Omdefiniera aero- och fluiddynamik med glassvampen Venusblomkorg

Glass sponges, commonly found in the deep ocean, tillhör klassen Hexacitinellida. They derive their name from their tissues, which comprise glass-like structural particles made of silica. 

Glassvamparnas skelett är en evolutionär mekanism som hjälper dem att bekämpa djuphavspredatorer genom att på ett inneboende och organiskt sätt kombinera sig med olika kemikalier. 

Utan tvekan sofistikerade, försörjer sig glassvampar genom att fästa sig på hårda ytor och konsumera små bakterier och plankton som filtreras från det omgivande vattnet. 

Vissa arter kan skapa betydligt stora spiklar som bildar ett glashus genom att förenas i vackra mönster. Dessa skelettstrukturer fascinerar ofta forskare eftersom de förblir intakta även efter att svampen har dött, och flera djuphavsdjur använder dessa strukturer som sina hem!

Den mest kända glassvampen

Bland alla djuplevande glassvampar är Venusblomkorg, en art av Euplectella, särskilt välkänd. Den har utvecklats så att dess skelett kan fånga in en viss art av kräftdjur för livet. Dessa kräftdjur förökar sig, och deras avkomma söker efter nya blomkorgar åt sig själva. Vanligtvis fungerar dessa svampar som livslånga hem för två små, räkliknande Stenopodidea, en hane och en hona. 

Denna egenskap att fungera som naturligt bo för djuphavsdjur har alltid gjort Venusblomkorgsglas svampen till ett fascinerande ämne. Denna nyfikenhet har nu lett forskare till att upptäcka en annan anmärkningsvärd egenskap hos dessa djur: deras förmåga att filtrera föda utan att pumpa. 

Naturlig ‘nollenergi’-flödeskontroll av Venusblomkorgssvampen

En av de fantastiska prestationerna som dessa uråldriga djur föds med är deras förmåga att filtrera föda utan att pumpa, genom att enbart förlita sig på den svaga omgivande strömmen i havets djup. Men hur är detta möjligt? Det är vad ett forskarteam vid universitetet i Rom Tor Vergata och NYU Tandon School of Engineering har undersökt. Med hjälp av extremt högupplösta datorsimuleringar analyserade de skelettstrukturen hos Venusblomkorgssvampen. Resultaten var, för att säga det milt, häpnadsväckande. Dessutom innebar det en häpnadsväckande potential för en rad ingenjörsapplikationer. 

När han förklarade experimentets banbrytande karaktär sade Maurizio Porfiri, professor vid NYU Tandon Institute och chef för dess Center for Urban Science + Progress (CUSP), som medledde studien och medhandledde forskningen: 

“Vår forskning löser en debatt som har uppkommit de senaste åren: Venusblomkorgssvampen kan kanske passivt ta upp näringsämnen utan någon aktiv pumpmekanism. Det är en otrolig anpassning som gör att denna filtermatare kan frodas i strömmar som normalt är olämpliga för suspensionsmatning.”

I grund och botten använder dessa glassvampar sin unika skelettstruktur för att avleda de ultralångsamma strömmarna i djuphavet och leda flödet uppåt in i deras centrala kroppshåla. Denna mekanism filtrerar bort plankton och annat marint skräp från havsvattnet, vilket svamparna använder som föda. Den spiralformade, räfflade ytan på svampens skelett fungerar som en spiraltrappa, som drar vattnet uppåt genom dess porösa, gallerliknande ram utan behov av pumpenergi. 

Den mest anmärkningsvärda egenskapen hos glassvampen är dess naturliga ventilation, som fungerar perfekt i den nästan stilla miljön på djuphavets bottnar. Så har dessa djuphavsslag utvecklats, anpassat sig till den hårda miljön och passivt tagit in föda i en extremt långsam ström. 

Enligt Giacomo Falcucci vid Tor Vergata universitet i Rom:

“Svampen har kommit fram till en elegant lösning för att maximera näringstillförseln samtidigt som den fungerar helt genom passiva mekanismer.”

Att nå dessa fantastiska insikter var inte lätt. Det tog flera år för forskarna att bygga adekvata anläggningar som kunde förstå fenomenet i dess minsta detaljer.

