Ingeniører ser til naturen for inspirasjon i design av 3D‑printede vannfiltreringsløsninger

Natur har alltid inspirert ingeniører, arkitekter, teknologiske forskere og vitenskapsfolk over hele verden. Fugler har inspirert vår flyteknologi. Prairie‑økosystemer har oppmuntret menneskeheten til å utvikle mer bærekraftige og effektive landbrukssystemer. Spiralstrømmer i blomster har inspirert effektive vannblandingssystemer. Bur‑frø har inspirert borrelås. Listen fortsetter uten ende!

Nå har en vitenskapelig rapport kommet ut der MIT‑ingeniører viser hvordan mobulastrålens unike filterspisingsteknikk og dens spesialiserte strukturer kan inspirere mer effektive industrielle vannfiltre. 

Før vi dykker dypere inn i oppdagelsen, la oss kort se på mobulastråler.

Hva er mobulastråler?

Også kalt flygende stingrayer for deres akrobatiske hopp, Mobula Rays er skapninger med store, flate, diamantformede kropper og lange finner som gjør dem i stand til å gli gjennom vannet – og også gjennom luften.  Disse fiskene samles jevnlig for å hoppe ut av havet og kaste seg inn i luften, ofte hoppende rundt to meter over vannet før de faller ned med et plask.

Som Naturhistorisk museum påpeker, filterspiser mobulastråler, noe som betyr at de siler plankton ut av vannet ved hjelp av munnen, og at stimene deres ofte samles i enorme mengder. Men hvordan kan de være en inspirasjon i design av 3D‑printede vannfiltreringsløsninger? Vi vil diskutere dette i neste segment.

Klikk her for å lære om hvordan robotikk kan ta inspirasjon fra naturen.

Følge mobulastråler for vannfiltrering

Mobulastråle‑filtreringsapparatet ligner industrielle kryss‑strømningsfiltre, men opererer under et annet parameterregime. For å bygge bro mellom industriell kryss‑strøm og mobulafiltrering, etablerte forskerne et universelt rammeverk for permeabilitet‑selektivitet‑avveiningen i en lekk kanal.

Forskerne hevder å ha demonstrert med suksess at geometrien til mobulafiltre har utviklet seg for å finne en balanse som gjør det mulig å puste og spise, og avlede designprinsipper som går utover tradisjonelle filtreringsregimer. Resultatet er skapelsen av mobula‑inspirerte filtreringsenheter. 

Selv om alt dette kan høres ut som komplekse øvelser innen biomimetikk, er det enklere å følge mekanismen hvis vi ser nærmere på mobulastråler. Mobulastråler spiser ved å svømme med åpen munn gjennom plankton‑rike områder i havet og filtrere planktonpartikler inn i spiserøret mens vann strømmer inn i munnen og ut gjennom gjellene.

Bunnen av mobulastrålens munn er på hver side kledd med parallelle, kam‑lignende strukturer, kalt plater, som suger vann inn i strålens gjeller. Det er disse platene som inneholder nøkkelen til den nåværende forskningen vi diskuterer her.

MIT‑forskerteamet har vist at dimensjonene til disse platene kan tillate innkommende plankton å sprette helt over platene og videre inn i strålens hulrom i stedet for å gå ut gjennom gjellene. Dessuten kan mobulastrålens gjeller absorbere oksygen fra det utgående vannet for å kunne puste samtidig som den spiser.

Ifølge studie forfatter Anette “Peko” Hosoi, Pappalardo professor i maskinteknikk ved MIT:

“Vi (forskerne) viser at mobulastrålen har utviklet geometrien til disse platene til å være den perfekte størrelsen for å balansere spising og pusting.”

Forskerne utviklet et vannfilter i samsvar med mobulastrålens plankton‑filtreringsegenskaper. Deretter undersøkte de hvordan vann kunne strømme gjennom filteret når det var utstyrt med 3D‑printede plate‑lignende strukturer. Resultatene fra disse øvelsene ble samlet i en blåkopi for designere som kan bruke den til å optimalisere industrielle kryss‑strømningsfiltre, som i stor grad ligner på konfigurasjonen til mobulastrålen.

