Ingenieurs zoeken inspiratie in de natuur bij het ontwerpen van 3D‑geprinte waterfiltratieoplossingen

De natuur heeft altijd ingenieurs, architecten, technologische onderzoekers en wetenschappers over de hele wereld geïnspireerd. Vogels hebben onze vluchttechnologie geïnspireerd. Prairie‑ecosystemen hebben de mensheid aangemoedigd om duurzamere en efficiëntere landbouwsystemen te ontwikkelen. Spiraalvormige stromingen in bloemen hebben efficiënte watermengsystemen geïnspireerd. Burzaden hebben velcro geïnspireerd. De lijst gaat maar door!

Nu is er een wetenschappelijk rapport verschenen waarin MIT‑ingenieurs laten zien hoe de unieke filtervoedingsmethode van de mobulaar en zijn gespecialiseerde structuren efficiëntere industriële waterfilters kunnen inspireren.

Voordat we dieper op de ontdekking ingaan, laten we kort kijken naar mobulaarzen.

Wat zijn mobulaarzen?

Ook wel vliegende roggen genoemd vanwege hun acrobatische sprongen, Mobula Rays zijn wezens met grote, platte, ruitvormige lichamen en lange vinnen die hen in staat stellen door het water te glijden – en ook door de lucht. Deze vissen verzamelen zich regelmatig om uit de zee te springen en zichzelf in de lucht te lanceren, vaak ongeveer twee meter uit het water springend voordat ze met een plons terug in het water vallen.

Zoals het Natural History Museum aangeeft, voeden mobulaarzen zich door filteren, wat betekent dat ze plankton uit het water filteren met hun mond, en dat scholen van hen vaak in enorme aantallen samenkomen. Maar hoe kunnen ze een inspiratie zijn bij het ontwerpen van 3D‑geprinte waterfiltratieoplossingen? We zullen dit in het volgende segment bespreken.

Klik hier om meer te leren over hoe robotica een aanwijzing van de natuur kan nemen.

Mobulaarzen volgen voor waterfiltratie

Het filterapparaat van de mobulaar lijkt op industriële cross‑flow filters maar werkt onder een ander parameterregime. Om de kloof tussen industriële cross‑flow en mobulaarfiltratie te overbruggen, stelden de onderzoekers een universeel kader vast voor de afweging tussen doorlaatbaarheid–selectiviteit in een lekkende kanaal.

Onderzoekers beweren dat ze met succes hebben aangetoond dat de geometrie van mobulaarfilters zich heeft ontwikkeld om een balans te vinden tussen ademhaling en voeding en ontwerpprincipes af te leiden die verder gaan dan traditionele filtratieregio’s. Het resultaat is de creatie van mobulaar‑geïnspireerde filtratieapparaten.

Hoewel al dit misschien klinkt als complexe oefeningen op het gebied van biomimicry, is het eenvoudiger het mechanisme te volgen als we mobulaarzen iets nauwkeuriger bekijken. Mobulaarzen voeden zich door met open mond door planktonrijke gebieden van de oceaan te zwemmen en planktondeeltjes in hun slokdarm te filteren terwijl water in hun mond stroomt en via hun kieuwen weer naar buiten gaat.

De bodem van de mond van de mobulaar is aan beide zijden bekleed met parallelle, kamachtige structuren, platen genoemd, die water naar de kieuwen van de rog zuigen. Het zijn deze platen die de sleutel vormen voor het huidige onderzoek dat we hier bespreken.

Het team van MIT‑onderzoekers heeft aangetoond dat de afmetingen van deze platen ervoor kunnen zorgen dat binnenkomend plankton over de platen stuitert en dieper in de holte van de rog terechtkomt in plaats van via de kieuwen naar buiten te gaan. Bovendien kunnen de kieuwen van de mobulaar zuurstof uit het uitstromende water opnemen om tegelijkertijd te ademen tijdens het voeden.

Volgens onderzoek auteur Anette “Peko” Hosoi, de Pappalardo Professor of Mechanical Engineering at MIT:

“Wij (de onderzoekers) tonen aan dat de mobulaar de geometrie van deze platen heeft ontwikkeld tot de perfecte grootte om voeding en ademhaling in balans te brengen.”

De onderzoekers ontwierpen een waterfilter in overeenstemming met de plankton‑filtereigenschappen van de mobulaar. Vervolgens onderzochten ze hoe water door het filter kon stromen wanneer het was uitgerust met 3D‑geprinte plaatachtige structuren. De resultaten van deze oefeningen werden omgezet in een blauwdruk voor ontwerpers om industriële cross‑flow filters te optimaliseren, die in configuratie grotendeels vergelijkbaar zijn met die van de mobulaar.

