuinen suodatusruokailutekniikka ja sen erikoistuneet rakenteet voisivat inspiroida tehokkaampia teollisia vesisuodattimia. 

Ennen kuin syvennymme löytöön, tarkastellaan lyhyesti mobulakaroja.

Mitä mobulakarat ovat?

Myös lentäviksi rannoiksi kutsutut, Mobulakarat ovat olentoja, joilla on suuret, litteät, timanttimaiset vartalot ja pitkät evät, joiden avulla ne liukuvat veden läpi – ja myös ilman.  Nämä kalat kokoontuvat säännöllisesti hyppäämään merestä ja heittäytyvät ilmaan, usein hyppien noin kahden metrin korkeudelle vedestä ennen kuin ne putoavat takaisin roiskahduksen kanssa.

Kuten Natural History Museum toteaa, mobulakarat suodattavat ruokaa, eli ne suodattavat planktonin vedestä suunsa avulla, ja ne kerääntyvät usein suurina parvina. Mutta miten ne voisivat toimia inspiraationa 3D-tulostettujen vesisuodatusratkaisujen suunnittelussa? Keskustelemme tästä seuraavassa osassa.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten robotiikka voi ottaa vihjeen luonnosta.

Mobulakaroiden seuraaminen vesisuodatuksessa

Mobulakaran suodatuslaitteisto muistuttaa teollisia ristiinvirtaus-suotimia, mutta toimii eri parametrien alueella. Yhdistääkseen teollisen ristiinvirtaus-suotimen ja mobulakaran suodatuksen välinen kuilu, tutkijat loivat yleisen kehyksen läpäisevyyden–valikoivuuden kompromissille vuotavassa kanavassa.

Tutkijat väittävät, että he ovat onnistuneesti osoittaneet, että mobulakaran suodattimien geometria on kehittynyt tasapainottamaan hengitystä ja ruokailua, ja että tästä on johdettu suunnitteluperiaatteita, jotka ylittävät perinteiset suodatusmallit. Tuloksena on mobulakaroista inspiroitujen suodatuslaitteiden luominen. 

Vaikka kaikki tämä saattaa kuulostaa monimutkaisilta biomimetiikan harjoituksilta, mekanismin seuraaminen on helpompaa, jos tarkastelemme mobulakaroja hieman tarkemmin. Mobulakarat ruokailevat uiden avoimella suulla planktonirikkaiden merialueiden läpi ja suodattamalla planktonihiukkasia kurkkuunsa, kun vesi virtaa suun kautta ja poistuu kidusten läpi.

Mobulakaran suun pohja on kummallakin puolella päällystetty rinnakkaisilla, kammion kaltaisilla rakenteilla, joita kutsutaan levyiksi, ja jotka siirtävät vettä kiduksiin. Nämä levyt ovat avain nykyiseen tutkimukseen, josta puhumme tässä.

MIT:n tutkijaryhmä on osoittanut, että näiden levyjen mitat voivat mahdollistaa saapuvan planktonin pomppimisen levyjen poikki ja syvemmälle karan onteloon sen sijaan, että se poistuu kidusten kautta. Lisäksi mobulakaran kidukset voivat imeä happea ulostuloveteen, mikä auttaa samanaikaisesti hengittämään ruokailun aikana.

Tutkimuksen mukaan kirjoittaja Anette \”Peko\” Hosoi, MIT:n Pappalardo-professori koneinsinööriopissa:

“Me (tutkijat) osoitamme, että mobulakara on kehittänyt näiden levyjen geometrian juuri sopivaksi tasapainottamaan ruokailua ja hengitystä.”

Tutkijat suunnittelivat vesisuodattimen mobulakaran planktonisuodatuksen ominaisuuksien mukaisesti. Tämän jälkeen he tutkivat, miten vesi voisi virrata suodattimen läpi, kun siihen on asennettu 3D-tulostettuja levymaisen rakenteita. Näistä harjoituksista saadut tulokset koottiin suunnitelmaksi, jota suunnittelijat voivat käyttää teollisten ristiinvirtaus-suotimien optimointiin, jotka ovat laajasti samankaltaisia mobulakaran kokoonpanon kanssa.
Johtavan kirjoittajan ja MIT:n postdocin Xinyu Maon mukaan:

“Haluamme laajentaa perinteisen ristiinvirtaus-suotimen suunnittelutilaa uusilla tiedoilla mantakaroista.”

Selittäessään laajennuksen luonnetta, tutkija sanoi:

“Ihmiset voivat valita mobulakaran parametrialueen, jotta he voisivat mahdollisesti parantaa suodattimen kokonais suorituskykyä.”

