Merevolusi Aerodinamika dan Dinamika Fluida melalui Spons Kaca Venus Flower Basket

Spons kaca, yang umum ditemukan di laut dalam, termasuk dalam kelas Hexacitinellida. Mereka memperoleh nama mereka dari jaringan mereka, yang terdiri dari partikel struktural mirip kaca yang terbuat dari silika. 

Kerangka spons kaca merupakan mekanisme evolusi yang membantu mereka melawan predator laut dalam dengan secara inheren dan organik menggabungkan diri mereka dengan berbagai bahan kimia. 

Tanpa diragukan lagi, spons kaca mempertahankan diri dengan menempel pada permukaan keras dan memakan bakteri kecil serta plankton yang disaring dari air di sekitarnya. 

Beberapa spesies dapat menghasilkan spikula yang sangat besar yang membentuk rumah kaca dengan menyatu dalam pola yang indah. Struktur rangka ini sering mengagumkan para ilmuwan karena tetap ada bahkan setelah spons mati, dan beberapa hewan laut dalam menggunakan struktur ini sebagai tempat tinggal mereka!

Spons Kaca Paling Terkenal

Di antara semua spons kaca yang hidup di kedalaman laut, Venus Flower Basket, sebuah spesies Euplectella, sangat terkenal. Ia telah berevolusi cukup sehingga rangkanya dapat menjebak spesies krustasea tertentu di dalamnya seumur hidup. Krustasea ini berkembang biak, dan keturunannya mencari keranjang bunga baru untuk diri mereka sendiri. Biasanya, spons ini berfungsi sebagai rumah seumur hidup bagi dua Stenopodidea kecil yang mirip udang, satu jantan dan satu betina. 

Karakteristik ini yang berfungsi sebagai tempat tinggal alami bagi makhluk laut dalam selalu membuat spons kaca Venus Flower Basket menjadi objek yang menarik. Rasa penasaran ini kini telah membawa peneliti menemukan fitur luar biasa lain dari hewan ini: kemampuan mereka untuk menyaring makanan tanpa memompa.

Kontrol Aliran ‘Energi Nol’ Alami oleh Spons Venus Flower Basket

Salah satu prestasi menakjubkan yang dimiliki makhluk kuno ini adalah kemampuan mereka untuk menyaring makanan tanpa memompa, hanya mengandalkan arus lemah di kedalaman laut. Tetapi bagaimana hal ini memungkinkan? Itulah yang diteliti oleh tim peneliti dari Universitas Roma Tor Vergata dan NYU Tandon School of Engineering. Dengan menggunakan simulasi komputer beresolusi sangat tinggi, mereka menganalisis struktur rangka Spons Venus Flower Basket. Temuan tersebut, setidaknya, sungguh menakjubkan. Selain itu, temuan tersebut memiliki potensi luar biasa untuk berbagai aplikasi teknik. 

Saat menjelaskan sifat terobosan eksperimen ini, Maurizio Porfiri, Profesor Institut NYU Tandon dan direktur Center for Urban Science + Progress (CUSP), yang memimpin bersama studi ini dan mengawasi penelitian, berkata:

“Penelitian kami menyelesaikan perdebatan yang muncul dalam beberapa tahun terakhir: spons Venus flower basket mungkin dapat menarik nutrisi secara pasif, tanpa mekanisme pompa aktif apa pun. Ini adalah adaptasi luar biasa yang memungkinkan penyaring ini berkembang dalam arus yang biasanya tidak cocok untuk penyaringan suspensi.”

Pada dasarnya, hewan spons kaca ini menggunakan struktur rangka unik mereka untuk mengalihkan arus ultra lambat di laut dalam, mengarahkan aliran ke atas ke dalam rongga tubuh pusat mereka. Mekanisme ini menyaring plankton dan detritus laut lainnya dari air laut, yang kemudian digunakan spons sebagai makanan. Permukaan luar berspiral dan berlekuk pada struktur rangka spons berfungsi seperti tangga spiral, menarik air ke atas melalui kerangka berpori seperti kisi tanpa memerlukan energi pompa. 