Volgens hoofd auteur en MIT postdoc Xinyu Mao:

“We willen de ontwerpruimte van traditionele cross‑flow filtratie uitbreiden met nieuwe kennis van de manta‑rog.”

Terwijl hij de aard van de uitbreiding uitlegt, zei de onderzoeker:

“Mensen kunnen een parameterregime van de mobulaar kiezen zodat ze mogelijk de algehele filterprestaties kunnen verbeteren.”

In hun eigen mobulaar‑geïnspireerde filterontwerp creëerde het onderzoeksteam een eenvoudig filter. Het ontwerp, bekend als een ‘lekkende kanaal’, lijkt op een pijp met gaten langs de zijkanten. Om meer uit te leggen over de aard van het ‘kanaal’, bestond het uit twee platte acrylplaten met een kleine opening ertussen, waardoor vloeistof erdoor kan stromen. Aan één uiteinde van het kanaal plaatsten de onderzoekers 3D‑geprinte structuren die de gegroefde platen in de mond van de mobulaar nabootsten.

Ze testten de opstelling door water door het kanaal te pompen met verschillende snelheden. Ze voegden gekleurde inkt toe om de stroming effectief te visualiseren. Wanneer de doorstroomsnelheid toenam, creëerde het water wervelingen bij de opening van elke groef, waardoor de deeltjes niet konden passeren en de deeltjes in plaats daarvan langs de kanalen werden geduwd.

Wat mobulaarzen meestal doen, is zwemmen met de juiste snelheid om wervelingen te genereren die zelfs de kleinste planktondeeltjes vangen, waardoor de rest van het water door de kieuwen kan weglopen. Deze inzicht vormt de sleutel tot een ideale blauwdruk voor het optimaliseren van industriële cross‑flow filters, en biedt praktische begeleiding voor het verbeteren van filterontwerp.

1. Ford

Een van de meest gerespecteerde automerken ter wereld – Ford – haalde inspiratie van bijen om een lichtgewicht maar sterk honingraat‑vrachtplank te ontwerpen voor zijn gloednieuwe EcoSport SUV. De Ford EcoSport had een verstelbaar vrachtvloerdraad van hoogsterk 100 procent gerecycled papierhoningraat, waardoor compacte SUV‑klanten meer kunnen doen met minder.

Gemaakt van volledig natuurlijk papier en waterbasislijm, woog het honingraat‑vloerdraad zes pond en was zowel milieuvriendelijk als sterk genoeg om bijna 700 pond vracht te dragen. Oorspronkelijk afgeleid van honingbijen, werd de biomimicry‑technologie voor het eerst geïntroduceerd in de productie van huishoudelijke deuren 50 jaar geleden.

Terwijl hij sprak over het natuur‑geïnspireerde ontwerp in hun auto’s, zei Mike Maxzzella, assistent‑hoofdingenieur van de Ford EcoSport:

“Het hexagonale ontwerp van de honingraat is een bewijs van de vindingrijkheid van de natuur. Het is niet alleen sterk, het is superlicht. Klanten kunnen de plank in verschillende sleuven schuiven, zoals een ovenrek, en zelfs op de achterkant van de stoelen opbergen. Het maakt de EcoSport superflexibel in dagelijks gebruik.”

De EcoSport‑plank woog slechts zes pond. Toch was hij geklasseerd om bijna 700 pond te dragen over een oppervlak van 38,5 inch bij 25,25 inch. Met andere woorden, deze plank kan talloze combinaties van zware voorwerpen dragen, zoals vijf zakken betonmix (94 pond elk), vier grote zakken bovenlaag (40 pond elk), en acht individuele gallons water (iets meer dan acht pond elk).

Ford is altijd een bedrijf geweest dat zich heeft gericht op de functie van de natuur om te begrijpen hoe haar producten beter, efficiënter en robuuster kunnen worden gemaakt. Bijna een decennium geleden, in 2015, begon het bedrijf op georganiseerde wijze biomimicry te verkennen. Het kondigde een onderzoeks‑partnerschap met Procter and Gamble aan om nieuwe lijmen te creëren met hulp van het Biomimicry Institute, een non‑profitorganisatie die pleit voor de adoptie van natuur‑geïnspireerde oplossingen.

Terwijl ze sprak over het belang van dergelijke partnerschappen, had Beth Rattner, uitvoerend directeur van het Biomimicry Institute, het volgende te zeggen:

“Ik denk dat het cruciaal is dat iemand als Ford zegt: ‘We steken onze inspanningen hierin, niet alleen omdat we denken dat het beter, duurzamer ontwerp is, maar zodat mensen meer aandacht besteden aan het natuurlijke organisme in het proces.'”

