Ingenjörer ser till naturen för inspiration när de designar 3D‑utskrivna vattenfiltreringslösningar

Natur har alltid inspirerat ingenjörer, arkitekter, tekniska forskare och vetenskapsmän över hela världen. Fåglar har inspirerat vår flygteknik. Prärieekosystem har uppmuntrat mänskligheten att utveckla mer hållbara och effektiva jordbrukssystem. Spiralflöden i blommor har inspirerat effektiva vattenblandningssystem. Burfrön har inspirerat kardborre. Listan fortsätter utan slut!

Nu har en vetenskaplig rapport kommit ut där MIT‑ingenjörer visar hur mobulakrävens unika filtermatningsteknik och dess specialiserade strukturer kan inspirera mer effektiva industriella vattenfilter. 

Innan vi fördjupar oss i upptäckten, låt oss kort titta på mobulakrövar.

Vad är mobulakrövar?

Också kallade flygande rockar för sina akrobatiska hopp, Mobulakrövar är varelser med stora, platta, diamantformade kroppar och långa fenor som låter dem glida genom vattnet – och även genom luften. Dessa fiskar samlas regelbundet för att hoppa ur havet och skjuta sig själva in i luften, ofta hoppar omkring två meter ur vattnet innan de faller tillbaka med ett plask.

Som Naturhistoriska museet påpekar, filtermatar mobulakrövar, vilket betyder att de silar plankton ur vattnet med sina munnar, och att stim av dem ofta samlas i enorma mängder. Men hur kan de vara en inspiration för att designa 3D‑utskrivna vattenfiltreringslösningar? Vi kommer att diskutera detta i nästa avsnitt.

Klicka här för att lära dig hur robotik kan ta inspiration från naturen.

Följa mobulakrövar för vattenfiltrering

Mobulakrövarns filtreringsapparat liknar industriella tvärflödesfilter men fungerar under ett annat parameterregime. För att överbrygga klyftan mellan industriellt tvärflöde och mobulakrävsfiltrering, har forskarna fastställt ett universellt ramverk för permeabilitet‑selektivitetens avvägning i en läckande kanal.

Forskare påstår att de framgångsrikt har demonstrerat att geometrin hos mobulakrävsfilter har utvecklats för att uppnå en balans som möjliggör både andning och föda samt härleda designprinciper som sträcker sig bortom traditionella filtreringsregimer. Resultatet är skapandet av mobulakrävsinspirerade filtreringsenheter. 

Medan alla dessa kan låta som komplexa övningar inom biomimik, är det enklare att följa mekanismen om vi tittar på mobulakrövar lite närmare. Mobulakrövar livnär sig genom att simma med öppna munnar genom planktonrika områden i havet och filtrera planktonpartiklar in i sin matstrupe medan vatten strömmar in i deras munnar och ut genom deras gälar.

Bottnen av mobulakrävens mun är fodrad på båda sidor med parallella, kamliknande strukturer, kallade plattor, som suger in vatten i krävens gälar. Det är dessa plattor som innehåller nyckeln till den nuvarande forskningen vi diskuterar här.

MIT‑forskarteamet har visat att dimensionerna på dessa plattor kan tillåta inkommande plankton att studsa hela vägen över plattorna och vidare in i krävens hålrum istället för att gå ut genom gälarna. Dessutom kan mobulakrävens gälar absorbera syre från det utflömande vattnet för att samtidigt andas medan de äter.

Enligt studien författare Anette “Peko” Hosoi, Pappalardo‑professor i maskinteknik vid MIT:

“Vi (forskarna) visar att mobulakräven har utvecklat geometrin hos dessa plattor till att vara den perfekta storleken för att balansera föda och andning.”

Forskarnas konstruerade ett vattenfilter i enlighet med mobulakrävens planktonfiltreringsfunktioner. Därefter undersökte de hur vatten kunde flöda genom filtret när det utrustades med 3D‑utskrivna plattliknande strukturer. Resultaten från dessa övningar sammanställdes till en ritning för designers att använda vid optimering av industriella tvärflödesfilter, som i stort sett liknar mobulakrävens konfiguration.