Ifølge hovedforfatter og MIT‑postdoktor Xinyu Mao:

“Vi ønsker å utvide designrommet for tradisjonell kryss‑strømningsfiltrering med ny kunnskap fra manta‑strålen.”

Mens han forklarte naturen av utvidelsen, sa forskeren:

“Folk kan velge et parameterregime for mobulastrålen slik at de potensielt kan forbedre den samlede filterytelsen.”

I deres egen mobula‑inspirerte filterdesign laget forskerteamet et enkelt filter. Designet, kjent som en ‘lekk kanal’, ligner et rør med hull langs sidene. For å utdype mer om ‘kanalen’, besto den av to flate akrylplater med en liten spalte mellom dem, som tillater væske å strømme gjennom. På den ene enden av kanalen plasserte forskerne 3D‑printede strukturer som etterlignet de sporete platene inne i mobulastrålens munn.

De testet oppsettet ved å pumpe vann gjennom kanalen med varierende hastigheter. De tilførte farget blekk for å oppnå en effektiv visualisering av strømmen. Når strømningshastigheten økte, skapte vannet virvler ved munnen på hver spor, som hindret partikler i å passere gjennom og i stedet skjøv partiklene ned langs kanalene.

Hva mobulastråler vanligvis gjør er å svømme med riktig hastighet for å generere virvler som fanger selv de minste planktonpartiklene, slik at resten av vannet kan strømme ut gjennom gjellene. Denne innsikten blir nøkkelen til en ideell blåkopi for optimalisering av industrielle kryss‑strømningsfiltre, og gir praktisk veiledning for forbedring av filterdesign.

1. Ford

Et av de mest anerkjente bilmerkene i verden – Ford – hentet inspirasjon fra bier for å designe en lett, men sterk honningkake‑lastestativ for sin helt nye EcoSport SUV. Ford EcoSport hadde et justerbart lastelokk laget av høy‑styrke, 100 prosent resirkulert papir‑honningkake, som hjelper kompakte SUV‑kunder å få mer gjort med mindre.

Bygget av helt naturlig papir og vannbasert lim, veide den seks pund tunge honningkake‑gulvplaten både miljøvennlig og var sterk nok til å håndtere nesten 700 pund last. Opprinnelig avledet fra honningbier, ble biomimetisk teknologi først introdusert i produksjon av husdør for 50 år siden. 

Mens han snakket om den natur‑inspirerte designen i sine biler, sa Mike Maxzzella, Ford EcoSport assisterende hovedingeniør, at:

“Den sekskantede designen av honningkake er et bevis på naturens oppfinnsomhet. Ikke bare er den sterk, den er superlett. Kundene kan skyve hyllen inn i flere forskjellige spor, som et ovnsracks, og til og med lagre den på baksiden av setene. Det gjør EcoSport super‑fleksibel i daglig bruk.” 

EcoSport‑hyllen veide kun seks pund. Likevel ble den vurdert til å håndtere nesten 700 pund over en overflate på 38,5 tommer med 25,25 tommer. Med andre ord kunne dette slanke hyllesystemet holde utallige kombinasjoner av tunge gjenstander, som fem sekker med betongblanding (94 pund hver), fire store sekker med toppjord (40 pund hver), og åtte individuelle gallons vann (bare litt over åtte pund hver).

Ford har alltid vært et selskap som har søkt inspirasjon fra naturens funksjon for å forstå hvordan produktene deres kunne bli bedre, mer effektive og robuste. Nesten et tiår tilbake, i 2015, begynte selskapet å utforske biomimetikk på en organisert måte. De kunngjorde et forskningspartnerskap med Procter and Gamble for å skape nye lim med bistand fra Biomimicry Institute, en ideell organisasjon som har arbeidet for å fremme adopsjon av natur‑inspirerte løsninger.

Mens hun snakket om viktigheten av slike partnerskap, hadde Beth Rattner, administrerende direktør for Biomimicry Institute, følgende å si:

“Jeg tror det er kritisk at noen som Ford sier, ‘Vi legger vår innsats i dette ikke bare fordi vi tror det er bedre, mer bærekraftig design, men så folk vil legge mer merke til den naturlige organismen i prosessen.'”

