वीनस फ्लावर बास्केट ग्लास स्पंज के माध्यम से एयरो और द्रव गतिकी की पुनः कल्पना

ग्लास स्पंज, जो आमतौर पर गहरे समुद्र में पाए जाते हैं, हेक्सासिटिनेल्लिडा वर्ग से संबंधित हैं। उनका नाम उनके ऊतकों से आया है, जो सिलिका से बने कांच जैसे संरचनात्मक कणों से मिलकर बनते हैं। 

ग्लास स्पंज की कंकाल एक विकासात्मक तंत्र है जो उन्हें विभिन्न रसायनों के साथ स्वाभाविक और जैविक रूप से मिलकर गहरे समुद्र के शिकारियों से लड़ने में मदद करता है। 

निस्संदेह परिष्कृत, ग्लास स्पंज कठोर सतहों से चिपक कर और आसपास के पानी से फ़िल्टर किए गए छोटे बैक्टीरिया और प्लवक को खाकर अपना पोषण करते हैं। 

कुछ प्रजातियाँ उल्लेखनीय बड़े स्पाइकल बना सकती हैं जो सुंदर पैटर्न में मिलकर एक कांच का घर बनाते हैं। ये कंकाल संरचनाएँ अक्सर वैज्ञानिकों को मोहित करती हैं क्योंकि वे स्पंज के मरने के बाद भी जीवित रहती हैं, और कई गहरे समुद्र के जीव इन संरचनाओं को अपना घर बनाते हैं!

सबसे प्रसिद्ध ग्लास स्पंज

सभी गहरे रहने वाले ग्लास स्पंजों में, वीनस फ्लावर बास्केट, जो Euplectella की एक प्रजाति है, विशेष रूप से प्रसिद्ध है। यह इतना विकसित हो चुका है कि इसकी कंकाल जीवन भर के लिए एक विशेष प्रकार के क्रस्टेशियन को अंदर फँसा लेती है। ये क्रस्टेशियन प्रजनन करते हैं, और उनके संतान अपने स्वयं के नए फ्लावर बास्केट की तलाश करते हैं। आमतौर पर, ये स्पंज दो छोटे, झींगा जैसे Stenopodidea, एक नर और एक मादा, के लिए जीवन भर के घर के रूप में कार्य करते हैं। 

गहरे समुद्र के जीवों के लिए प्राकृतिक आवास के रूप में कार्य करने की यह विशेषता हमेशा से वीनस फ्लावर बास्केट ग्लास स्पंज को जिज्ञासु बनाती रही है। इस जिज्ञासा ने अब शोधकर्ताओं को इन जीवों की एक और उल्लेखनीय विशेषता खोजने के लिए प्रेरित किया है: बिना पंपिंग के फ़िल्टर फ़ीड करने की उनकी क्षमता। 

वीनस फ्लावर बास्केट स्पंज द्वारा प्राकृतिक ‘शून्य ऊर्जा’ प्रवाह नियंत्रण

इन प्राचीन जीवों की एक अद्भुत उपलब्धि यह है कि वे बिना पंपिंग के फ़िल्टर फ़ीड करने में सक्षम हैं, केवल समुद्र की गहराइयों की कमजोर परिवेशीय धारा पर निर्भर रहते हैं। लेकिन यह कैसे संभव है? यही बात रोम टॉर वर्जाटा विश्वविद्यालय और NYU टैंडन स्कूल ऑफ़ इंजीनियरिंग में काम कर रहे शोधकर्ताओं की टीम ने जांची। अत्यधिक उच्च-रिज़ॉल्यूशन कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके, उन्होंने वीनस फ्लावर बास्केट स्पंज की कंकाल संरचना का विश्लेषण किया। नतीजे, कम से कम कहें तो, दिमाग़ हिला देने वाले थे। इसके अलावा, इसमें कई इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए आश्चर्यजनक संभावनाएँ थीं। 

प्रयोग की क्रांतिकारी प्रकृति को समझाते हुए, NYU टैंडन इंस्टीट्यूट के प्रोफेसर और इसके सेंटर फॉर अर्बन साइंस + प्रोग्रेस (CUSP) के निदेशक, मौरिज़ियो पोर्फ़िरी, जिन्होंने अध्ययन का सह-नेतृत्व किया और शोध की सह-पर्यवेक्षण किया, ने कहा:

