Aero- ja fluididynamiikan uudelleenkuvittelu Venus-kukkakori-lasikasvin avulla

Lasikasvit, joita tavallisesti esiintyy syvässä valtameressä, kuuluvat Hexacitinellida-luokkaan. Ne saavat nimensä kudoksistaan, jotka koostuvat lasimaisista rakenteellisista hiukkasista, jotka on tehty piidioksidista. 

Lasikasvien luusto on evoluution mekanismi, joka auttaa niitä torjumaan syvänmeren petoja yhdistämällä itsensä luontaisesti ja orgaanisesti erilaisiin kemikaaleihin. 

Epäilemättä kehittyneitä, lasikasvit ylläpitävät itseään tarttumalla kovaan pintaan ja kuluttamalla pieniä bakteereja ja planktonia, jotka suodatetaan ympäröivästä vedestä. 

Jotkut lajit voivat muodostaa merkittävästi suuria spikkeleitä, jotka muodostavat lasitalon sulautumalla kauniiksi kuvioiksi. Nämä luustorakenteet viihdyttävät usein tutkijoita, koska ne pysyvät elossa jopa sen jälkeen, kun sieni on kuollut, ja useat syvänmeren eläimet käyttävät näitä rakenteita koteinaan!

Tunnetuin lasikasvi

Kaikkien syvänmeren lasikasvien joukossa Venus-kukkakori, Euplectella-laji, on erityisen tunnettu. Se on kehittynyt niin, että sen luusto vangitsee tietyn äyriäislajin elinikäisesti. Nämä äyriäiset lisääntyvät, ja niiden jälkeläiset etsivät omia uusia kukkakorikseen. Tyypillisesti nämä sienet toimivat elinikäisinä koteina kahdelle pienelle, katkarapua muistuttavalle Stenopodidea-äyriäiselle, uros- ja naaras. 

Tämä ominaisuus toimia luonnollisena asuntona syvänmeren olennoille on aina herättänyt kiinnostusta Venus-kukkakori-lasikasvia kohtaan. Tämä uteliaisuus on nyt saanut tutkijat löytämään toisen merkittävän piirteen näissä olennoissa: niiden kyvyn suodattaa ravintoa ilman pumppausta.

Luonnollinen ‘nollaprosenttinen’ virtauksen hallinta Venus-kukkakori-lasikasvin avulla

Yksi näiden muinaisten eläinten uskomattomista saavutuksista on niiden kyky suodattaa ravintoa ilman pumppausta, luottaen pelkästään syvänmeren heikon ympäröivän virtauksen voimaan. Mutta miten tämä on mahdollista? Tämä on se, mitä Rooman Tor Vergata -yliopiston ja NYU Tandon School of Engineeringin tutkijaryhmä on tutkinut. Käyttämällä äärimmäisen tarkkoja tietokonesimulaatioita he analysoivat Venus-kukkakori-lasikasvin luustorakennetta. Tulokset olivat, sanoen vähitenkin, järisyttäviä. Lisäksi niissä oli hämmästyttävää potentiaalia moniin insinöörisovelluksiin. 

Selittäessään kokeen läpimurto-ominaisuuksia, NYU Tandon Institute -professori ja sen Center for Urban Science + Progress (CUSP) -keskuksen johtaja Maurizio Porfiri, joka oli mukana tutkimuksen johdossa ja valvoi sitä, sanoi:

“Tutkimuksemme ratkaisee viime vuosina syntyneen kiistan: Venus-kukkakori-lasikasvi saattaa pystyä ottamaan ravinteita passiivisesti, ilman aktiivista pumppausmekanismia. Se on uskomaton sopeutuminen, jonka avulla tämä suodatussyöjä voi menestyä virtauksissa, jotka normaalisti eivät sovellu suspensiosyöntiin.”

Periaatteessa nämä lasikasvien eläimet käyttävät ainutlaatuista luustorakennetta ohjaamaan syvänmeren erittäin hitaat virtaukset ylöspäin kohti niiden keskiosaa. Tämä mekanismi suodattaa planktonin ja muun meridettien vedestä, jonka sienet käyttävät ravinnoksi. Spiraalimainen, ryhmittynyt ulkopinta lasikasvin luustorakenteessa toimii kuin spiraalinen tikapuu, nostamalla vettä ylöspäin sen huokoisen, ruudukkomaisen kehyksen läpi ilman pumppausenergiaa. 