Omassa mobulakaran inspiroimassa suodatusmallissaan tutkimusryhmä loi yksinkertaisen suodattimen. Suunnitelma, joka tunnetaan nimellä ‘vuotava kanava’, muistuttaa putkea, jossa on reikiä sen sivuilla. Tarkemmin sanottuna ‘kanava’ koostui kahdesta litteästä akryylilevystä, joiden väliin oli pieni väli, jonka kautta neste virtaa. Kanavan toisessa päässä tutkijat asettivat 3D-tulostettuja rakenteita, jotka jäljittelivät mobulakaran suun sisällä olevia uraisia levyjä.

He testasivat asetelmaa pumppaamalla vettä kanavan läpi eri nopeuksilla. He lisäsivät värillistä väriainetta saadakseen tehokkaan visualisoinnin virtauksesta. Kun virtausnopeus kasvoi, vesi loi pyörteitä jokaisen uran suun kohdalla, estäen hiukkasia kulkemasta läpi ja työntäen ne kanavien läpi alaspäin.

Mitä mobulakarat yleensä tekevät, on uida oikealla nopeudella tuottaakseen pyörteitä, jotka ansaitsevat jopa pienimmät planktonihiukkaset, jolloin loput vedestä virtaavat ulos kidusten kautta. Tämä oivallus on avain ihanteelliseen suunnitelmaan teollisten ristiinvirtaus-suotimien optimointiin, tarjoten käytännön ohjeita suodattimien suunnittelun parantamiseen.

1. Ford

Yksi maailman arvostetuimmista automerkkeistä – Ford – sai inspiraationsa mehiläisistä suunnitellakseen kevyen mutta vahvan hunajakennoisen tavaratelineen täysin uudelle EcoSport SUV:lleen. Ford EcoSportissa oli säädettävä tavaratason levynsä, joka oli valmistettu korkealujuudesta 100 prosenttia kierrätetystä paperihunajakennoista, auttaen kompakteja SUV-asiakkaita tekemään enemmän vähemmällä.

Valmistettu täysin luonnollisesta paperista ja vesipohjaisesta liimasta, kuusi paunaa painava hunajakennoinen lattialauta oli sekä ympäristöystävällinen että tarpeeksi vahva kantamaan lähes 700 paunaa tavaraa. Alun perin mehiläisistä johdettu biomimetiikkateknologia otettiin käyttöön kotitalousovien valmistuksessa 50 vuotta sitten. 

Kun puhutaan luonnosta inspiroituneesta suunnittelusta heidän autoissaan, Mike Maxzzella, Ford EcoSportin apulaispääinsinööri, sanoi:

“Hunajakennoisen kuusikulmaisen muotoilun on todiste luonnon nerokkuudesta. Se ei ole vain vahva, vaan myös erittäin kevyt. Asiakkaat voivat liu’uttaa hyllyn useisiin eri lokeroihin, kuten uuniritilään, ja jopa säilyttää sen istuinten takana. Tämä tekee EcoSportista erittäin joustavan jokapäiväisessä käytössä.” 

EcoSportin hylly painoi vain kuusi paunaa. Siitä huolimatta se on suunniteltu kestämään lähes 700 paunaa 38,5 tuuman x 25,25 tuuman alueella. Toisin sanoen, tämä hylly voi pitää lukemattomia yhdistelmiä raskaita esineitä, kuten viisi betonisäkin säkkiä (94 paunaa kukin), neljä suurta maaperäsäkkä (40 paunaa kukin) ja kahdeksan yksittäistä galona vettä (hieman yli kahdeksan paunaa kukin).

Ford on aina ollut yritys, joka on jatkuvasti kääntynyt luonnon toimintoihin ymmärtääkseen, miten sen tuotteita voitaisiin parantaa, tehdä tehokkaammiksi ja kestävämmiksi. Lähes vuosikymmen sitten, vuonna 2015, yritys alkoi tutkia biomimetiikkaa järjestelmällisesti. Se ilmoitti tutkimusyhteistyöstä Procter and Gamble -yrityksen kanssa luodakseen uusia liimoja Biomimicry Instituutin avustuksella, voittoa tavoittelemattomalla organisaatiolla, joka puolusti luonnosta inspiroitujen ratkaisujen omaksumista.

Kun puhutaan tällaisten kumppanuuksien tärkeydestä, Biomimicry Instituutin toimitusjohtaja Beth Rattner sanoi seuraavaa:

“Mielestäni on kriittistä, että joku kuten Ford sanoo: ‘Panostamme tähän ei vain siksi, että uskomme sen olevan parempi, kestävämpi suunnittelu, vaan jotta ihmiset kiinnittävät enemmän huomiota luonnolliseen organismiin prosessissa.'”

