Aero- en stromingsdynamica opnieuw bedenken met de Venus Flower Basket glazen spons

Glazen sponzen, vaak gevonden in de diepe oceaan, behoren tot de Hexacitinellida-klasse. Ze ontlenen hun naam aan hun weefsels, die glasachtige structurele deeltjes van silica bevatten. 

Het skelet van glazen sponzen is een evolutionair mechanisme dat hen helpt zich te verdedigen tegen diepzeevijanden door zich van nature en organisch te combineren met verschillende chemicaliën. 

Ongetwijfeld verfijnd, onderhouden glazen sponzen zichzelf door zich vast te hechten aan harde oppervlakken en kleine bacteriën en plankton te consumeren die uit het omringende water worden gefilterd. 

Sommige soorten kunnen aanzienlijk grote spicules vormen die een glazen huis vormen door samen te smelten in prachtige patronen. Deze skeletstructuren vermaken wetenschappers vaak omdat ze blijven bestaan zelfs nadat de spons is gestorven, en verschillende diepzeedieren gebruiken deze structuren als hun huizen!

De meest bekende glazen spons

Van alle diepzeevindende glazen sponzen is de Venus Flower Basket, een soort van Euplectella, bijzonder bekend. Het heeft zich voldoende ontwikkeld zodat zijn skelet een bepaalde soort schaaldier voor het leven kan vasthouden. Deze schaaldieren reproduceren, en hun nakomelingen zoeken hun eigen nieuwe bloemenmanden op. Gewoonlijk dienen deze sponzen als levenslange huizen voor twee kleine, garnaalachtige Stenopodidea, een mannetje en een vrouwtje. 

Dit kenmerk van fungeren als natuurlijke woning voor diepzeedieren heeft de Venus Flower Basket glazen spons altijd tot een fascinerend onderwerp gemaakt. Deze nieuwsgierigheid heeft onderzoekers nu geleid tot het ontdekken van een andere opmerkelijke eigenschap van deze dieren: hun vermogen om filtervoedend te zijn zonder te pompen.

Natuurlijke ‘Zero Energy’ stromingscontrole door de Venus Flower Basket spons

Een van de verbazingwekkende prestaties die deze oude dieren van nature bezitten, is hun vermogen om filtervoedend te zijn zonder te pompen, uitsluitend vertrouwend op de zwakke omgevingsstroom van de oceaan diepten. Maar hoe is dit mogelijk? Dat is wat een team van onderzoekers van de Universiteit van Rome Tor Vergata en NYU Tandon School of Engineering heeft onderzocht. Met behulp van extreem hoge-resolutie computersimulaties analyseerden ze de skeletstructuur van de Venus Flower Basket spons. De bevindingen waren, om zacht uit te drukken, verbluffend. Bovendien bood het een verbazingwekkend potentieel voor een reeks engineeringtoepassingen. 

Terwijl hij de baanbrekende aard van het experiment uitlegde, zei Maurizio Porfiri, NYU Tandon Institute Professor en directeur van het Center for Urban Science + Progress (CUSP), die mede de studie leidde en mede de research superviseerde:

“Ons onderzoek lost een debat op dat de afgelopen jaren is ontstaan: de Venus flower basket spons zou in staat kunnen zijn om passief voedingsstoffen op te nemen, zonder een actief pompsysteem. Het is een ongelooflijke aanpassing die deze filtervoeder in staat stelt te gedijen in stromingen die normaal ongeschikt zijn voor suspensievoeding.”

In wezen gebruiken deze glazen sponsdieren hun unieke skeletstructuur om de ultratrage stromingen van de diepe zee af te buigen, waardoor de stroom omhoog wordt geleid naar hun centrale lichaamsholte. Dit mechanisme filtert plankton en ander marien detritus uit het zeewater, dat de sponzen als voedsel gebruiken. Het spiraalvormige, geribbelde buitenoppervlak van de skeletstructuur van de spons functioneert als een spiraaltrap, die het water omhoog trekt door zijn poreuze, rasterachtige frame zonder dat er pompen nodig is.