In 2015 probeerde het bedrijf nieuwe lijmen af te leiden door de teennagels van de Tokay‑gecko te bestuderen, die de hagedis in staat stellen over plafonds en glazen ramen te rennen. Ford zag dit als een kans om de recyclingpercentages voor zijn voertuigen met tot wel 10 % te verhogen, omdat een door geco‑teennagels geïnspireerde lijm de autofabrikant zou kunnen helpen om de wirwar van kunststoffen en schuimen die overblijven nadat een auto is ontdaan van zijn metalen binnenkant beter te scheiden.

Volgens Debbie Mielewski, toen senior technisch leider voor kunststof‑ en duurzaamheidsonderzoek bij Ford:

“Als we het zouden kunnen scheiden, als we verschillende stromen erin zouden kunnen identificeren, zouden we een veel betere kans hebben om ze te gebruiken voor hoogwaardige toepassingen.”

Terwijl Ford blijft putten uit de natuur, blijft het ook financieel en omzettechnisch goed presteren. Het bedrijf registreerde een omzet van $46,20 billion in het kwartaal eindigend op 30 september 2024, met een groei van 5,47 %, waardoor de omzet van het bedrijf in de afgelopen twaalf maanden $182,74 billion bedroeg, een stijging van 4,89 % jaar‑op‑jaar. In het jaar 2023 had Ford Motor Company (F ) een jaarlijkse omzet van $176,19 billion met een groei van 11,47 %.

2.  The Procter and Gamble Company

Een andere grote onderneming die vooroploopt in het leren van betere productformulatieprincipes uit de natuur is Procter and Gamble. In 2024 vormde Procter and Gamble een partnerschap met Basecamp Research, een kaartmaker van genetische biodiversiteit voor AI‑gebaseerd eiwitontwerp, om de ontwikkeling van high‑performance reinigingsenzymen voor koude watercondities te versnellen.

Het partnerschap wilde leren van organismen die aangepast zijn aan koude omgevingen om nieuwe enzymen te ontwerpen met verbeterde koude wasprestaties met behulp van AI. Terwijl hij sprak over het doel van het partnerschap en de waarde die P&G eruit wil halen, had Dr Philip Souter OBE, senior directeur van laundry Research and Development bij P&G, het volgende te zeggen:

“We zijn verheugd om met Basecamp Research samen te werken aan dit initiatief, samen nieuwe oplossingen te ontwikkelen door hun unieke kijk op de natuur en AI‑capaciteit te combineren met onze uitgebreide innovatie‑expertise om een superieure consumentenervaring te leveren.”

P&G had specifieke plannen om de mogelijkheden van Basecamp Research te benutten bij het begrijpen van de genetische biodiversiteit van miljoenen organismen in koude omgevingen en deze te gebruiken om de effectiviteit bij lagere wastemperaturen te verhogen, waardoor de behoefte aan warm water wordt verminderd — wat beter is voor het milieu en de energierekening.

Procter and Gamble werd ook geïnspireerd door het onderzoek van Biomimicry 3.8 dat inzichten haalde uit slangen en bloedzuigers om betere detergenten te ontwerpen. Biomimicry 3.8 is ‘s werelds toonaangevende advies‑ en professionele trainingsbedrijf dat zich richt op natuur‑positief ontwerp en innovatie.

Een van de onderzoeken van Biomimicry 3.8 keek naar het verbeteren van de vlekverwijderende effectiviteit van wasproducten. Door zich te richten op diepe patronen in de biologische wereld, identificeerde Biomimicry 3.8 30 unieke biologische strategieën met het potentieel om de lastige uitdaging van het verwijderen van bloedvlekken uit stoffen op te lossen. Het onderzoek keek naar de manier waarop slangen en bloedzuigers functioneren, aangezien zij tot de vele organismen behoren die bloed kunnen verteren en worden beschouwd als een van de hardste vlekveroorzakers.

Deze organismen, samen met vele anderen, boden waardevolle ontwerplessen voor een oplossing met het potentieel om het gebruik van chloor, afvalwater en energie bij het verwijderen van vlekken te beperken. Door dit onderzoek heeft de R&D‑afdeling van P&G haar volledige onderzoeksinspanningen verlegd. Hoofdwetenschapper Yousef Aouad zei dat het werk het team een bloedvlekmodel gaf met een conceptueel begrip van de opeenvolgende stappen om bloedvlekken te verwijderen.