Enligt huvudförfattaren och MIT‑postdoktor Xinyu Mao:

“Vi vill expandera designutrymmet för traditionell tvärflödesfiltrering med ny kunskap från mantakräven.”

När forskaren förklarade naturen av expansionen, sade han:

“Människor kan välja ett parameterregime för mobulakräven så att de potentiellt kan förbättra den totala filterprestandan.”

I deras egna mobulakrävsinspirerade filterdesign skapade forskarteamet ett enkelt filter. Designen, känd som en ‘läckande kanal’, liknar ett rör med hål längs sidorna. För att utveckla mer om ‘kanalens’ natur bestod den av två platta akrylpplattor med ett litet mellanrum mellan dem, vilket tillåter vätska att flöda igenom. I ena änden av kanalen placerade forskarna 3D‑utskrivna strukturer som efterliknade de räfflade plattorna i mobulakrävens mun.

De testade uppsättningen genom att pumpa vatten genom kanalen med varierande hastigheter. De tillsatte färgad färg för att uppnå en effektiv visualisering av flödet. När flödeshastigheten ökade skapade vattnet virvlar vid varje räffs mun, vilket hindrade partiklar från att passera och istället pressade partiklarna ner i kanalerna.

Vad mobulakrövar vanligtvis gör är att simma i rätt hastighet för att generera virvlar som fångar även de minsta planktonpartiklarna, vilket låter resten av vattnet flöda ut genom deras gälar. Denna insikt blir nyckeln till en idealisk ritning för optimering av industriella tvärflödesfilter, och erbjuder praktisk vägledning för att förbättra filterdesign.

1. Ford

Ett av de mest vördnadsfulla bilmärkena i världen – Ford – hämtade inspiration från bin för att designa ett lätt men starkt honungskomb‑förvaringshyllplan för sin helt nya EcoSport SUV. Ford EcoSport hade sin justerbara lastgolv tillverkat av högstyrka 100 procent återvunnet pappershonungskomb, vilket hjälper kompakt SUV‑kunder att göra mer med mindre.

Tillverkad av helt naturligt papper och vattenbaserat lim, var den sex pund tunga honungskomb‑golvplattan både miljövänlig och stark nog att hantera nästan 700 pund last. Ursprungligen hämtad från honungsbin, introducerades den biomimiktekniken först i tillverkning av hushållsdörrar för 50 år sedan. 

När han talade om den naturinspirerade designen i deras bilar, sade Mike Maxzzella, Ford EcoSport assisterande chefingenjör,:

“Den hexagonala designen av honungskomb är ett bevis på naturens uppfinningsrikedom. Den är inte bara stark, den är superlätt. Kunder kan skjuta hyllan in i flera olika fack, som ett ugnsgaller, och till och med förvara den på baksätet. Det hjälper EcoSport att bli superflexibel i vardagligt bruk.”

EcoSport‑hyllan vägde bara sex pund. Ändå var den klassad för att hantera nära 700 pund över en yta på 38,5 tum gånger 25,25 tum. Med andra ord kan denna hylla hålla otaliga kombinationer av tunga föremål, som fem påsar med betongblandning (94 pund vardera), fyra stora påsar med topplagerjord (40 pund vardera) och åtta individuella gallon vatten (lite mer än åtta pund vardera).

Ford har alltid varit ett företag som har sträckt sig till naturens funktion för att förstå hur deras produkter kan göras bättre, effektivare och robusta. Nästan ett decennium sedan, år 2015, började företaget utforska biomimik på ett organiserat sätt. De hade kunnat meddela ett forskningspartnerskap med Procter and Gamble för att skapa nya lim med hjälp av Biomimicry Institute, en ideell organisation som förespråkade antagandet av naturinspirerade lösningar.

När hon talade om vikten av sådana partnerskap, hade Beth Rattner, verkställande direktör för Biomimicry Institute, följande att säga:

“Jag tror att det är kritiskt att någon som Ford säger, ‘Vi lägger våra ansträngningar i detta inte bara för att vi tror att det är bättre, mer hållbar design, utan så att folk kommer att uppmärksamma den naturliga organismen i processen.'”

