Å tenke nytt om aero- og fluiddynamikk gjennom Venusblomsterkurv-glasssvampen

Glasssvamper, som vanligvis finnes i dypet av havet, tilhører klassen Hexacitinellida. De får navnet sitt fra vevet, som består av glasslignende strukturelle partikler laget av silika. 

Skjelettet til glasssvamper er en evolusjonær mekanisme som hjelper dem å bekjempe dypvannsrovdyr ved naturlig og organisk å kombinere seg med ulike kjemikalier. 

Uten tvil sofistikerte, opprettholder glasssvamper seg ved å klamre seg til harde overflater og konsumere små bakterier og plankton filtrert fra det omkringliggende vannet. 

Noen arter kan lage betydelig store spikler som danner et glasshus ved å smelte sammen i vakre mønstre. Disse skjelettstrukturene underholder ofte forskere ettersom de forblir intakte selv etter at svampen har dødd, og flere dypvannsdyre bruker disse strukturene som sine hjem!

Den mest kjente glasssvampen

Blant alle de dyplevende glasssvampene er Venusblomsterkurv, en art av Euplectella, spesielt kjent. Den har utviklet seg slik at skjelettet kan fange en viss art av krepsdyr inne for livet. Disse krepsdyrene formerer seg, og avkommet søker nye blomsterkurver. Vanligvis fungerer disse svampene som livslange hjem for to små, reke-lignende Stenopodidea, en hann og en hunn. 

Denne egenskapen med å fungere som naturlig bolig for dypvannscreature har alltid gjort Venusblomsterkurv-glasssvampen til et dyr som vekker nysgjerrighet. Denne nysgjerrigheten har nå ført forskere til å oppdage en annen bemerkelsesverdig egenskap hos disse dyrene: deres evne til å filtrere føde uten å pumpe. 

Naturlig ‘null-energi’ strømstyring av Venusblomsterkurv-svampen

En av de fantastiske prestasjonene disse eldgamle dyrene er født med er deres evne til å filtrere føde uten pumping, og kun stole på den svake omgivende strømmen i havdypet. Men hvordan er dette mulig? Det er dette et forskerteam ved Universitetet i Roma Tor Vergata og NYU Tandon School of Engineering har undersøkt. Ved å bruke ekstremt høyoppløselige datasimuleringer analyserte de skjelettstrukturen til Venusblomsterkurv-svampen. Resultatene var, for å si det mildt, helt sinnsyke. Dessuten hadde det enormt potensial for en rekke ingeniørapplikasjoner. 

Mens han forklarte eksperimentets banebrytende natur, sa Maurizio Porfiri, professor ved NYU Tandon Institute og direktør for Center for Urban Science + Progress (CUSP), som medledet studien og medveiledet forskningen, følgende:

“Vår forskning løser en debatt som har oppstått de siste årene: Venusblomsterkurv-svampen kan muligens trekke inn næringsstoffer passivt, uten noen aktiv pumpemekanisme. Det er en utrolig tilpasning som gjør at denne filtrerende organismen kan trives i strømmer som normalt er uegnet for suspensjonsfôring.”

I hovedsak bruker disse glasssvampdyrene sin unike skjelettstruktur til å avlede de ultra-sakte strømningene i dypet, og lede strømmen oppover inn i deres sentrale kroppshule. Denne mekanismen filtrerer ut plankton og annet marint avfall fra sjøvannet, som svampene bruker som mat. Den spiralformede, ribbete ytre overflaten av svampens skjelett fungerer som en spiraltrapp, som trekker vannet oppover gjennom sin porøse, gitterlignende ramme uten behov for pumpeenergi. 

Den mest bemerkelsesverdige egenskapen til glasssvampen er dens naturlige ventilasjon, som fungerer perfekt i den nesten stillestående dypvannsbunnen. Dette er hvordan disse dypvannsspesiene har utviklet seg, tilpasset seg det harde miljøet og passivt trekker inn mat ved en ekstremt langsom strøm. 

Ifølge Giacomo Falcucci fra Tor Vergata University of Rome:

“Svampen har kommet frem til en elegant løsning for å maksimere næringstilførselen mens den opererer helt gjennom passive mekanismer.”

Å oppnå disse fantastiske innsiktene var ikke lett. Det tok flere år for forskerne å bygge egnede fasiliteter som kunne forstå fenomenet ned til minste detalj.

Fasilitetene som hjalp forskningen å nå sitt mål 

Forskerne benyttet Leonardo-superdatamaskinen ved CINECA, et ideelt konsortium som er vert for Italias største datamaskinsenter og et av de viktigste globalt. 