“Maar het belangrijkste is dat het model nu ook achteraf uitlegt: Waarom schieten onze huidige enzymen tekort in hun taak op bloedvlekken?”

– Yousef Aouad

Leren van de natuur en er consequent inspiratie uit halen betekende steeds meer groei in het aanbod van het bedrijf en diversiteit in het productassortiment. De omzet van het bedrijf zag een gestage groei in de netto‑omzet. Het groeide van US$71 billion in 2020 naar US$84 billion in 2024. Het operationele inkomen steeg ook van US$15,7 billion naar US$18,5 billion.

Klik hier om te leren hoe sprinkhanen ons kunnen leren licht te manipuleren.

De toekomst van natuur‑geïnspireerde ontwerpen

Bedrijven raken steeds meer geïnteresseerd in het putten van inspiratie uit de natuur, omdat hun ontwerpen duurzaam, milieuvriendelijk, in staat zijn beschikbare bronnen te optimaliseren en flexibel genoeg zijn om zich aan te passen aan diverse klimaatomstandigheden. 

Een van de meest recente en zeer populaire navolgingen van de natuur in ontwerp en engineering was toen Mercedes Benz de Bionic Car ontwikkelde, geïnspireerd door de grote structurele sterkte en lage massa van de kistvis. Er werd gemeld dat de auto de luchtweerstand verminderde terwijl hij aanzienlijke rigiditeit, laag gewicht en aanzienlijk lager brandstofverbruik vertoonde dan traditionele auto’s.

In Japan werd het ontwerp van de hogesnelheidstreinen geïnspireerd door de ijsvogel. Meesters in reizen tussen lucht en water, met zeer weinig spatten, inspireerden deze treinen het Shinkansen hogesnelheidstrein‑ontwerp met een lange, snavelvormige neus. Het ontwerp verminderde aanzienlijk de hoeveelheid geluid die de trein maakte, gebruikte 15 % minder elektriciteit en reisde 10 % sneller dan voorheen.

Bijna twee decennia geleden produceerde een andere groep MIT‑onderzoekers een nieuw materiaal dat kleine hoeveelheden water kon opvangen en beheersen. Het ontwerp was geïnspireerd op keukengrootte kevers. Het materiaal combineerde een superhydrofobe (waterafstotende) oppervlakte met superhydrofiele (wateraantrekkende) bobbels die waterdruppels vingen en de waterstroom regelden.

Potentiële toepassingen voor het nieuwe materiaal omvatten wateropvang, het maken van een lab‑on‑a‑chip (voor diagnostiek en DNA‑screening), en het creëren van microfluïdische apparaten en koelingsapparaten.

De geschiedenis van biomimicry is even oud als de menselijke beschaving zelf. Voorbeelden hiervan zijn niet alleen in engineering maar ook in architectuur. In architectuur uit biomimicry zich in het ontwerp van duurzamere en efficiëntere gebouwen die in harmonie met de natuur staan. Vaak biomimetische architecturen genoemd, halen deze gebouwen inspiratie uit de natuur om energie‑efficiënt, bioclimatisch, duurzaam, adaptief, veerkrachtig en duurzaam te worden.

Echter, om biomimicry een efficiënter proces te maken, moeten de tools effectiever worden. Volgens ontwerpers, hoewel er geen tekort is aan biomimicry‑tools om uit te kiezen, helpen de meeste biomimetische tools ontwerpers concepten te genereren en deze concepten van het veld van biomimetica naar potentiële toepassingen te vertalen, maar deze tools bieden weinig bruikbare adviezen over het omzetten van biologische concepten in vervaardigbare prototypes.

Er is echter een merkbare toename in investeringen in technologie die ons helpt natuur‑gebaseerde ontwerpen in onze alledaagse toepassingen te integreren. Volgens schattingen zou de wereldwijde biomimetische technologische markt kunnen groeien van US$6,8 billion in 2017 tot US$18,5 billion in 2028. 

In de vroegere dagen was het doel van technologie en machines om ons leven eenvoudiger te maken door repetitieve en iteratieve taken te automatiseren. Tegenwoordig moet technologie gericht zijn op duurzaamheid, zodat het beschikbare bronnen zorgvuldig gebruikt en de zo klein mogelijke impact op onze planeet heeft wat betreft CO₂‑emissies.

Natuur‑geïnspireerde ontwerpen kunnen een geweldige manier zijn om technologie op die manier efficiënter te maken. Deze eigenschap van natuur‑geïnspireerd ontwerp zou in de komende dagen meer aandacht en investeringen kunnen aantrekken.

Klik hier voor een lijst van toptechnologieën met eng potentieel.