Lasikasvin merkittävin ominaisuus on sen luonnollinen ilmanvaihto, joka toimii täydellisesti syvänmeren lähes paikallaan olevassa pohjassa. Tämä on se, miten nämä syvänmeren lajit ovat kehittyneet, sopeutuen ankaraan ympäristöön ja passiivisesti keräten ruokaa erittäin hitaassa virtauksessa. 

Tor Vergata -yliopiston Romassa toimivan Giacomo Falcuccin mukaan:

“Sieni on löytänyt elegantin ratkaisun ravinteiden saannin maksimoimiseksi toimien täysin passiivisten mekanismien avulla.”

Näiden hämmästyttävien oivallusten saavuttaminen ei ollut helppoa. Tutkijoiden kesti useita vuosia rakentaa riittävät tilat, jotka pystyivät ymmärtämään ilmiön pienimmätkin yksityiskohdat.

Tutkimuksen tavoitteeseen pääsemiseen auttaneet tilat 

Tutkijat hyödynsivät CINECA:n Leonardo-supertietokonetta, voittoa tavoittelematonta konsortioa, joka ylläpitää suurinta italialaista laskentakeskusta ja on yksi maailman tärkeimmistä.

Tämä tehokas supertietokone auttoi tutkijoita kehittämään elävän näköisen 3D-replikan sienestä, jossa oli sata miljardia yksittäistä pistettä, jotka toistivat sienin monimutkaisen spiraalisen ryhmän rakenteen. Leonardon valtava laskentateho mahdollisti kvadrillioiden laskelmien suorittamisen sekunnissa, simuloiden laajaa valikoimaa vesivirtausten nopeuksia ja olosuhteita.

Tutkimukseen osallistuvien mukaan tutkimuksen tulokset voivat johtaa moniin innovatiivisiin insinööriratkaisuihin. Alla tiivistämme muutaman tällaisen innovatiivisen idean. 

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten valoa voidaan manipuloida lehtihyönteisten avulla.

Tutkimuksen todellisen elämän sovellusmahdollisuudet

Tämän tutkimuksen edeltäjä on vuoden 2021 tutkimus, jonka sama tiimi toteutti. Tässä tutkimuksessa tiimi tarkasteli erityisesti, miten Venus-kukkakori-lasikasvi voisi parantaa ihmisen valmistamia rakenteita. Tiimi uskoi, että sen tutkimus sienirakenteen roolista fluidivirtoihin reagoimisessa olisi monia vaikutuksia korkean rakennusten ja erilaisten mekaanisten rakenteiden suunnitteluun, mukaan lukien pilvenpiirtäjät, aluksille suunnitellut vähävastuksen uudet rakenteet ja jopa lentokoneiden runkorakenteet. 

Tor Vergata -yliopiston Romassa toimivan Giacomo Falcuccin mukaan vuoden 2021 koe lasikasvilla auttoi vastaamaan kysymyksiin kuten:

“Olisiko korkean rakennuksen aerodynaamista vastusta vähemmän, jos se rakennettaisiin vastaavalla ryhmien ja reikien verkostolla? Optimoisiko se sovellettavien voimien jakautumisen?” 

Nykyinen tutkimus, joka syventyy lasikasvin biometrisiin insinöörinäkökulmiin, voisi auttaa suunnittelemaan tehokkaampia reaktoreita optimoiduilla virtamalleilla ja minimoidulla ulkoisella vastuksella. 

Lasikasvin ryhmittyneiden ja huokoisten pintojen sisäinsinööriperiaatteiden noudattaminen voisi lisätä ilman suodatusta ja ilmanvaihtojärjestelmiä pilvenpiirtäjissä ja muissa rakenteissa. Epäsymmetriset spiraaliset ryhmät, esimerkiksi, saattavat inspiroida vähävastuksen runkoja tai runkorakenteita, jotka pysyvät virtaviivaisina samalla kun edistävät sisäistä ilmavirtausta. 

Vuodesta 2021 vuoteen 2024 Venus-kukkakori-lasikasvien tutkimus jatkui, paljastaen jatkuvasti, miten tämä bioinsinöörimysteeri voisi inspiroida lisää todellisia sovelluksia. 

Luonnon hyödyntäminen suunnittelun inspiraationa tuotteissaan on auttanut monia yrityksiä parantamaan tehokkuutta ja tuomaan optimointia. 