År 2015 försökte företaget härleda nya lim genom att studera tåpadderna hos Tokay‑geckon, som tillåter ödlan att springa över tak och glasfönster. Ford såg det som en möjlighet att öka återvinningsgraden för sina fordon med upp till 10 % eftersom ett gecko‑tåinspirerat lim skulle kunna låta biltillverkaren bättre separera den blandade plasten och skummet som blir kvar efter att en bil har demonterats av sina metallinnerväggar.

Enligt Debbie Mielewski, den dåvarande seniora tekniska ledaren för plast‑ och hållbarhetsforskning på Ford:

“Om vi kunde separera det, om vi kunde identifiera olika strömmar inom det, skulle vi ha en mycket bättre chans att kunna använda dem för högkvalitativa tillämpningar.”

Medan Ford fortsätter att hämta inspiration från naturen, fortsätter de att prestera bra ekonomiskt och intäktsmässigt. Företaget registrerade en intäkt på $46,20 miljarder under kvartalet som slutade den 30 september 2024, med 5,47 % tillväxt, vilket förde företagets intäkt under de senaste tolv månaderna till $182,74 miljarder, upp 4,89 % år‑över‑år. År 2023 hade Ford Motor Company (F ) en årlig intäkt på $176,19 miljarder med 11,47 % tillväxt.

2.  The Procter and Gamble Company

En annan stor företagsenhet som ligger i framkant när det gäller att lära sig bättre produktformuleringsprinciper från naturen är Procter and Gamble. År 2024 bildade Procter and Gamble ett partnerskap med Basecamp Research, en kartläggare av genetisk biodiversitet för AI‑baserad proteindesign, för att påskynda utvecklingen av högpresterande rengöringsenzymer för kalla vattenförhållanden.

Partnerskapet var angeläget att lära sig av organismer anpassade till kalla miljöer för att designa nya enzymer med förbättrad kalltvättprestanda med hjälp av AI. När Dr Philip Souter OBE, senior direktör för tvättforskning och utveckling på P&G, talade om syftet med partnerskapet och det värde som P&G vill utvinna från det, hade han följande att säga:

“Vi är glada över att samarbeta med Basecamp Research i detta initiativ, att arbeta tillsammans för att utveckla nya lösningar genom att kombinera deras unika syn på naturen och AI‑förmåga med vår omfattande innovationskompetens för att leverera en överlägsen konsumentupplevelse.”

P&G hade specifika planer på att utnyttja Basecamp Researchs förmåga att förstå den genetiska biodiversiteten hos miljontals organismer i kalla miljöer och använda den för att öka effektiviteten vid lägre tvättemperaturer för att minska behovet av varmt vatten — vilket är bättre för miljön och uppvärmningsräkningar.

Procter and Gamble inspirerades också av Biomimicry 3.8:s forskning som hämtade insikter från ormar och leddjur för att designa bättre tvättmedel. Biomimicry 3.8 är världens främsta konsult‑ och professionella utbildningsföretag med fokus på naturpositiv design och innovation.

En av Biomimicry 3.8:s forskningsprojekt undersökte förbättring av fläckborttagningsförmågan hos tvättprodukter. Genom att fokusera på djupa mönster i den biologiska världen identifierade Biomimicry 3.8 30 unika biologiska strategier med potential att lösa den svåra utmaningen att ta bort blodfläckar från tyg. Forskningen undersökte hur ormar och leddjur fungerar eftersom de är bland de många organismer som kan smälta blod och anses vara en av de mest envisa fläckskaparna.

Dessa organismer, tillsammans med många fler, erbjöd värdefulla designlektioner för en lösning med potential att begränsa användningen av klor, avloppsvatten och energi vid fläckborttagning. På grund av denna forskning skiftade P&G:s FoU‑avdelning hela sin forskningsinsats. Huvudforskare Yousef Aouad sade att arbetet gav teamet en blodfläckmodell med en konceptuell förståelse av de sekventiella stegen för att bli av med blodfläckar.

“Men viktigast av allt, modellen förklarar nu i efterhand: Varför är det så att våra nuvarande enzymer inte räcker till för att utföra sitt jobb på blodfläckar?”