De meest opmerkelijke eigenschap van de glazen spons is zijn natuurlijke ventilatie, die perfect werkt in de bijna stilstand van de diepe oceaanbodems. Dit is hoe deze diepzeesoorten zich hebben ontwikkeld, zich aanpassend aan de harde omgeving en passief voedsel opnemen bij een extreem trage stroom. 

Volgens Giacomo Falcucci van de Universiteit Tor Vergata in Rome:

“De spons heeft een elegante oplossing gevonden om de toevoer van voedingsstoffen te maximaliseren terwijl hij volledig via passieve mechanismen werkt.”

Het bereiken van deze verbazingwekkende inzichten was niet eenvoudig. Het kostte de onderzoekers meerdere jaren om adequate faciliteiten te bouwen die het fenomeen tot in de kleinste details konden begrijpen.

De faciliteiten die het onderzoek hebben geholpen zijn doel te bereiken 

De onderzoekers maakten gebruik van de Leonardo supercomputer bij CINECA, een non-profit consortium dat het grootste Italiaanse rekencentrum huisvest en een van de belangrijkste wereldwijd. 

Deze krachtige supercomputer hielp de onderzoekers een levensechte 3D-replica van de spons te ontwikkelen, met honderd miljard individuele punten die de ingewikkelde helicale ribstructuur van de spons nabootsen. Leonardo’s enorme rekenkracht maakte het mogelijk om quadriljoenen berekeningen per seconde uit te voeren, waarmee een breed scala aan waterstroomsnelheden en -condities werd gesimuleerd.

Volgens de betrokken onderzoekers kunnen de resultaten van de studie leiden tot tal van innovatieve engineeringoplossingen. Hieronder vatten we een paar van die innovatieve ideeën samen. 

Klik hier om te leren hoe het mogelijk is licht te manipuleren met behulp van bladhoppers.

Het praktische toepassingspotentieel van het onderzoek

De voorloper van dit onderzoek is een 2021‑studie uitgevoerd door hetzelfde team. In dat onderzoek keek het team specifiek naar hoe de Venus flower basket spons kunstmatige structuren zou kunnen verbeteren. Het team geloofde dat hun onderzoek naar de rol van sponsgeometrie bij de reactie op vloeistofstroming veel implicaties had voor het ontwerp van hoge gebouwen en mechanische structuren van diverse aard, waaronder wolkenkrabbers, lage‑dragende nieuwe structuren voor schepen, en zelfs vliegtuigrompen.

Volgens Giacomo Falcucci van de Universiteit Tor Vergata in Rome, hielp het 2021‑experiment met de glazen spons vragen te beantwoorden zoals:

“Zal er minder aerodynamische weerstand zijn op hoge gebouwen die met een vergelijkbaar raster van ribben en gaten zijn gebouwd? Zal het de verdeling van krachten optimaliseren?”

Het huidige onderzoek, dat dieper ingaat op de biometrische engineeringaspecten van de glazen spons, zou kunnen helpen bij het ontwerpen van efficiëntere reactoren met geoptimaliseerde stromingspatronen en geminimaliseerde externe weerstand.

Het volgen van de interne engineeringprincipes van de geribbelde en poreuze oppervlakken van de glazen spons zou de luchtfiltratie en ventilatiesystemen in wolkenkrabbers en andere structuren kunnen verbeteren. De asymmetrische helicale ribben, bijvoorbeeld, kunnen lage‑drag rompen of rompen inspireren die gestroomlijnd blijven terwijl ze de interne luchtstroom bevorderen.

Van 2021 tot 2024 is het onderzoek naar Venus Flower Basket sponzen voortgezet, waarbij voortdurend werd ontdekt hoe dit bio‑engineeringswonder meer praktische toepassingen zou kunnen inspireren.

Het benutten van de natuur als ontwerp inspiratie voor hun producten heeft veel bedrijven geholpen efficiëntie te verbeteren en optimalisatie te introduceren.