#1. Bionic Cars by Mercedes Benz

Maaliskuussa 2024 Mercedes Benz, selittäessään suunnittelufilosofiaa yhden uusimman mallinsa, Vision EQXX, takana, sanoi seuraavaa:

“Kun puhutaan kevyestä rakenteesta, luonto on edelleen paras roolimalli: laatikkokalat, arktinen tavi – monet eläimet ovat kehittyneet optimaalisiksi ruumiinmuodoiksi ja muiksi kyvyiksi, jotka mahdollistavat niiden migraatioreittien kulkemisen minimaalisen energian kulutuksella. Enimmäistehokkuus oli myös ohjaava periaate teknologiaohjelmassa, joka tuotti VISION EQXX:n – minkä vuoksi osa alustan rakenteesta perustuu luonnollisiin muotoihin ja bionisiin suunnitteluperiaatteisiin.” 

Yritys on nimennyt bio-inspiroitua materiaalinkäyttöfilosofiaansa Bionicast-prosessiksi. Tämä lähestymistapa suosittelee materiaalin käyttöä vain siellä, missä kuormituspolut ovat tarpeellisia. Tämän seurauksena bioniset elementit omaavat jatkuvasti vaihtelevan seinämän paksuuden ja aukot, jotka muistuttavat luurankoa. 

Yritys uskoo, että bio-inspiroitu suunnittelufilosofia on johtanut tuotteeseen, joka on erittäin toimiva ja kompakti, merkittävästi kevyempi. Esimerkiksi bioniset suunnittelut auton takalattialla ovat säästäneet 15–20 % painoa ja materiaalia. Pyyhkijämotorin kiinnikekin on 20 prosentin painoetu.

Mercedes-Benz (MBG.DE ) Bionic -auto, joka tunnetaan erinomaisesta aerodynamiikastaan, esiteltiin kesäkuussa 2005 Washingtonissa, DC:ssä. Siitä lähtien se on jatkanut kehittymistään, säilyttäen merkityksensä ja näkyvyytensä autoteollisuudessa. BIONICAST:n innovatiivinen kehitysprosessi voitti vuoden 2022 Material Design + Technology -palkinnon ‘Best of Process’ -kategoriassa. Vuoteen 2039 mennessä, vähennetyn resurssien kulutuksen periaatteiden ja Bionicast:n kevyen rakenteen mahdollistaman potentiaalin avulla, Mercedes Benz pyrkii saavuttamaan kokonaisvaltaisen hiilineutraaliuden koko arvoketjussaan uusien ajoneuvojensa laivastossa.

Vuonna 2023 Mercedes Benz raportoi liikevaihdoksi 153,2 miljardia euroa, mikä on 3,2 miljardia euroa enemmän kuin 2022:n 150 miljardin euron liikevaihto. Yritys kirjasi EBIT:ksi 19,7 miljardia euroa, ja sen osakekohtainen tulos (EPS) oli 13,46 euroa. 

#2. Biohm

Biohm, moninkertaisesti palkittu tutkimus- ja kehitysyhtiö, uskoo ‘luonnon antaman innovaation’ filosofiaan. Sen tehtävänä on ‘harmonisoida kulttuurisia ja luonnollisia järjestelmiä vastuullisen, mullistavien, skaalautuvien bioteknologioiden lisensoinnin kautta.’

Yksi Biohm:n lippulaivateknologioista hyödyntää sienirihman – sienten kasvillisen filamentoidun juurirakenteen – voimaa. Yritys käyttää tätä teknologiaa tuottamaan suurta vaikutusta ja suorituskykyä tarjoavia ratkaisuja kehitettäessä kehittyneitä komponentteja, kuten hiukkaskomposiitteja, kuituvahvistettuja komposiitteja, monoliittisia materiaaleja ja polymerimaisia monoliittisia materiaaleja. Näitä sovelletaan hyvin rakennusalalla, kuluttaja- tai vähittäistuotteissa, erikoispakkauksissa, sisustuksessa, huonekaluissa ja muotialalla. 

Orb-teknologiansa avulla Biohm muuntaa joitakin nopeimmin kasvavista ‘jätteiden virtauksista’ – ruoka- ja maatalousjätteistä – arvokkaiksi ja toiminnallisiksi korkean suorituskyvyn tuotteiksi. Nämä tuotteet voidaan muotoilla levyiksi ja muovata monimutkaisiksi 3‑D‑muodoiksi sekä 3‑D‑tulostetuiksi tuotteiksi.