I 2015 forsøkte selskapet å utvikle nye lim ved å studere tåpadene til Tokay-geckoen, som gjør at øglen kan løpe over tak og glassvinduer. Ford så dette som en mulighet til å øke resirkuleringsraten for sine kjøretøy med opptil 10 % ettersom et gecko‑tå‑inspirert lim kunne gjøre det mulig for bilprodusenten å bedre separere plast‑ og skumblandingen som blir igjen etter at en bil er demontert fra sine metallinnvendige deler.

Ifølge Debbie Mielewski, den daværende senior tekniske lederen for plast‑ og bærekraftforskning hos Ford:

“Hvis vi kunne skille den, hvis vi kunne identifisere ulike strømmer innen den, ville vi ha en mye bedre sjanse til å kunne bruke dem til høyere end‑applikasjoner.”

Mens Ford fortsetter å hente inspirasjon fra naturen, presterer de fortsatt godt økonomisk og inntektsmessig. Selskapet registrerte en inntekt på 46,20 milliarder dollar i kvartalet som endte 30. september 2024, med 5,47 % vekst, og bringer selskapets inntekt de siste tolv månedene til 182,74 milliarder dollar, opp 4,89 % år‑over‑år. I år 2023 hadde Ford Motor Company (F ) en årlig inntekt på 176,19 milliarder dollar med 11,47 % vekst.

2.  The Procter and Gamble Company

En annen stor bedriftsenhet som er i frontlinjen for å lære bedre produktformuleringsprinsipper fra naturen er Procter and Gamble. I 2024 dannet Procter and Gamble et partnerskap med Basecamp Research, en kartlegger av genetisk biodiversitet for AI‑basert protein‑design, for å fremskynde utviklingen av høy‑ytelses rengjøringsenzymer for kaldt vann.

Partnerskapet var ivrig etter å lære av organismer tilpasset kalde miljøer for å designe nye enzymer med forbedret kaldvask‑ytelse ved hjelp av AI. Mens han snakket om formålet med partnerskapet og verdien P&G ønsker å hente fra det, hadde Dr. Philip Souter OBE, senior direktør for vaskerforsking og utvikling hos P&G, følgende å si:

“Vi er glade for å samarbeide med Basecamp Research om dette initiativet, og jobber sammen for å utvikle nye løsninger ved å kombinere deres unike syn på naturen og AI‑kapasitet med vår omfattende innovasjonskompetanse for å levere en overlegen forbrukeropplevelse.”

P&G hadde spesifikke planer om å utnytte Basecamp Researchs evne til å forstå den genetiske biodiversiteten til millioner av organismer i kalde miljøer og bruke den til å øke effektiviteten ved lavere vaske‑temperaturer for å redusere behovet for varmt vann – noe som er bedre for miljøet og oppvarmingsregningene.

Procter and Gamble ble også inspirert av Biomimicry 3.8s forskning som hentet innsikt fra slanger og ledd for å designe bedre vaskemidler. Biomimicry 3.8 er verdens ledende konsulent- og profesjonelle opplæringsfirma som fokuserer på natur‑positiv design og innovasjon.

En av Biomimicry 3.8s studier så på forbedring av flekk‑fjernings‑effektiviteten til vaskemidler. Ved å fokusere på dype mønstre i den biologiske verden identifiserte Biomimicry 3.8 30 unike biologiske strategier med potensial til å løse den vanskelige utfordringen med å fjerne blodflekker fra stoff. Studien undersøkte hvordan slanger og ledd fungerer, da de er blant de mange organismer som kan fordøye blod og anses som noen av de tøffeste flekk‑skaperne.

Disse organismene, sammen med mange flere, ga verdifulle design‑leksjoner for en løsning med potensial til å begrense bruken av klor, avløpsvann og energi ved fjerning av flekker. På grunn av denne forskningen skiftet P&Gs FoU‑avdeling hele sin forskningsinnsats. Hovedforsker Yousef Aouad sa at arbeidet ga teamet en blodflekk‑modell med en konseptuell forståelse av sekvensielle trinn for å fjerne blodflekker.

“Men viktigst av alt, modellen forklarer nå i ettertid: Hvorfor er det slik at våre nåværende enzymer ikke klarer jobben på blodflekker?”

