Insinyur Meneliti Alam untuk Inspirasi dalam Merancang Solusi Penyaringan Air yang Dicetak 3D

Alam selalu menginspirasi insinyur, arsitek, peneliti teknologi, dan ilmuwan di seluruh dunia. Burung telah menginspirasi teknologi penerbangan kita. Ekosistem padang rumput telah mendorong umat manusia untuk mengembangkan sistem pertanian yang lebih berkelanjutan dan efisien. Aliran spiral pada bunga telah menginspirasi sistem pencampuran air yang efisien. Biji bur telah menginspirasi velcro. Daftarnya terus berlanjut!

Sekarang, sebuah laporan ilmiah telah diterbitkan di mana insinyur MIT menunjukkan bagaimana teknik penyaringan unik pada mobula ray dan struktur khususnya dapat menginspirasi filter air industri yang lebih efisien. 

Sebelum menyelami lebih dalam penemuan ini, mari kita lihat sekilas tentang Mobula Ray.

Apa Itu Mobula Ray?

Juga disebut ray terbang karena lompatan akrobatiknya, Mobula Ray adalah makhluk dengan tubuh besar, datar, berbentuk belah ketupat dan sirip panjang yang memungkinkan mereka meluncur melalui air – dan juga melalui udara.  Ikan-ikan ini secara teratur berkumpul untuk melompat keluar dari laut dan meluncur ke udara, sering melompat sekitar dua meter di atas air sebelum jatuh kembali dengan percikan.

Seperti yang ditunjukkan oleh Museum Sejarah Alam, Mobula Ray melakukan filter-feeding, artinya mereka menyaring plankton dari air menggunakan mulut mereka, dan kawanan mereka sering berkumpul dalam jumlah besar. Tetapi bagaimana mereka dapat menjadi inspirasi dalam merancang solusi penyaringan air yang dicetak 3D? Kita akan membahas ini di segmen berikutnya.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana robotika dapat mengambil inspirasi dari alam.

Mengikuti Mobula Ray untuk Penyaringan Air

Alat penyaringan Mobula Ray menyerupai filter aliran silang industri tetapi beroperasi pada rezim parameter yang berbeda. Untuk menjembatani kesenjangan antara aliran silang industri dan filtrasi Mobula, para peneliti menetapkan kerangka kerja universal untuk pertukaran permeabilitas–selektivitas dalam saluran bocor.

Para peneliti mengklaim telah berhasil menunjukkan bahwa geometri filter Mobula telah berevolusi untuk mencapai keseimbangan antara pernapasan dan pemberian makan serta menghasilkan prinsip desain yang melampaui rezim filtrasi tradisional. Hasilnya adalah penciptaan perangkat filtrasi yang terinspirasi oleh Mobula. 

Meskipun semua ini mungkin terdengar seperti latihan kompleks di bidang biomimikri, lebih sederhana untuk mengikuti mekanismenya jika kita melihat Mobula Ray sedikit lebih dekat. Mobula Ray memberi makan dirinya dengan berenang mulut terbuka melalui wilayah laut yang kaya plankton dan menyaring partikel plankton ke dalam kerongkongan mereka saat air mengalir masuk ke mulut dan keluar melalui insang.

Lantai mulut mobula ray dilapisi di kedua sisinya dengan struktur paralel berbentuk sisir, disebut pelat, yang menyedot air ke dalam insang ray. Pelat-pelat inilah yang menjadi kunci penelitian saat ini yang kami bahas di sini.

Tim peneliti MIT telah menunjukkan bahwa dimensi pelat-pelat ini dapat memungkinkan plankton yang masuk memantul melintasi pelat-pelat dan masuk lebih jauh ke dalam rongga ray alih-alih keluar melalui insang. Selain itu, insang Mobula Ray dapat menyerap oksigen dari air yang mengalir keluar untuk membantu bernapas sekaligus memberi makan.

Menurut studi penulis Anette “Peko” Hosoi, Profesor Pappalardo Teknik Mesin di MIT:

“Kami (para peneliti) menunjukkan bahwa mobula ray telah mengembangkan geometri pelat-pelat ini menjadi ukuran yang sempurna untuk menyeimbangkan pemberian makan dan pernapasan.”

Para peneliti merancang filter air sesuai dengan fitur penyaringan plankton mobula ray. Selanjutnya, mereka meneliti bagaimana air dapat mengalir melalui filter ketika dipasangi struktur seperti pelat yang dicetak 3D. Hasil yang diperoleh dari latihan ini disusun menjadi cetak biru bagi perancang untuk mengoptimalkan filter aliran silang industri, yang secara umum mirip dalam konfigurasi dengan mobula ray.