Denne kraftige superdatamaskinen hjalp forskerne med å utvikle en livaktig 3D-replika av svampen, med hundre milliarder individuelle punkter som gjenskaper svampens intrikate helikale ryggstruktur. Leonardos enorme beregningskraft gjorde det mulig å utføre kvadrillioner av beregninger per sekund, og simulere et bredt spekter av vannstrømhastigheter og forhold.

Ifølge de involverte forskerne kan studiens resultater føre til mange innovative ingeniørløsninger. Nedenfor oppsummerer vi et par av slike innovative ideer. 

Klikk her for å lære hvordan det er mulig å manipulere lys med hjelp av bladhoppe.

Det virkelige anvendelsespotensialet for forskningen

Forløperen til denne forskningen vi diskuterer er en 2021-studie utført av samme team. I den forskningen så teamet spesifikt på hvordan Venusblomsterkurv-svampen kunne forbedre man-made strukturer. Teamet mente at undersøkelsen av svampens geometri i respons på fluidstrøm hadde mange implikasjoner for design av høye bygninger og mekaniske strukturer av ulik art, inkludert skyskrapere, lavdrag-nye strukturer for skip, og til og med flyfuseler. 

Ifølge Giacomo Falcucci fra Tor Vergata University of Rome, hjalp 2021-eksperimentet på glasssvampen med å besvare spørsmål som:

“Vil det bli mindre aerodynamisk drag på høye bygninger bygget med et lignende gitter av ribber og hull? Vil det optimalisere fordelingen av påførte krefter?” 

Den nåværende forskningen, som går dypere inn i de biometriske ingeniøraspektene ved glasssvampen, kan bidra til å designe mer effektive reaktorer med optimaliserte strømmønstre og minimert ytre drag. 

Å følge de indre ingeniørprinsippene for de ribbete og porøse overflatene på glasssvampen kan øke luftfiltrering og ventilasjonssystemer i skyskrapere og andre strukturer. De asymmetriske helikale ribbene kan for eksempel inspirere lav-drag-skrog eller fuseler som forblir strømlinjeformede samtidig som de fremmer intern luftstrøm. 

Fra 2021 til 2024 fortsatte forskningen på Venusblomsterkurv-svamper, og avdekket stadig hvordan dette bioingeniørmarvel kunne inspirere flere virkelige anvendelser. 

Å utnytte naturen som designinspirasjon for sine produkter har hjulpet mange selskaper med å forbedre effektiviteten og introdusere optimalisering. 

#1. Bioniske biler fra Mercedes Benz

I mars 2024, Mercedes Benz, mens de forklarte designfilosofien bak en av sine nyeste modeller, Vision EQXX, sa følgende: 

“Når det gjelder lett konstruksjon, er naturen fortsatt den beste rollemodellen: fra bokfisk til arktisk terne – mange dyr har utviklet optimale kroppsformer og andre evner som gjør at de kan reise sine migrasjonsruter med minimal energiforbruk. Maksimal effektivitet var også det ledende prinsippet bak teknologiprogrammet som produserte VISION EQXX – derfor er deler av chassisstrukturen basert på naturlige former og bioniske designprinsipper.” 

Selskapet har kalt sin bio-inspirerte materialbrukfilosofi for Bionicast-prosessen. Denne tilnærmingen går inn for å bruke materiale kun der belastningsveiene er nødvendige. Som et resultat har de bioniske elementene en konstant varierende veggtykkelse og åpninger som ligner et skjelett. 

Selskapet mener at den bio-inspirerte designfilosofien har resultert i et produkt som er svært funksjonelt og kompakt, med betydelig redusert vekt. For eksempel har bioniske design på bilens bakgulv alene spart 15-20 % i vekt og materiale. Viskermotorens brakett har også en 20 prosent vektfordel.

Mercedes-Benz (MBG.DE ) Bionic-bilen, kjent for sin utmerkede aerodynamikk, debuterte i juni 2005 i Washington, DC. Siden da har den fortsatt å utvikle seg, og opprettholdt sin relevans og fremtredende posisjon i bilsamfunnet. Den innovative utviklingsprosessen for BIONICAST vant Material Design + Technology Award i 2022 i kategorien ‘Best of Process’. Innen 2039, med hjelp av prinsippene for redusert ressursforbruk og lett konstruksjonspotensialet til Bionicast, har Mercedes Benz som mål å oppnå det overordnede målet om netto karbonnøytralitet gjennom hele verdikjeden i sin flåte av nye kjøretøy.

I 2023, Mercedes Benz rapporterte en omsetning på 153,2 milliarder euro, en økning på 3,2 milliarder euro fra 150 milliarder euro i 2022. Selskapet registrerte en EBIT på 19,7 milliarder euro, og EPS var 13,46 euro. 