– Yousef Aouad

Å lære fra naturen og konsekvent hente inspirasjon fra den har ført til mer og mer vekst i selskapets tilbud og mangfold i produktutvalget. Selskapets inntekt opplevde en jevn vekst i nettoomsetningen. Den vokste fra 71 milliarder dollar i 2020 til 84 milliarder dollar i 2024. Driftsinntekten økte også fra 15,7 milliarder dollar til 18,5 milliarder dollar.

Klikk her for å lære hvordan bladhopper kan lære oss å manipulere lys.

Fremtiden for natur‑inspirerte design

Bedrifter blir stadig mer interessert i å hente inspirasjon fra naturen siden deres design er bærekraftige, miljøvennlige, i stand til å optimalisere tilgjengelige ressurser, og fleksible nok til å tilpasse seg ulike klimaforhold. 

Et av de mest nylige og svært populære eksemplene på etterligning av natur i design og ingeniørkunst var da Mercedes Benz utviklet den bioniske bilen, og hentet inspirasjon fra den store strukturelle styrken og lave massen til boksenfisken. Bilen ble rapportert å redusere luftmotstand samtidig som den viste betydelige nivåer av stivhet, lav vekt og betydelig lavere drivstofforbruk enn tradisjonelle biler. 

I Japan ble designet av hurtigtog inspirert av isfuglen. Mestere i å reise mellom luft og vann med svært lite sprut, inspirerte disse togene Shinkansen høyhastighetstog med en lang nebb‑formet nese. Designet reduserte betydelig mengden støy toget laget, og brukte også 15 prosent mindre elektrisitet, og reiste 10 prosent raskere enn før.

Nesten to tiår siden produserte en annen gruppe MIT‑forskere et nytt materiale som kunne fange og kontrollere små mengder vann. Designet var inspirert av billige bille (dime‑sized beetles). Materialet kombinerte en superhydrofob (vannavstøtende) overflate med superhydrofile (vann‑tiltrekkende) knopper som fanget vanndråper og kontrollerte vannstrømmen. 

Potensielle anvendelser for det nye materialet inkluderte vanninnsamling, lage et laboratorium på en chip (for diagnostikk og DNA‑screening), og skape mikrofluidiske enheter og kjøleenheter.

Historien om biomimetikk er like gammel som menneskehetens sivilisasjon. Eksempler på dette finnes ikke bare innen ingeniørkunst, men også innen arkitektur. I arkitektur uttrykker biomimetikk seg i design av mer bærekraftige og effektive bygninger som er i harmoni med naturen. Ofte kalt biomimetiske arkitekturer, trekker disse bygningene inspirasjon fra naturen for å bli energieffektive, bioklimatiske, bærekraftige, tilpasningsdyktige, motstandsdyktige og holdbare. 

Imidlertid, for å gjøre biomimetikk til en mer effektiv prosess, må verktøyene bli mer effektive. Ifølge designere, selv om det ikke mangler biomimetikk‑verktøy å velge mellom, hjelper de fleste biomimetiske verktøy designere med å generere konsepter og kartlegge disse konseptene fra biomimetikkfeltet til potensielle anvendelser, men disse verktøyene gir lite handlingsrettet råd om å oversette biologiske konsepter til produserbare prototyper.

Imidlertid har det vært en merkbar økning i investeringer i teknologi som hjelper oss med å adoptere natur‑baserte design i våre daglige anvendelser. Ifølge estimater kan det globale biomimetikk‑teknologimarkedet vokse fra US$6,8 milliarder i 2017 til US$18,5 milliarder i 2028. 

I de tidlige dagene var formålet med teknologi og maskiner å gjøre livene våre enklere ved å automatisere oppgaver som var repeterende og iterative. I dag må teknologi være bærekraft‑orientert slik at den bruker tilgjengelige ressurser på en fornuftig måte og etterlater minst mulig påvirkning på planeten vår i form av karbonutslipp.

Natur‑inspirerte design kan være en flott måte å gjøre teknologi mer effektiv på. Denne egenskapen ved natur‑inspirert design vil bidra til å tiltrekke mer oppmerksomhet og investeringer i årene som kommer.

Klikk her for en liste over topp‑teknologier med skremmende potensial.