Menurut penulis utama dan postdoc MIT Xinyu Mao:

“Kami ingin memperluas ruang desain filtrasi aliran silang tradisional dengan pengetahuan baru dari manta ray.”

Saat menjelaskan sifat ekspansi, peneliti berkata:

“Orang dapat memilih rezim parameter mobula ray sehingga mereka berpotensi meningkatkan kinerja filter secara keseluruhan.”

Dalam desain filter terinspirasi mobula ray mereka sendiri, tim peneliti menciptakan filter sederhana. Desain ini, dikenal sebagai ‘saluran bocor’, menyerupai pipa dengan lubang di sepanjang sisinya. Untuk menjelaskan lebih lanjut tentang sifat ‘saluran’ tersebut, ia terdiri dari dua pelat akrilik datar dengan celah tipis di antara keduanya, memungkinkan cairan mengalir melaluinya. Di satu ujung saluran, peneliti menempatkan struktur yang dicetak 3D yang meniru pelat beralur di dalam mulut mobula ray.

Mereka menguji set-up dengan memompa air melalui saluran pada kecepatan yang bervariasi. Mereka menambahkan pewarna berwarna untuk visualisasi aliran yang efektif. Ketika laju aliran meningkat, air menciptakan vortex di mulut setiap alur, mencegah partikel melewati dan mendorong partikel turun ke saluran.

Apa yang biasanya dilakukan mobula ray adalah berenang pada kecepatan yang tepat untuk menghasilkan vortex yang menjebak bahkan partikel plankton terkecil, memungkinkan sisa air mengalir keluar melalui insangnya. Wawasan ini menjadi kunci cetak biru ideal untuk mengoptimalkan filter aliran silang industri, memberikan panduan praktis untuk meningkatkan desain filter.

1. Ford

Salah satu merek otomotif paling dihormati di dunia – Ford – mengambil inspirasi dari lebah untuk merancang rak kargo sarang madu yang ringan namun kuat untuk SUV Ecosport terbaru mereka. Lantai kargo Ford EcoSport dapat disesuaikan dan terbuat dari sarang kertas daur ulang 100% berdaya tinggi, membantu pelanggan SUV kompak melakukan lebih banyak dengan lebih sedikit.

Dibuat dari kertas alami seluruhnya dan lem berbasis air, rak sarang madu seberat enam pon ini ramah lingkungan dan cukup kuat untuk menahan hampir 700 pon barang. Asalnya dari lebah madu, teknologi biomimikri ini pertama kali diperkenalkan dalam pembuatan pintu rumah 50 tahun yang lalu. 

Saat membicarakan desain yang terinspirasi alam dalam mobil mereka, Mike Maxzzella, asisten kepala insinyur Ford EcoSport, berkata:

“Desain heksagonal sarang madu adalah bukti kecerdikan alam. Tidak hanya kuat, tetapi sangat ringan. Pelanggan dapat memasukkan rak ke dalam berbagai slot, seperti rak oven, dan bahkan menyimpannya di belakang kursi. Ini membantu membuat EcoSport sangat fleksibel dalam penggunaan sehari-hari.” 

Rak EcoSport hanya berat enam pon. Namun, ia dapat menahan hampir 700 pon pada permukaan 38,5 inci kali 25,25 inci. Dengan kata lain, rak ini dapat menampung kombinasi tak terhitung dari barang berat, seperti lima kantong campuran beton (94 pon masing-masing), empat kantong besar tanah subur (40 pon masing-masing), dan delapan galon air (sekitar delapan pon masing-masing).

Ford selalu menjadi perusahaan yang terus merujuk pada fungsi alam untuk memahami bagaimana produk mereka dapat dibuat lebih baik, efisien, dan kuat. Hampir satu dekade yang lalu, pada 2015, perusahaan mulai mengeksplorasi Biomimikri secara terorganisir. Mereka mengumumkan sebuah kemitraan riset dengan Procter and Gamble untuk menciptakan perekat baru dengan bantuan Biomimicry Institute, sebuah organisasi nirlaba yang memperjuangkan adopsi solusi yang terinspirasi alam.

Saat membicarakan pentingnya kemitraan semacam itu, Beth Rattner, direktur eksekutif Biomimicry Institute, mengatakan:

“Saya pikir sangat penting bahwa perusahaan seperti Ford mengatakan, ‘Kami menaruh upaya kami di sini bukan hanya karena kami pikir ini lebih baik, desain yang lebih berkelanjutan, tetapi agar orang lebih memperhatikan organisme alami dalam prosesnya.'”