Kualitas paling luar biasa dari spons kaca adalah ventilasi alaminya, yang berfungsi sangat baik dalam hampir tidak adanya gerakan di dasar laut dalam. Ini adalah cara spesies laut dalam ini berevolusi, menyesuaikan diri dengan lingkungan keras dan secara pasif menarik makanan pada arus yang sangat lambat. 

Menurut Giacomo Falcucci dari Universitas Tor Vergata, Roma:

“Spons ini telah menemukan solusi elegan untuk memaksimalkan pasokan nutrisi sambil beroperasi sepenuhnya melalui mekanisme pasif.”

Mencapai wawasan luar biasa ini tidaklah mudah. Peneliti membutuhkan beberapa tahun untuk membangun fasilitas yang memadai sehingga dapat memahami fenomena ini hingga detail terkecil.

Fasilitas yang Membantu Penelitian Mencapai Tujuannya 

Para peneliti menggunakan superkomputer Leonardo di CINECA, sebuah konsorsium nirlaba yang menyelenggarakan pusat komputasi terbesar di Italia dan salah satu yang paling penting di dunia. 

Superkomputer yang kuat ini membantu peneliti mengembangkan replika 3D yang realistis dari spons, dengan seratus miliar titik individu yang merekonstruksi struktur berlekuk heliks yang rumit. Kekuatan komputasi Leonardo yang luar biasa memungkinkan melakukan kuadriliunan perhitungan per detik, mensimulasikan berbagai kecepatan aliran air dan kondisi.

Menurut peneliti yang terlibat, hasil studi ini dapat menghasilkan banyak solusi teknik inovatif. Di bawah ini, kami merangkum beberapa ide inovatif tersebut. 

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana cahaya dapat dimanipulasi dengan bantuan leafhopper.

Potensi Aplikasi Nyata Penelitian

Pendahulu penelitian yang kami bahas adalah studi 2021 yang dilakukan oleh tim yang sama. Dalam penelitian itu, tim secara khusus meneliti bagaimana spons Venus flower basket dapat meningkatkan struktur buatan manusia. Tim percaya bahwa penyelidikan peran geometri spons dalam merespons aliran fluida memiliki banyak implikasi untuk desain gedung pencakar langit dan struktur mekanik yang beragam, termasuk gedung pencakar langit, struktur baru berdrag rendah untuk kapal, dan bahkan badan pesawat terbang. 

Menurut Giacomo Falcucci dari Universitas Tor Vergata, Roma, eksperimen 2021 pada spons kaca membantu menjawab pertanyaan seperti:

“Apakah akan ada drag aerodinamika yang lebih sedikit pada gedung pencakar langit yang dibangun dengan kisi serupa berupa lekukan dan lubang? Apakah itu akan mengoptimalkan distribusi gaya yang diterapkan?” 

Penelitian saat ini, yang menyelami lebih dalam aspek rekayasa biometrik spons kaca, dapat membantu merancang reaktor yang lebih efisien dengan pola aliran yang dioptimalkan dan drag eksternal yang diminimalkan. 

Menerapkan prinsip rekayasa internal dari permukaan berlekuk dan berpori spons kaca dapat meningkatkan sistem filtrasi udara dan ventilasi pada gedung pencakar langit serta struktur lainnya. Lekukan heliks asimetris, misalnya, dapat menginspirasi badan kapal atau fuselage berdrag rendah yang tetap aerodinamis sekaligus mempromosikan aliran udara interior.

Dari 2021 hingga 2024, penelitian tentang Spons Venus Flower Basket terus berlanjut, terus mengungkap bagaimana keajaiban biorekayasa ini dapat menginspirasi lebih banyak aplikasi nyata. 

Memanfaatkan alam sebagai inspirasi desain untuk produk mereka telah membantu banyak perusahaan meningkatkan efisiensi dan memperkenalkan optimasi. 