“हमारा शोध उन बहसों को समाप्त करता है जो हाल के वर्षों में उभरी हैं: वीनस फ्लावर बास्केट स्पंज संभवतः बिना किसी सक्रिय पंपिंग तंत्र के, निष्क्रिय रूप से पोषक तत्वों को खींच सकता है। यह एक अद्भुत अनुकूलन है जो इस फ़िल्टर फ़ीडर को उन धारा में भी फलने-फूलने की अनुमति देता है जो सामान्यतः निलंबन फ़ीडिंग के लिए उपयुक्त नहीं होतीं।”

मूलतः, ये ग्लास स्पंज अपने अनूठे कंकाल संरचना का उपयोग करके गहरे समुद्र की अल्ट्रा-धीमी धारा को मोड़ते हैं, प्रवाह को उनके केंद्रीय शरीर गुहा की ओर ऊपर की ओर निर्देशित करते हैं। यह तंत्र समुद्र के पानी से प्लवक और अन्य समुद्री अवशेषों को फ़िल्टर करता है, जिसे स्पंज भोजन के रूप में उपयोग करते हैं। स्पंज की कंकाल संरचना की सर्पिल, रेज़्ड बाहरी सतह एक सर्पिल सीढ़ी की तरह कार्य करती है, जो बिना पंपिंग ऊर्जा की आवश्यकता के, जल को उसके छिद्रयुक्त, जाली जैसी फ्रेम के माध्यम से ऊपर की ओर खींचती है।

ग्लास स्पंज की सबसे उल्लेखनीय विशेषता इसका प्राकृतिक वेंटिलेशन है, जो गहरे समुद्र के तल की लगभग स्थिरता में पूरी तरह से काम करता है। यह है कि ये गहरे समुद्री प्रजातियाँ विकसित हुई हैं, कठोर पर्यावरण के अनुकूल हो गई हैं और अत्यंत धीमी धारा में निष्क्रिय रूप से भोजन खींचती हैं। 

रोम टॉर वर्जाटा विश्वविद्यालय के जियाकोमो फाल्कुच्ची के अनुसार:

“स्पंज ने पोषक तत्वों की आपूर्ति को अधिकतम करने के लिए एक सुंदर समाधान खोज लिया है, जबकि पूरी तरह से निष्क्रिय तंत्रों के माध्यम से कार्य करता है।”

इन अद्भुत अंतर्दृष्टियों तक पहुंचना आसान नहीं था। शोधकर्ताओं को कई वर्षों तक पर्याप्त सुविधाएँ बनाने में समय लगा, जो इस घटना को सबसे छोटे विवरण तक समझ सकें।

शोध को अपने लक्ष्य तक पहुंचाने में मदद करने वाली सुविधाएँ 

शोधकर्ताओं ने CINECA में स्थित लियोनार्डो सुपरकंप्यूटर का उपयोग किया, जो एक गैर-लाभकारी संघ है जो इटली के सबसे बड़े कंप्यूटिंग सेंटर और विश्व स्तर पर सबसे महत्वपूर्ण केंद्रों में से एक की मेजबानी करता है। 

इस शक्तिशाली सुपरकंप्यूटर ने शोधकर्ताओं को स्पंज की वास्तविक जैसी 3D प्रतिकृति विकसित करने में मदद की, जिसमें एक सौ अरब व्यक्तिगत बिंदु स्पंज की जटिल हेलिकल रेज़्ड संरचना को पुनः निर्मित करते हैं। लियोनार्डो की विशाल कंप्यूटिंग शक्ति ने प्रति सेकंड क्वाड्रिलियन गणनाएँ करने, विभिन्न जल प्रवाह गति और स्थितियों का सिमुलेशन करने को संभव बनाया।

शामिल शोधकर्ताओं के अनुसार, अध्ययन के परिणाम कई नवाचारी इंजीनियरिंग समाधान ला सकते हैं। नीचे, हम कुछ ऐसे नवाचारी विचारों का सारांश प्रस्तुत करते हैं। 

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शोध की वास्तविक जीवन अनुप्रयोग संभावनाएँ

हम जिस शोध की चर्चा कर रहे हैं, उसका पूर्ववर्ती एक उसी टीम द्वारा किया गया 2021 अध्ययन। उस शोध में, टीम ने विशेष रूप से इस बात की जांच की कि वीनस फ्लावर बास्केट स्पंज मानव निर्मित संरचनाओं को कैसे सुधार सकता है। टीम का मानना था कि स्पंज की ज्यामिति की भूमिका को तरल प्रवाह के प्रति प्रतिक्रिया में समझना उच्च-इमारतों और विभिन्न प्रकार की यांत्रिक संरचनाओं के डिजाइन पर कई प्रभाव डालता है, जिसमें गगनचुंबी इमारतें, जहाज़ों के लिए कम-ड्रैग वाले नवीन संरचनाएँ, और यहाँ तक कि हवाई जहाज़ के फ्यूज़लेज़ भी शामिल हैं।