#1. Bionische auto’s van Mercedes Benz

In maart 2024, Mercedes Benz, terwijl ze de ontwerpfilosofie uitlegden achter een van hun nieuwste modellen, Vision EQXX, zei het volgende:

“Als het gaat om lichtgewicht constructie, is de natuur nog steeds het beste rolmodel: van doosvissen tot de ijstern – veel dieren hebben optimale lichaamsvormen en andere mogelijkheden ontwikkeld die hen in staat stellen hun migratieroutes te reizen met minimale energie‑uitgaven. Maximale efficiëntie was ook het leidende principe achter het technologieprogramma dat de VISION EQXX produceerde – daarom zijn delen van de chassisstructuur gebaseerd op natuurlijke vormen en bionische ontwerpprincipes.”

Het bedrijf heeft zijn bio‑inspirerende materiaalgebruikfilosofie de Bionicast‑procedure genoemd. Deze benadering pleit voor het gebruik van materiaal alleen waar de belastingspaden noodzakelijk zijn. Als gevolg daarvan hebben de bionische elementen een voortdurend variërende wanddikte en openingen die lijken op een skelet.

Het bedrijf gelooft dat de bio‑inspirerende ontwerpfilosofie heeft geleid tot een product dat zeer functioneel en compact is, met aanzienlijk verminderd gewicht. Bijvoorbeeld, bionische ontwerpen op de achtervloer van de auto hebben alleen al 15‑20 % gewicht en materiaal bespaard. De wissermotorklem heeft ook een gewichtsvoordeel van 20 %.

De Mercedes‑Benz Bionic‑auto, bekend om zijn uitstekende aerodynamica, debuteerde in juni 2005 in Washington, DC. Sindsdien is hij blijven evolueren, waarbij hij relevant en prominent blijft binnen de automobielgemeenschap. Het innovatieve ontwikkelingsproces van BIONICAST won de Material Design + Technology Award 2022 in de categorie ‘Best of Process’. Tegen 2039, geholpen door de verminderde grondstofverbruikprincipes en het lichte constructiepotentieel van Bionicast, streeft Mercedes Benz ernaar het overkoepelende doel van netto koolstofneutraliteit over de gehele waardeketen te bereiken met hun vloot van nieuwe voertuigen.

In 2023, Mercedes Benz rapporteerde een omzet van 153,2 miljard euro, een stijging van 3,2 miljard euro ten opzichte van de 150 miljard euro omzet in 2022. Het bedrijf registreerde een EBIT van 19,7 miljard euro, en de EPS bedroeg 13,46 euro.

#2. Biohm

Biohm, een meervoudig bekroond onderzoeks‑ en ontwikkelingsbedrijf, gelooft in de filosofie van ‘de natuur laten leiden bij innovatie’. Als missie heeft het bedrijf ‘culturele en natuurlijke systemen harmoniseren door verantwoord licenseren van baanbrekende, schaalbare biotechnologieën’.

Een van de vlaggenschiptechnologieën van Biohm benut de kracht van mycelium – de vegetatieve filamentstructuur van paddenstoelen. Het bedrijf gebruikt deze technologie om hoog‑impact en high‑performance oplossingen te produceren bij het ontwikkelen van geavanceerde componenten zoals deeltjescomposieten, vezelversterkte composieten, monolithische materialen en polymer‑achtige monolithische materialen. Deze zijn zeer geschikt voor gebruik in de bouw, consumenten‑ of retailproducten, gespecialiseerde verpakkingen, interieurs, meubelstukken en mode.

Via haar ‘Orb’-technologie zet Biohm enkele van de snelst groeiende ‘afvalstromen’ – voedsel- en landbouwafval – om in waardevolle en functionele high‑performance producten. Deze producten kunnen worden gevormd tot vellen en gegoten tot ingewikkelde 3‑D‑vormen en 3‑D‑geprinte producten.