#1. Mobil Bionik oleh Mercedes Benz

Pada Maret 2024, Mercedes Benz, saat menjelaskan filosofi desain di balik salah satu model terbarunya, Vision EQXX, mengatakan:

“Ketika berbicara tentang konstruksi ringan, alam masih menjadi contoh terbaik: dari ikan kotak hingga burung laut kutub – banyak hewan telah berevolusi dengan bentuk tubuh optimal dan kemampuan lain yang memungkinkan mereka menempuh rute migrasi dengan pengeluaran energi minimal. Efisiensi maksimum juga merupakan prinsip panduan di balik program teknologi yang menghasilkan VISION EQXX – itulah mengapa bagian-bagian struktur sasis didasarkan pada bentuk alami dan prinsip desain bionik.” 

Perusahaan menamai filosofi penggunaan material yang terinspirasi dari bio ini sebagai proses Bionicast. Pendekatan ini menganjurkan penggunaan material hanya pada jalur beban yang diperlukan. Akibatnya, elemen bionik memiliki ketebalan dinding yang terus berubah dan celah yang menyerupai kerangka.

Perusahaan percaya bahwa filosofi desain yang terinspirasi dari bio ini menghasilkan produk yang sangat fungsional dan kompak, dengan berat yang berkurang secara signifikan. Misalnya, desain bionik pada lantai belakang mobil saja telah menghemat 15-20% berat dan material. Braket motor wiper juga memiliki keunggulan berat sebesar 20 persen.

Mobil Bionik Mercedes-Benz (MBG.DE ), yang dikenal dengan aerodinamika unggulnya, pertama kali diluncurkan pada Juni 2005 di Washington, DC. Sejak itu, mobil ini terus berkembang, mempertahankan relevansi dan keunggulannya dalam komunitas otomotif. Proses pengembangan inovatif BIONICAST memenangkan Material Design + Technology Award 2022 dalam kategori ‘Best of Process’. Pada tahun 2039, dengan bantuan prinsip pengurangan konsumsi sumber daya dan potensi konstruksi ringan Bionicast, Mercedes Benz bertujuan mencapai tujuan utama netralitas karbon sepanjang rantai nilai pada armada kendaraan barunya.

Pada 2023, Mercedes Benz melaporkan pendapatan sebesar 153,2 miliar Euro, meningkat 3,2 miliar Euro dari pendapatan 150 miliar Euro pada 2022. Perusahaan mencatat EBIT sebesar 19,7 miliar Euro, dan EPS-nya berada pada 13,46 Euro.

#2. Biohm

Biohm, sebuah perusahaan riset dan pengembangan multi-penghargaan, mempercayai filosofi ‘membiarkan alam memimpin inovasi.’ Sebagai misinya, perusahaan ini telah ‘menyelaraskan sistem budaya dan alam melalui lisensi bertanggung jawab atas bioteknologi terobosan yang dapat diskalakan.’

Salah satu teknologi unggulan Biohm memanfaatkan kekuatan Mycelium—struktur akar filamen vegetatif jamur. Perusahaan menggunakan teknologi ini untuk menghasilkan solusi berdampak tinggi dan berperforma tinggi dalam mengembangkan komponen canggih seperti komposit partikel, komposit serat, material monolitik, dan material monolitik mirip polimer. Produk ini sangat cocok untuk digunakan dalam bidang konstruksi, produk konsumen atau ritel, kemasan khusus, interior, perabotan, dan mode. 

Melalui teknologi ‘Orb’nya, Biohm mengubah beberapa ‘aliran limbah’ yang tumbuh paling cepat—limbah makanan dan pertanian—menjadi produk bernilai tinggi dan fungsional berperforma tinggi. Produk-produk ini dapat dibentuk menjadi lembaran dan dicetak menjadi bentuk 3-D yang rumit serta produk cetak 3-D.