रोम टॉर वर्जाटा विश्वविद्यालय के जियाकोमो फाल्कुच्ची के अनुसार, ग्लास स्पंज पर 2021 के प्रयोग ने निम्नलिखित प्रश्नों के उत्तर देने में मदद की:

“क्या समान रेज़ और छेदों के जाल के साथ निर्मित गगनचुंबी इमारतों पर वायुगतिकीय ड्रैग कम होगा? क्या यह लागू बलों के वितरण को अनुकूलित करेगा?”

वर्तमान शोध, जो ग्लास स्पंज के बायोमेट्रिक इंजीनियरिंग पहलुओं में गहराई तक जाता है, अधिक कुशल रिएक्टरों को अनुकूलित प्रवाह पैटर्न और न्यूनतम बाहरी ड्रैग के साथ डिजाइन करने में मदद कर सकता है।

ग्लास स्पंज की रेज़्ड और छिद्रयुक्त सतहों के आंतरिक इंजीनियरिंग सिद्धांतों का पालन करने से गगनचुंबी इमारतों और अन्य संरचनाओं में वायु फ़िल्ट्रेशन और वेंटिलेशन सिस्टम बढ़ सकते हैं। उदाहरण के लिए, असममित हेलिकल रेज़्ड कम-ड्रैग वाले हुल या फ्यूज़लेज़ को प्रेरित कर सकते हैं, जो आंतरिक वायु प्रवाह को बढ़ावा देते हुए सुगठित रहेंगे।

2021 से 2024 तक, वीनस फ्लावर बास्केट स्पंज पर शोध जारी रहा, लगातार यह उजागर करता रहा कि यह बायोइंजीनियरिंग चमत्कार अधिक वास्तविक जीवन अनुप्रयोगों को कैसे प्रेरित कर सकता है।

प्रकृति को अपने उत्पादों के डिजाइन प्रेरणा के रूप में उपयोग करने से कई कंपनियों को दक्षता बढ़ाने और अनुकूलन प्रस्तुत करने में मदद मिली है। 

#1. मर्सिडीज़ बेंज द्वारा बायोनिक कारें

मार्च 2024 में, मर्सिडीज़ बेंज, अपने नवीनतम मॉडलों में से एक, Vision EQXX, के डिजाइन दर्शन की व्याख्या करते हुए, ने निम्नलिखित कहा:

“हल्के निर्माण की बात आए तो, प्रकृति अभी भी सर्वश्रेष्ठ आदर्श है: बॉक्सफ़िश से लेकर आर्कटिक टर्न तक – कई जानवरों ने इष्टतम शरीर आकार और अन्य क्षमताओं का विकास किया है जो उन्हें न्यूनतम ऊर्जा खर्च में उनके प्रवास मार्गों पर यात्रा करने में सक्षम बनाती हैं। अधिकतम दक्षता वही मार्गदर्शक सिद्धांत था जो VISION EQXX को बनाने वाले तकनीकी कार्यक्रम के पीछे था – इसलिए चेसिस संरचना के हिस्से प्राकृतिक आकारों और बायोनिक डिजाइन सिद्धांतों पर आधारित हैं।”

कंपनी ने अपनी बायो-प्रेरित सामग्री उपयोग दर्शन को Bionicast प्रक्रिया कहा है। यह दृष्टिकोण केवल उन स्थानों पर सामग्री उपयोग करने की वकालत करता है जहाँ लोड पाथ आवश्यक हैं। परिणामस्वरूप, बायोनिक तत्व निरंतर बदलती दीवार मोटाई और कंकाल जैसा दिखने वाले खुलाव रखते हैं। 

कंपनी का मानना है कि बायो-प्रेरित डिजाइन दर्शन ने एक अत्यधिक कार्यात्मक और कॉम्पैक्ट उत्पाद दिया है, जिसका वजन उल्लेखनीय रूप से कम हुआ है। उदाहरण के लिए, कार के रियर फ़्लोर पर बायोनिक डिज़ाइन ने अकेले ही वजन और सामग्री में 15-20% की बचत की है। वाइपर मोटर ब्रैकेट में भी 20 प्रतिशत वजन लाभ है।