– Yousef Aouad

Att lära sig av naturen och konsekvent hämta inspiration från den innebar mer och mer tillväxt i företagets erbjudanden och mångfald i dess produktutbud. Företagets intäkt såg en stabil tillväxt i sina nettoförsäljningar. Den ökade från US$71 miljarder år 2020 till US$84 miljarder år 2024. Rörelseresultatet ökade också från US$15,7 miljarder till US$18,5 miljarder.

Klicka här för att lära dig hur bladloppor kan lära oss att manipulera ljus.

Framtiden för naturinspirerade designer

Företag blir allt mer intresserade av att hämta inspiration från naturen eftersom deras designer är hållbara, miljövänliga, kan optimera tillgängliga resurser och är tillräckligt flexibla för att anpassa sig till olika klimatförhållanden. 

En av de mest senaste och mycket populära efterlikningarna av naturen i design och ingenjörskonst var när Mercedes Benz utvecklade den Bioniska bilen, som hämtade inspiration från den stora strukturella styrkan och låga massan hos boxfisken. Bilen rapporterades att minska dragkraften samtidigt som den uppvisade betydande nivåer av styvhet, låg vikt och avsevärt lägre bränsleförbrukning än traditionella bilar. 

I Japan, designen av snabbtåg inspirerades av kingfisk. Mästarna i att färdas mellan luft och vatten med mycket liten stänk, dessa tåg inspirerade Shinkansen snabbtåg design med en lång näbbformad nos. Designen minskade avsevärt mängden buller som tåget gjorde, och använde också 15 % mindre el, samt reste 10 % snabbare än tidigare.

För nästan två decennier sedan producerade en annan grupp MIT‑forskare ett nytt material som kunde fånga och kontrollera små mängder vatten. Designen inspirerades av myntstora skalbaggar. Materialet kombinerade en superhydrofob (vattenskyddande) yta med superhydrofil (vattenattraherande) bump som fångade vattendroppar och kontrollerade vattenflödet. 

Potentiella tillämpningar för det nya materialet inkluderade vatteninsamling, att skapa ett labb på ett chip (för diagnostik och DNA‑screening), samt att skapa mikrofluidiska enheter och kylsystem.

Biomimikens historia är lika gammal som den mänskliga civilisationen själv. Exempel på detta finns inte bara inom ingenjörskonst utan även inom arkitektur. Inom arkitektur uttrycker biomimik sig i designen av mer hållbara och effektiva byggnader som är i harmoni med naturen. Ofta kallade biomimetiska arkitekturer, dessa byggnader hämtar inspiration från naturen för att bli energieffektiva, bioklimatiska, hållbara, anpassningsbara, motståndskraftiga och hållbara. 

Dock, för att göra biomimik till en mer effektiv process måste verktygen bli mer effektiva. Enligt formgivare, även om det inte saknas biomimikverktyg att välja mellan, hjälper de flesta biomimetiska verktyg designers att generera koncept och kartlägga dessa koncept från biomimetikens område till potentiella tillämpningar, men dessa verktyg erbjuder lite handlingsbar rådgivning om hur man översätter biologiska koncept till tillverkningsbara prototyper.

Det har dock skett en märkbar ökning av investeringar i teknik som hjälper oss att anta naturbaserade designer i våra vardagliga tillämpningar. Enligt uppskattningar kan den globala biomimetiska teknikmarknaden växa från US$6.8 miljarder år 2017 till US$18.5 miljarder år 2028.

På de tidigare dagarna var syftet med teknik och maskiner att förenkla våra liv genom att automatisera repetitiva och återkommande uppgifter. Nuförtiden måste teknik vara hållbarhetsinriktad så att den använder tillgängliga resurser på ett klokt sätt och lämnar så liten påverkan som möjligt på vår planet i form av koldioxidutsläpp.

Naturinspirerade designer kan vara ett utmärkt sätt att göra teknik mer effektiv på det sättet. Denna egenskap hos naturinspirerad design skulle hjälpa till att få mer uppmärksamhet och investeringar under de kommande dagarna.

Klicka här för en lista över toppteknologier med skrämmande potential.