Selain itu, Biohm menawarkan sistem konstruksi prefabrikasi yang tidak memerlukan pengikat atau pengencang permanen, menciptakan struktur yang kuat dan berkualitas tinggi. Terinspirasi oleh geometri matematis ikatan molekuler karbon, sistem ini dapat mengurangi dampak lingkungan, biaya, dan waktu pembangunan sebuah bangunan masing-masing sebesar 120%, 70%, dan 95%.

Dalam salah satu upaya bioremediasi revolusionernya, Biohm, bekerja sama dengan Waitrose & Partners dan Power To Change, mengembangkan empat strain Mycelium yang dapat mengonsumsi plastik, termasuk Polyurethane (PU), Polyethylene (PE), Polystyrene (PS), dan Polyester (PET). Memanfaatkan teknologi berpusat pada mycelium ini, plastik dapat diuraikan menjadi gula, hidrokarbon tidak berbahaya, dan karbon dioksida. Mycelium mengonsumsi gula dan hidrokarbon, sementara karbon dioksida berubah menjadi oksigen melalui organisme fotosintesis.

Menurut perkiraan industri, perusahaan telah berhasil mengumpulkan pendanaan sebesar US$1,73 juta hingga saat ini. 

Masa Depan Aerodinamika dan Dinamika Fluida yang Terinspirasi dari Bio

Mere-imajinasikan kembali aerodinamika dan dinamika fluida dengan mengambil inspirasi dari alam telah memotivasi peneliti di seluruh dunia. Di Bio-Inspired Flight Lab Universitas Bristol, yang dipimpin oleh Dr Shane Windsor, misalnya, peneliti menyelidiki berbagai aspek sensor dan kontrol penerbangan hewan dan bagaimana hal itu dapat meningkatkan teknologi rekayasa, terutama fungsi kendaraan udara tak berawak (UAV) skala kecil.

Salah satu merek terbesar di dunia, Lockheed Martin (LMT ), telah mengambil inspirasi untuk Skunk Works dari kumbang Hercules di daerah tropis Amerika Tengah dan Selatan untuk secara organik menggelapkan atau mencerahkan agar sesuai dengan perubahan warna harian hutan hujan di sekitarnya. Peneliti di Skunk Works percaya bahwa meniru sifat ini dapat meningkatkan pembuatan komponen pesawat komposit dengan mengembangkan sensor yang dapat memberi peringatan kepada teknisi ketika struktur kompleks berada pada tingkat kelembaban yang tepat untuk melanjutkan ke langkah berikutnya dalam proses manufaktur.

Menurut Thomas Koonce, orang yang bertanggung jawab atas Portfolio Teknologi Revolusioner Skunk Works, “Sensor perubahan warna akan menjadi cara yang cepat, murah, dan dapat diandalkan untuk menentukan apakah kondisi sudah tepat untuk manufaktur.” Koonce menandai ini sebagai ‘solusi biaya rendah, tenaga kerja rendah.’

Di Glenn Research Center NASA di Ohio, kumis anjing laut pelabuhan menginspirasi peneliti Vikram Shyam untuk merancang baling-baling turbin berdrag rendah untuk Proyek Teknologi Transportasi Udara Tingkat Lanjut, yang berupaya mengembangkan efisiensi energi terobosan untuk pesawat sayap tetap.

Demikian pula, Isaiah Blankson, teknolog senior di Glenn Research Center NASA di Ohio, terinspirasi oleh presisi akrobatik penguin yang berenang untuk mengembangkan program Demonstrasi Penerbangan Low-Boom yang berupaya mengurangi ledakan sonik dengan pembentukan aerodinamis.

Mengambil inspirasi dari alam telah sangat membantu manusia meningkatkan solusi aerodinamika dan dinamika fluida mereka. Kebijaksanaan alam dan kerajaan hewan, yang dipupuk selama ratusan ribu tahun praktik evolusi dan taktik bertahan hidup, menawarkan kekayaan pengetahuan untuk solusi teknik yang lebih baik, efisien, berbiaya rendah, dan berkelanjutan.

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