Vuonna 2015 yritys yritti kehittää uusia liimoja tutkimalla Tokay-gekonkojan varpaanpohjia, jotka mahdollistavat liskon juoksun kattopinnalla ja lasi-ikkunoilla. Ford näki tämän mahdollisuutena nostaa ajoneuvojensa kierrätysasteita jopa 10 prosentilla, sillä gekon varpaan inspiroitu liima voisi mahdollistaa autonvalmistajalle paremman erottelun muovien ja vaahtojen sekoituksesta, joka jää jäljelle auton on riisuttu metalliosistaan.
Debbie Mielewskin, tuolloin Fordin muovien ja kestävyyden tutkimuksen vanhemman teknisen johtajan, mukaan:

“Jos pystyisimme erottamaan sen, jos pystyisimme tunnistamaan erilaiset virtaukset sen sisällä, meillä olisi paljon parempi mahdollisuus käyttää niitä korkeamman tason sovelluksiin.”

2.  The Procter and Gamble Company

Toinen merkittävä yritys, joka on eturintamassa oppimassa parempia tuotesekoitusperiaatteita luonnosta, on Procter and Gamble. Vuonna 2024 Procter and Gamble solmi kumppanuuden Basecamp Researchin kanssa, joka kartoittaa geneettistä monimuotoisuutta AI-pohjaista proteiinisuunnittelua varten, nopeuttaakseen korkeatehoisten puhdistusentsyymien kehittämistä kylmävesiolosuhteisiin.
Kumppanuus pyrki oppimaan kylmiin ympäristöihin sopeutuneista organismeista suunnitellakseen uusia entsyymejä, joilla on parempi kylmäpesun suorituskyky AI:n avulla. Kun puhutaan kumppanuuden tarkoituksesta ja siitä arvosta, jonka P&G haluaa siitä saada, tohtori Philip Souter OBE, P&G:n pesuaineiden tutkimus- ja kehitysosaston vanhempi johtaja, sanoi seuraavaa:

“Olemme iloisia voidessamme tehdä yhteistyötä Basecamp Researchin kanssa tässä aloitteessa, työskennellen yhdessä kehittääksemme uusia ratkaisuja yhdistämällä heidän ainutlaatuisen näkemyksensä luonnosta ja AI-kyvykkyyden laajaan innovaatiotaitoon, jotta voimme tarjota parempaa kuluttajakokemusta.”

P&G:llä oli erityisiä suunnitelmia hyödyntää Basecamp Researchin kykyjä ymmärtää miljoonien organismien geneettistä monimuotoisuutta kylmissä ympäristöissä ja käyttää sitä parantamaan tehokkuutta alhaisemmissa pesulämpötiloissa, jotta kuuman veden tarve vähenisi – mikä on parempi ympäristölle ja lämmityslaskuille.

Procter and Gamble sai myös inspiraatiota Biomimicry 3.8:n tutkimuksesta, joka otti oppeja käärmeistä ja leijonista paremman pesuaineen suunnitteluun. Biomimicry 3.8 on maailman johtava konsultointi- ja ammatillinen koulutusyritys, joka keskittyy luonnonmyönteiseen suunnitteluun ja innovaatioon.

Yksi Biomimicry 3.8:n tutkimuksista tarkasteli pyykinpesuaineiden tahrojen poistotehokkuuden parantamista. Keskittymällä syviin biologisiin malleihin Biomimicry 3.8 tunnisti 30 ainutlaatuista biologista strategiaa, joilla on potentiaalia ratkaista veritahrojen poistamisen haastava ongelma kankaista. Tutkimus tarkasteli, miten käärmeet ja leijonat toimivat, koska ne ovat monien veren sulattavien organismien joukossa ja niitä pidetään yhtenä vaikeimmista tahrojen aiheuttajista.

Nämä organismit, muiden lisäksi, tarjosivat arvokkaita suunnittelutunteja ratkaisuun, jolla on potentiaalia rajoittaa kloorin, jäteveden ja energian käyttöä tahrojen poistossa. Tämän tutkimuksen ansiosta P&G:n T&K-osasto siirsi koko tutkimuspanoksensa. Pääasiallinen tutkija Yousef Aouad sanoi, että työ antoi tiimille veritahromallin, jossa on käsitteellinen ymmärrys peräkkäisistä vaiheista veritahrojen poistamiseksi.

“Mutta tärkeintä on, että malli selittää nyt myös jälkikäteen: Miksi nykyiset entsyymimme eivät pysty tekemään tehtäväänsä veritahrojen poistossa?”

– Yousef Aouad

Oppiminen luonnosta ja sen jatkuva inspiroituminen on johtanut yhä suurempaan kasvuun yrityksen tarjonnassa ja monipuolistanut sen tuotevalikoimaa. Yrityksen liikevaihto koki tasaisen kasvun nettomyynnissä. Se kasvoi 71 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuonna 2020 84 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuonna 2024. Liikevoitto nousi myös 15,7 miljardista Yhdysvaltain dollarista 18,5 miljardiin Yhdysvaltain dollariin.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten lehtijänikset voivat opettaa meille valon manipulointia.