उत्कृष्ट एयरोडायनामिक्स के लिए प्रसिद्ध मर्सिडीज़-बेंज बायोनिक कार ने जून 2005 में वॉशिंगटन, डीसी में पदार्पण किया। तब से यह विकसित होती रही है, ऑटोमोटिव समुदाय में अपनी प्रासंगिकता और प्रमुखता बनाए रखती है। BIONICAST की नवाचारी विकास प्रक्रिया ने 2022 के Material Design + Technology Award में ‘Best of Process’ श्रेणी में जीत हासिल की। 2039 तक, Bionicast के कम संसाधन उपभोग सिद्धांतों और हल्की निर्माण क्षमता की मदद से, मर्सिडीज़ बेंज अपने नए वाहनों के बेड़े में पूरी वैल्यू चेन में शुद्ध कार्बन तटस्थता के व्यापक लक्ष्य को प्राप्त करने का लक्ष्य रखता है।

2023 में, मर्सिडीज़ बेंज ने 153.2 बिलियन यूरो की आय की रिपोर्ट की, जो 2022 में 150 बिलियन यूरो की आय से 3.2 बिलियन यूरो की वृद्धि है। कंपनी ने 19.7 बिलियन यूरो का EBIT दर्ज किया, और उसका EPS 13.46 यूरो था। 

#2. Biohm

Biohm, एक बहु-पुरस्कार विजेता अनुसंधान और विकास कंपनी, ‘प्रकृति को नवाचार का नेतृत्व करने देना’ की दर्शन में विश्वास करती है। अपने मिशन के रूप में, कंपनी ने ‘प्रगतिशील, स्केलेबल बायोटेक्नोलॉजीज़ के जिम्मेदार लाइसेंसिंग के माध्यम से सांस्कृतिक और प्राकृतिक प्रणालियों को सामंजस्यपूर्ण बनाना’ किया है।

Biohm की प्रमुख तकनीकों में से एक मायसेलियम की शक्ति का उपयोग करती है—जो मशरूम की वनस्पति फिलामेंट मूल संरचना है। कंपनी इस तकनीक का उपयोग करके कणीय कंपोजिट, फाइबर-रिइन्फोर्स्ड कंपोजिट, मोनोलिथिक सामग्री, और पॉलिमर-सम जैसे मोनोलिथिक सामग्री जैसे परिष्कृत घटकों को विकसित करने में उच्च-प्रभावी और उच्च-प्रदर्शन समाधान बनाती है। ये निर्माण, उपभोक्ता या रिटेल उत्पाद, विशेष पैकेजिंग, इंटीरियर्स, फर्नीचर के टुकड़े, और फैशन के क्षेत्रों में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं।

अपनी ‘Orb’ तकनीक के माध्यम से, Biohm सबसे तेज़ी से बढ़ते ‘वेस्ट स्ट्रीम’—भोजन और कृषि ‘कचरा’—को मूल्यवान और कार्यात्मक उच्च-प्रदर्शन उत्पादों में बदलती है। ये उत्पाद शीट्स में बनाये जा सकते हैं और जटिल 3-D आकारों और 3-D प्रिंटेड उत्पादों में ढाले जा सकते हैं।

इसके अतिरिक्त, Biohm एक प्रीफ़ैब्रिकेटेड निर्माण प्रणाली प्रदान करता है जो स्थायी बाइंडर या फास्टनर की आवश्यकता नहीं रखती, जिससे मजबूत, उच्च-गुणवत्ता वाली संरचनाएँ बनती हैं। कार्बन के आणविक बंधों की गणितीय ज्यामिति से प्रेरित यह प्रणाली एक इमारत के पर्यावरणीय प्रभाव, लागत, और निर्माण समय को क्रमशः 120%, 70%, और 95% तक कम कर सकती है।  

अपनी एक गेम-चेंजिंग बायोरिमेडिएशन पहल में, Biohm ने Waitrose & Partners और Power To Change के सहयोग से चार मायसेलियम स्ट्रेन विकसित किए जो प्लास्टिक, जिसमें पॉलीयूरेथेन (PU), पॉलीएथिलीन (PE), पॉलीस्टाइरीन (PS), और पॉलिएस्टर (PET) शामिल हैं, को खा सकते हैं। इस मायसेलियम-केंद्रित तकनीक का उपयोग करके, प्लास्टिक को शर्करा, सौम्य हाइड्रोकार्बन, और कार्बन डाइऑक्साइड में तोड़ा जा सकता है। मायसेलियम शर्करा और हाइड्रोकार्बन को उपभोग करता है, जबकि कार्बन डाइऑक्साइड फोटोसिंथेसिस करने वाले जीवों के माध्यम से ऑक्सीजन में बदल जाता है।