Daarnaast biedt Biohm een geprefabriceerd constructiesysteem dat geen permanente bindmiddelen of bevestigingsmiddelen vereist, waardoor robuuste, hoogwaardige structuren ontstaan. Geïnspireerd door de wiskundige geometrie van de koolstofmoleculaire bindingen, kan dit systeem de milieu‑impact, kosten en bouwtijd van een gebouw met respectievelijk 120 %, 70 % en 95 % verminderen.

In een van haar baanbrekende bioremediatie‑inspanningen heeft Biohm, in samenwerking met Waitrose & Partners en Power To Change, vier myceliumstammen ontwikkeld die plastic kunnen consumeren, waaronder polyurethaan (PU), polyethyleen (PE), polystyreen (PS) en polyester (PET). Door gebruik te maken van deze mycelium‑gecentreerde technologie, kunnen plastics worden afgebroken tot suikers, onschadelijke koolwaterstoffen en kooldioxide. Het mycelium consumeert de suikers en koolwaterstoffen, terwijl de kooldioxide wordt omgezet in zuurstof door fotosynthetische organismen.

Volgens branche‑schattingen heeft het bedrijf tot nu toe financiering van US$1,73 miljoen weten binnen te halen.

De toekomst van bio‑inspirerende aero‑ en stromingsdynamica

Het opnieuw bedenken van aero‑ en stromingsdynamica door inspiratie uit de natuur heeft onderzoekers wereldwijd gemotiveerd. Bij het Bio‑Inspired Flight Lab van de Universiteit van Bristol, geleid door Dr. Shane Windsor, hebben onderzoekers bijvoorbeeld een reeks sensor‑ en controle‑aspecten van diervlucht onderzocht en hoe deze de technologieën voor kleine onbemande luchtvaartuigen (UAV’s) zouden kunnen verbeteren. (MBG.DE )

Een van de grootste merken ter wereld, Lockheed Martin (LMT ), heeft inspiratie gehaald voor haar Skunk Works van de Herculeskevers uit tropisch Centraal‑ en Zuid‑Amerika om organisch te verduisteren of te verlichten om zo de dagelijkse verschuivende tint van het omringende regenwoud te evenaren. Onderzoekers bij Skunk Works geloven dat het nabootsen van deze eigenschap de productie van composiet vliegtuigonderdelen kan verbeteren door sensoren te ontwikkelen die technici waarschuwen wanneer een complexe structuur het juiste vochtigheidsniveau heeft bereikt om door te gaan naar de volgende stap van het productieproces.

Volgens Thomas Koonce, de verantwoordelijke voor het Revolutionary Technology Portfolio van Skunk Works, “Kleurveranderende sensoren zouden een snelle, goedkope en betrouwbare manier zijn om te bepalen of de omstandigheden geschikt zijn voor productie.” Koonce beschouwt dit als een ‘lage‑kosten, lage‑arbeidsoplossing’.

Bij NASA’s Glenn Research Center in Ohio hebben de snorharen van baai‑zeekoeien onderzoeker Vikram Shyam geïnspireerd om lage‑drag turbinebladen te ontwerpen voor het Advanced Air Transport Technology Project, dat baanbrekende energie‑efficiëntie voor vaste‑vleugelvliegtuigen nastreeft.

Evenzo is Isaiah Blankson, senior technoloog bij NASA’s Glenn Research Center in Ohio, geïnspireerd door de acrobatische precisie van zwemmende pinguïns om het Low‑Boom Flight Demonstration‑programma te ontwikkelen dat probeert sonische knallen te verminderen met aerodynamische vormgeving.

Inspiratie uit de natuur heeft de mens enorm geholpen hun aero‑ en stromingsdynamische oplossingen te verbeteren. De wijsheid van de natuur en het dierenrijk, geslepen gedurende honderdduizenden jaren van evolutionaire praktijken en overlevingstactieken, biedt een schat aan kennis voor betere engineeringoplossingen die efficiënt, kosteneffectief en duurzaam zijn.

Klik hier om te leren hoe robotica een voorbeeld neemt aan de natuur.