Lisäksi Biohm tarjoaa esivalmistetun rakennusjärjestelmän, joka ei vaadi pysyviä sidoksia tai kiinnikkeitä, luoden kestäviä, korkealaatuisia rakenteita. Hiilen molekyylisidosten matemaattisen geometrian inspiroimana tämä järjestelmä voi vähentää rakennuksen ympäristövaikutusta, kustannuksia ja rakennusaikaa vastaavasti 120 %, 70 % ja 95 %.,  

Yhdessä mullistavassa bioremediointiprojektissaan Biohm, yhteistyössä Waitrose & Partnersin ja Power To Changen kanssa, kehitti neljä myseeliumikantaa, jotka pystyvät kuluttamaan muoveja, mukaan lukien polyuretaani (PU), polyeteeni (PE), polystyreeni (PS) ja polyesteri (PET). Hyödyntäen tätä myseeliumikeskeistä teknologiaa, muovit voidaan hajottaa sokeriksi, harmittomiksi hiilivedyiksi ja hiilidioksidiksi. Myseelium kuluttaa sokerit ja hiilivedyt, kun taas hiilidioksidi muuttuu hapeksi fotosynteesiä tekevien organismien kautta.

Teollisuuden arvioiden mukaan yritys on kerännyt 1,73 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria rahoitusta tähän mennessä. 

Bio-inspiroituneen aero- ja fluididynamiikan tulevaisuus

Uudelleenkuvitus aero- ja fluididynamiikasta luonnosta ammentamalla on inspiroinut tutkijoita maailmanlaajuisesti. Esimerkiksi Bristolin yliopiston Bio-Inspired Flight Labissa, jota johtaa tohtori Shane Windsor, tutkijat tutkivat laajaa valikoimaa aistimis- ja ohjausasioita eläinten lentämisestä ja siitä, miten ne voisivat parantaa suunniteltuja teknologioita, erityisesti pienten mittakaavan miehittämättömien ilma-alusten (UAV) toiminnassa.

Yksi maailman suurimmista brändeistä, Lockheed Martin (LMT ), on ammentanut inspiraatiota Skunk Works -ohjelmaansa trooppisten Keski- ja Etelä-Amerikan Hercules-sarvikuista, jotta se voisi orgaanisesti tummua tai vaalentua vastaamaan ympäröivän sademetsän päivittäin vaihtuvaa sävyä. Tutkijat Skunk Worksissa uskovat, että tämän ominaisuuden jäljittely voisi parantaa komposiittilentokoneiden osien valmistusta kehittämällä sensorijärjestelmiä, jotka voivat varoittaa teknikkoja, kun monimutkainen rakenne on oikealla kosteustasolla siirtyäkseen seuraavaan valmistusvaiheeseen.

Thomas Kooncen, Skunk Worksin Revolutionary Technology Portfolio -ohjelman vastuuhenkilön, mukaan “Värinvaihtosensorit olisivat nopea, edullinen ja luotettava tapa määrittää, ovatko olosuhteet oikeat valmistukseen.” Koonce pitää tätä “alhaisen kustannuksen, alhaisen työvoiman ratkaisuna”.

Ohion NASA:n Glenn Research Centerissä satamakarhujen viikset ovat inspiroineet tutkija Vikram Shyamia suunnittelemaan vähävastuksen turbiinilevyt Advanced Air Transport Technology -projektille, jonka tavoitteena on kehittää mullistavaa energiatehokkuutta kiinteäsiipisten lentokoneiden osalta. 

Samoin Isaiah Blankson, NASA:n Glenn Research Centerin senioriteknologi Ohiossa, on saanut inspiraatiota uimien pingviinien akrobaattisesta tarkkuudesta kehittääkseen Low-Boom Flight Demonstration -ohjelman, jonka tavoitteena on vähentää äänenjyrähdyksiä aerodynaamisen muotoilun avulla.

Luonnosta ammentaminen on auttanut ihmisiä merkittävästi parantamaan aero- ja fluididynamiikan ratkaisujaan. Luonnon ja eläinkunnan viisaus, jota on hiottu satojen tuhansien vuosien evoluutiokäytännöillä ja selviytymiskäytännöillä, tarjoaa runsaasti viisautta parempiin insinööriratkaisuihin, jotka ovat tehokkaita, edullisia ja kestäviä.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten robotiikka ammentaa inspiraatiota luonnosta.