उद्योग के अनुमान के अनुसार, कंपनी ने अब तक US$1.73 मिलियन की फंडिंग जुटा ली है। 

बायो-प्रेरित एयरो और द्रव गतिकी का भविष्य

प्रकृति से प्रेरणा लेकर एयरो और द्रव गतिकी की पुनः कल्पना ने विश्व भर के शोधकर्ताओं को प्रेरित किया है। उदाहरण के लिए, ब्रिस्टल विश्वविद्यालय के बायो-प्रेरित फ्लाइट लैब में, डॉ. शेन विंडसर के नेतृत्व में, शोधकर्ताओं ने पशु उड़ान के विभिन्न सेंसरिंग और नियंत्रण पहलुओं की जांच की और यह देखा कि वे इंजीनियर किए गए प्रौद्योगिकियों, विशेषकर छोटे पैमाने के अनमैनड एयरोनॉटिकल वाहनों (UAVs) के कार्य को कैसे सुधार सकते हैं।researchers investigated a range of sensing and control aspects of animal flight and how they might improve engineered technologies, especially the functioning of small-scale unmanned air vehicles (UAVs).

दुनिया के सबसे बड़े ब्रांडों में से एक, लॉकहीड मार्टिन, ने अपने स्कंक वर्क्स के लिए ट्रॉपिकल मध्य और दक्षिण अमेरिका के हर्क्यूलिस बीटल से प्रेरणा ली है, जिससे वह जैविक रूप से गहरा या हल्का हो कर आसपास के वर्षावन के दैनिक बदलते रंग के साथ मेल खाता है। स्कंक वर्क्स के शोधकर्ता मानते हैं कि इस गुण की नकल करने से कंपोजिट विमान भागों के निर्माण में सुधार हो सकता है, क्योंकि यह ऐसे सेंसर विकसित करेगा जो तकनीशियनों को सूचित करेंगे जब जटिल संरचना सही नमी स्तर पर हो और निर्माण प्रक्रिया के अगले चरण पर जा सके।

थॉमस कूनस, जो स्कंक वर्क्स के रिवोल्यूशनरी टेक्नोलॉजी पोर्टफोलियो के प्रमुख हैं, के अनुसार, “रंग परिवर्तन सेंसर तेज़, कम लागत वाले, विश्वसनीय तरीके से यह निर्धारित करने के लिए उपयोगी होंगे कि निर्माण के लिए स्थितियां सही हैं या नहीं।” कूनस इसे ‘कम लागत, कम श्रम समाधान’ के रूप में चिह्नित करते हैं।

ओहायो में NASA के ग्लेन रिसर्च सेंटर में, हार्बर सील के whiskers ने शोधकर्ता विक्रम श्याम को एडवांस्ड एयर ट्रांसपोर्ट टेक्नोलॉजी प्रोजेक्ट के लिए कम-ड्रैग टरबाइन ब्लेड डिजाइन करने के लिए प्रेरित किया, जिसका लक्ष्य फिक्स्ड-विंग एयरोप्लेन के लिए अभूतपूर्व ऊर्जा दक्षता विकसित करना है।

इसी प्रकार, ओहायो में NASA के ग्लेन रिसर्च सेंटर के वरिष्ठ तकनीशियन इज़ायाह ब्लैंक्सन ने तैरते पेंगुइन की एक्रोबेटिक सटीकता से प्रेरणा लेकर लो-बूम फ्लाइट डेमॉन्स्ट्रेशन प्रोग्राम विकसित किया है, जो एयरोडायनामिक आकार के साथ सॉनिक बूम को कम करने का प्रयास करता है।

प्रकृति से प्रेरणा लेना मानव को उनके एयरो और द्रव गतिकी समाधान को अत्यधिक सुधारने में मदद करता है। प्रकृति और पशु साम्राज्य की बुद्धिमत्ता, जो सैकड़ों हज़ार वर्षों की विकासात्मक प्रथाओं और जीवित रहने की रणनीतियों से निखरी है, अधिक कुशल, कम लागत और सतत इंजीनियरिंग समाधान के लिए समृद्ध ज्ञान प्रदान करती है।

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