Luonnosta inspiroituneiden suunnittelujen tulevaisuus

Yritykset ovat yhä kiinnostuneempia hakemaan inspiraatiota luonnosta, koska niiden suunnittelut ovat kestäviä, ympäristöystävällisiä, kykenevät optimoimaan käytettävissä olevat resurssit ja joustavia riittävän mukautumaan erilaisiin ilmasto-olosuhteisiin. 

Yksi viimeaikaisimmista ja erittäin suositusta luonnon jäljittelyistä suunnittelussa ja tekniikassa oli, kun Mercedes Benz kehitti Bionic Car -auton, ammentaen inspiraatiota laatikkokalan suuresta rakenteellisesta vahvuudesta ja kevyestä massasta. Auto raportoitiin vähentävän vastusta samalla kun se osoitti merkittävää jäykkyyttä, alhaista painoa ja huomattavasti alhaisempaa polttoaineenkulutusta kuin perinteiset autot. 

Japanissa luotijunien suunnittelu inspiroi kuninkaskalaa. Mestareita matkustamaan ilmasta veteen hyvin vähäisellä roiskauksella, nämä junat inspiroivat Shinkansen bullet train -mallin pitkällä nokkamaiseen nokalla. Suunnittelu vähensi merkittävästi junan aiheuttamaa melua, käytti 15 prosenttia vähemmän sähköä ja kulki 10 prosenttia nopeammin kuin aiemmin.

Lähes kaksi vuosikymmentä sitten toinen MIT-tutkijaryhmä loi uuden materiaalin, joka pystyi sieppaamaan ja hallitsemaan pieniä vesimääräisiä. Suunnittelu sai inspiraation sentin kokoisista kovakuorista. Materiaali yhdisti superhydrofobisen (veden hylkivän) pinnan superhydrofiilisten (veden vetävien) nystyröiden kanssa, jotka sieppasivat vesipisarat ja hallitsivat veden virtausta. 

Uuden materiaalin mahdollisia sovelluksia olivat veden kerääminen, laboratoriolaitteiston miniaturisointi (diagnostiikkaa ja DNA-tutkimusta varten) sekä mikrosähkövirtauslaitteiden ja jäähdytyslaitteiden luominen.

Biomimetiikan historia on yhtä vanha kuin ihmiskunnan sivilisaatio itse. Esimerkit eivät rajoitu vain tekniikkaan, vaan myös arkkitehtuuriin. Arkkitehtuurissa biomimetiikka ilmenee kestävien ja tehokkaiden rakennusten suunnittelussa, jotka ovat sopusoinnussa luonnon kanssa. Usein kutsuttuja biomimettisiksi arkkitehtuureiksi, nämä rakennukset ammentavat inspiraatiota luonnosta tullakseen energiatehokkaiksi, bioklimatisiksi, kestäviksi, mukautuviksi, resilientiksi ja kestäviksi. 

Kuitenkin, jotta biomimetiikasta tulisi tehokkaampi prosessi, työkalujen on kehitettävä tehokkaammiksi. Suunnittelijoiden mukaan, vaikka biomimetiikkatyökaluja on runsaasti, useimmat biomimetiset työkalut auttavat suunnittelijoita luomaan konsepteja ja kartoittamaan nämä konseptit biomimetiikan alalta mahdollisiin sovelluksiin, mutta nämä työkalut tarjoavat vähän konkreettista ohjeistusta biologisten konseptien kääntämiseen valmistettaviksi prototyypeiksi.

Kuitenkin on havaittu merkittävä investointien kasvu teknologiaan, joka auttaa meitä omaksumaan luonnonpohjaisia suunnitelmia arkipäiväisiin sovelluksiin. Arvioiden mukaan globaali biomimetisen teknologian markkina voi kasvaa 6,8 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna 2017 18,5 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna 2028. 

Aikaisemmin teknologian ja koneiden tarkoitus oli tehdä elämästämme yksinkertaisempaa automatisoimalla toistuvia ja toistuvia tehtäviä. Nykyään teknologian on oltava kestävyysorientoitunutta, jotta se käyttää käytettävissä olevia resursseja harkiten ja jättää mahdollisimman vähäisen vaikutuksen planeettaamme hiilidioksidipäästöjen osalta.

Luonnosta inspiroituneet suunnittelut voisivat olla loistava tapa tehdä teknologiasta tehokkaampaa. Tämä luonnosta inspiroituneen suunnittelun piirre auttaisi saamaan enemmän huomiota ja investointeja tulevina päivinä.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon huipputeknologioista, joilla on pelottava potentiaali.