Pada 2015, perusahaan berusaha menghasilkan perekat baru dengan mempelajari bantalan jari tokay gecko, yang memungkinkan kadal meluncur di langit-langit dan jendela kaca. Ford melihatnya sebagai peluang untuk meningkatkan tingkat daur ulang kendaraan hingga 10% karena perekat yang terinspirasi dari jari gecko dapat membantu produsen mobil memisahkan campuran plastik dan busa yang tersisa setelah mobil dilepas dari bagian logamnya.

Menurut Debbie Mielewski, pemimpin teknis senior untuk penelitian plastik dan keberlanjutan di Ford pada saat itu:

“Jika kami dapat memisahkannya, jika kami dapat mengidentifikasi aliran yang berbeda di dalamnya, kami akan memiliki peluang yang jauh lebih baik untuk memanfaatkannya dalam aplikasi kelas atas.”

Sementara Ford terus mengambil inspirasi dari alam, mereka terus tampil baik secara finansial dan pendapatan. Perusahaan mencatat pendapatan $46,20B pada kuartal yang berakhir 30 September 2024, dengan pertumbuhan 5,47%, menjadikan pendapatan perusahaan dalam dua belas bulan terakhir $182,74B, naik 4,89% secara tahunan. Pada tahun 2023, Ford Motor Company (F ) memiliki pendapatan tahunan $176,19B dengan pertumbuhan 11,47%.

2.  The Procter and Gamble Company

Entitas korporat besar lainnya yang berada di garis depan dalam mempelajari prinsip formulasi produk yang lebih baik dari alam adalah Procter and Gamble. Pada 2024, Procter and Gamble membentuk sebuah kemitraan dengan Basecamp Research, pemetaan keanekaragaman genetik untuk desain protein berbasis AI, untuk mempercepat pengembangan enzim pembersih berperforma tinggi untuk kondisi air dingin.

Kemitraan tersebut berkeinginan belajar dari organisme yang beradaptasi dengan lingkungan dingin untuk merancang enzim baru dengan kinerja pencucian dingin yang lebih baik menggunakan AI. Saat membicarakan tujuan kemitraan dan nilai yang ingin diambil P&G, Dr Philip Souter OBE, direktur senior R&D Laundry di P&G, mengatakan:

“Kami senang dapat bermitra dengan Basecamp Research dalam inisiatif ini, bekerja bersama untuk mengembangkan solusi baru dengan menggabungkan pandangan unik mereka tentang alam dan kemampuan AI dengan keahlian inovasi kami yang luas untuk memberikan pengalaman konsumen yang superior.”

P&G memiliki rencana khusus untuk memanfaatkan kemampuan Basecamp Research dalam memahami keanekaragaman genetik jutaan organisme di lingkungan dingin dan menggunakannya untuk meningkatkan efektivitas pada suhu pencucian yang lebih rendah guna mengurangi kebutuhan air panas — yang lebih baik bagi lingkungan dan tagihan pemanas.

Procter and Gamble juga terinspirasi oleh penelitian Biomimicry 3.8 yang mengambil wawasan dari ular dan lintah untuk merancang deterjen yang lebih baik. Biomimicry 3.8 adalah perusahaan konsultan dan pelatihan profesional terkemuka dunia yang fokus pada desain dan inovasi yang bersahabat dengan alam.

Salah satu penelitian Biomimicry 3.8 meneliti peningkatan efektivitas penghilangan noda pada produk laundry. Dengan fokus pada pola mendalam di dunia biologis, Biomimicry 3.8 mengidentifikasi 30 strategi biologis unik dengan potensi menyelesaikan tantangan menghilangkan noda darah dari kain. Penelitian tersebut meneliti cara ular dan lintah berfungsi karena mereka termasuk organisme yang dapat mencerna darah dan dianggap sebagai pembuat noda paling tangguh.

Organisme ini, bersama banyak lainnya, menawarkan pelajaran desain berharga untuk solusi dengan potensi membatasi penggunaan klorin, limbah air, dan energi dalam menghilangkan noda. Karena penelitian ini, departemen R&D P&G mengalihkan seluruh upaya penelitiannya. Ilmuwan utama Yousef Aouad mengatakan pekerjaan tersebut memberi tim model noda darah dengan pemahaman konseptual tentang langkah-langkah berurutan untuk menghilangkan noda darah.

“Namun yang paling penting, model ini kini juga menjelaskan secara retrospektif: Mengapa enzim kami saat ini gagal melakukan tugasnya pada noda darah?”