#2. Biohm

Biohm, et flermangspråklig prisvinnende forsknings- og utviklingsselskap, tror på filosofien om ‘å la naturen lede innovasjon.’ Som sin misjon har selskapet ‘harmonisert kulturelle og naturlige systemer gjennom ansvarlig lisensiering av banebrytende, skalerbare bioteknologier.’

En av Biohms flaggskipteknologier utnytter kraften til mycelium – den vegetative filamentøse rotnettverket til sopp. Selskapet bruker denne teknologien til å produsere høyinnvirknings- og høyytelsesløsninger i utviklingen av sofistikerte komponenter som partikkelforsterkede kompositter, fiberforsterkede kompositter, monolittiske materialer og polymerlignende monolittiske materialer. Disse er godt egnet for bruk innen bygg, forbruker- eller detaljprodukter, spesialemballasje, interiør, møbler og mote. 

Gjennom sin ‘Orb’-teknologi konverterer Biohm noen av de raskest voksende ‘avfallsstrømmene’—mat- og landbruksavfall—til verdifulle og funksjonelle høyytelsesprodukter. Disse produktene kan formes til ark og støpes til intrikate 3-D former og 3-D-printede produkter.

I tillegg tilbyr Biohm et prefabrikkert byggesystem som ikke krever permanente bindemidler eller festemidler, og skaper robuste, høykvalitets strukturer. Inspirert av den matematiske geometrien til karbonets molekylbindinger, kan dette systemet redusere en bygnings miljøpåvirkning, kostnad og byggetid med henholdsvis 120 %, 70 %, og 95 %, respektivt. 

I ett av sine banebrytende bioremediationsprosjekter utviklet Biohm, i samarbeid med Waitrose & Partners og Power To Change, fire stammer av mycelium som kan konsumere plast, inkludert polyuretan (PU), polyetylen (PE), polystyren (PS) og polyester (PET). Ved å utnytte denne mycelium-sentrerte teknologien, kan plast brytes ned til sukker, harmløse hydrokarboner og karbondioksid. Myceliumet konsumerer sukkeret og hydrokarbonene, mens karbondioksidet omdannes til oksygen gjennom fotosyntetiserende organismer.

Ifølge bransjeanslag har selskapet samlet inn finansiering på US$1,73 million til dags dato. 

Fremtiden for bio-inspirert aero- og fluiddynamikk

Å tenke nytt om aero- og fluiddynamikk ved å hente inspirasjon fra naturen har motivert forskere over hele verden. Ved University of Bristol’s Bio-Inspired Flight Lab, ledet av Dr Shane Windsor, for eksempel, undersøkte forskere et spekter av sansings- og kontrollaspekter ved dyreflyging og hvordan de kan forbedre teknologier, spesielt funksjonen til småskala ubemannede luftfartøy (UAVs).

Et av verdens største merker, Lockheed Martin (LMT ), har hentet inspirasjon til sitt Skunk Works fra Hercules-billene i tropisk Sentral- og Sør-Amerika for organisk å mørkne eller lysne for å matche den daglige skiftende nyansen i den omkringliggende regnskogen. Forskere ved Skunk Works mener at etterligning av denne egenskapen kan forbedre produksjon av sammensatte flydeler ved å utvikle sensorer som kan varsle teknikere når en kompleks struktur har riktig fuktighetsnivå for å gå videre til neste produksjonstrinn.

Ifølge Thomas Koonce, ansvarlig for Skunk Works’ Revolutionary Technology Portfolio, “Fargesensorer ville være en rask, billig og pålitelig måte å avgjøre om forholdene er korrekte for produksjon på.” Koonce betegner dette som en ‘lavkost, lavbemanningsløsning’.

Ved NASA’s Glenn Research Center i Ohio har vibrissene til havseler inspirert forsker Vikram Shyam til å designe lav-drag turbinklinger for Advanced Air Transport Technology Project, som søker å utvikle banebrytende energieffektivitet for fly med fast vinge. 

På samme måte har Isaiah Blankson, senior teknolog ved NASA’s Glenn Research Center i Ohio, blitt inspirert av den akrobatiske presisjonen til svømmende pingviner for å utvikle Low-Boom Flight Demonstration-programmet som forsøker å redusere soniske boom ved hjelp av aerodynamisk formgivning.

Å hente inspirasjon fra naturen har hjulpet mennesker enormt med å forbedre sine aero- og fluiddynamiske løsninger. Visdommen fra naturen og dyrekongedømmet, finpusset gjennom hundretusener av år med evolusjonspraksis og overlevelsestaktikker, tilbyr en rikdom av kunnskap for bedre ingeniørløsninger som er effektive, kostnadseffektive og bærekraftige.

Klikk her for å lære hvordan robotikk tar inspirasjon fra naturen.