– Yousef Aouad

Belajar dari alam dan terus-menerus mengambil inspirasi darinya berarti pertumbuhan yang lebih besar dalam penawaran perusahaan dan keberagaman dalam rangkaian produk. Pendapatan perusahaan menunjukkan pertumbuhan stabil dalam penjualan bersihnya. Pendapatan naik dari US$71 miliar pada 2020 menjadi US$84 miliar pada 2024. Pendapatan operasional juga melonjak dari US$15,7 miliar menjadi US$18,5 miliar.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana leafhopper dapat mengajari kita memanipulasi cahaya.

Masa Depan Desain yang Terinspirasi Alam

Perusahaan semakin tertarik mengambil inspirasi dari alam karena desain mereka berkelanjutan, ramah lingkungan, mampu mengoptimalkan sumber daya yang tersedia, dan cukup fleksibel untuk beradaptasi dengan kondisi iklim yang beragam. 

Salah satu emulasi alam terbaru dan sangat populer dalam desain dan rekayasa adalah ketika Mercedes Benz mengembangkan Bionic Car, mengambil inspirasi dari kekuatan struktural besar dan massa rendah ikan kotak. Mobil tersebut dilaporkan dapat mengurangi drag sambil menunjukkan tingkat kekakuan yang signifikan, berat rendah, dan konsumsi bahan bakar yang jauh lebih rendah dibandingkan mobil tradisional. 

Di Jepang, desain Shinkansen terinspirasi oleh Kingfisher. Penguasa perpindahan antara udara dan air dengan percikan sangat sedikit, kereta ini menginspirasi desain Shinkansen bullet train dengan hidung berbentuk paruh panjang. Desain tersebut secara signifikan mengurangi kebisingan kereta, serta menggunakan 15 persen lebih sedikit listrik, dan melaju 10 persen lebih cepat daripada sebelumnya.

Hampir dua dekade lalu, sekelompok peneliti MIT menghasilkan material baru yang dapat menangkap dan mengendalikan jumlah air yang sangat kecil. Desain tersebut terinspirasi dari kumbang seukuran koin. Material ini menggabungkan permukaan superhidrofobik (menolak air) dengan tonjolan superhidrofilik (menarik air) yang menjebak tetesan air dan mengendalikan aliran air. 

Aplikasi potensial untuk material baru ini meliputi pemanenan air, pembuatan laboratorium pada chip (untuk diagnostik dan skrining DNA), serta pembuatan perangkat mikrofluida dan pendingin.

Sejarah Biomimikri setua peradaban manusia itu sendiri. Contohnya tidak hanya di bidang teknik tetapi juga di arsitektur. Dalam arsitektur, biomimikri mengekspresikan dirinya dalam desain bangunan yang lebih berkelanjutan dan efisien yang selaras dengan alam. Sering disebut arsitektur biomimikri, bangunan ini mengambil inspirasi dari alam untuk menjadi hemat energi, bioklimatik, berkelanjutan, adaptif, tahan banting, dan berkelanjutan. 

Namun, untuk membuat biomimikri menjadi proses yang lebih efisien, alatnya harus menjadi lebih efektif. Menurut desainer, meskipun tidak kekurangan alat biomimikri, kebanyakan alat biomimetik membantu desainer menghasilkan konsep dan memetakan konsep tersebut dari bidang biomimetik ke aplikasi potensial, namun alat-alat ini menawarkan sedikit saran praktis tentang cara menerjemahkan konsep biologis menjadi prototipe yang dapat diproduksi.

Namun, terdapat peningkatan investasi yang terlihat dalam teknologi yang membantu kita mengadopsi desain berbasis alam ke dalam aplikasi sehari-hari. Menurut perkiraan, pasar teknologi biomimetik global dapat tumbuh dari US$6,8 miliar pada 2017 menjadi US$18,5 miliar pada 2028. 

Di masa awal, tujuan teknologi dan mesin adalah menyederhanakan hidup kita dengan mengotomatisasi tugas yang berulang dan iteratif. Saat ini, teknologi harus berorientasi pada keberlanjutan sehingga menggunakan sumber daya yang tersedia secara bijaksana dan meninggalkan dampak sekecil mungkin pada planet kita dalam hal emisi karbon.

Desain yang terinspirasi alam dapat menjadi cara yang bagus untuk membuat teknologi lebih efisien. Fitur desain yang terinspirasi alam ini akan membantu menarik lebih banyak perhatian dan investasi di masa mendatang.

Klik di sini untuk daftar teknologi teratas dengan potensi menakutkan.