Anläggningarna som hjälpte forskningen att nå sitt mål 

Forskarna använde Leonardo-superdatorn vid CINECA, ett icke-vinstdrivande konsortium som är värd för Italiens största datacenter och ett av de viktigaste globalt. 

Denna kraftfulla superdator hjälpte forskarna att utveckla en livsnära 3D-replik av svampen, med hundra miljarder individuella punkter som återgav svampens intrikata helixformade räffelstruktur. Leonardos enorma beräkningskapacitet möjliggjorde kvadriljoner beräkningar per sekund, vilket simulerade ett brett spektrum av vattenflödeshastigheter och -förhållanden.

Enligt de involverade forskarna kan studiens resultat leda till många innovativa ingenjörslösningar. Nedan sammanfattar vi ett par av sådana innovativa idéer. 

Klicka här för att lära dig hur det är möjligt att manipulera ljus med hjälp av bladloppor.

Den verkliga tillämpningspotentialen för forskningen

Föregångaren till den forskning vi diskuterar är en 2021‑studie utförd av samma team. I den forskningen undersökte teamet specifikt hur Venusblomkorgssvampen kunde förbättra mänskligt tillverkade strukturer. Teamet ansåg att deras undersökning av svampens geometri i förhållande till fluidflöde hade många implikationer för utformningen av höghus och mekaniska strukturer av olika slag, inklusive skyskrapor, lågdragande nya strukturer för fartyg och till och med flygplansfärjor. 

Enligt Giacomo Falcucci vid Tor Vergata universitet i Rom hjälpte 2021‑experimentet på glassvampen att besvara frågor som:

“Kommer det att bli mindre aerodynamiskt motstånd på höghus byggda med ett liknande galler av räfflar och hål? Kommer det att optimera fördelningen av applicerade krafter?” 

Den nuvarande forskningen, som går djupare in i de biometriska ingenjörsaspekterna av glassvampen, kan hjälpa till att designa mer effektiva reaktorer med optimerade flödesmönster och minimerat yttre motstånd. 

Att följa de inre ingenjörsprinciperna för de räfflade och porösa ytorna på glassvampen kan öka luftfiltrerings- och ventilationssystem i skyskrapor och andra strukturer. De asymmetriska helixformade räfflarna kan till exempel inspirera lågdragshyllor eller farkoster som förblir strömlinjeformade samtidigt som de främjar inre luftflöde.

Från 2021 till 2024 fortsatte forskningen om Venusblomkorgssvampar, och avslöjade kontinuerligt hur detta bioingenjörsunderverk kan inspirera fler verkliga tillämpningar. 

Att utnyttja naturen som designinspiration för sina produkter har hjälpt många företag att förbättra effektiviteten och införa optimering.

#1. Bioniska bilar av Mercedes Benz

I mars 2024 sade Mercedes Benz, medan de förklarade designfilosofin bakom en av deras senaste modeller, Vision EQXX, följande:

“När det gäller lätt konstruktion är naturen fortfarande den bästa förebilden: från lådfiskar till isternen – många djur har utvecklat optimala kroppsliknande former och andra förmågor som gör att de kan färdas sina migrationsvägar med minimal energiförbrukning. Maximal effektivitet var också den vägledande principen bakom teknikprogrammet som producerade VISION EQXX – vilket är anledningen till att delar av chassistrukturen är baserade på naturliga former och bioniska designprinciper.”

Företaget har kallat sin bio‑inspirerade materialanvändningsfilosofi för Bionicast‑processen. Detta tillvägagångssätt förespråkar att använda material endast där belastningsvägarna är nödvändiga. Som ett resultat har de bioniska elementen en ständigt varierande väggtjocklek och öppningar som liknar ett skelett.

Företaget tror att den bio‑inspirerade designfilosofin har resulterat i en produkt som är mycket funktionell och kompakt, med avsevärt minskad vikt. Till exempel har bioniska designer på bilens bakre golv ensamt sparat 15–20 % i vikt och material. Torkarens motorfäste har också en viktfördel på 20 %.

Mercedes‑Benz Bionic‑bilen, känd för sin utmärkta aerodynamik, debuterade i juni 2005 i Washington, DC. Sedan dess har den fortsatt att utvecklas och behålla sin relevans och framträdande inom bilgemenskapen. Den innovativa utvecklingsprocessen för BIONICAST vann Material Design + Technology Award 2022 i kategorin ‘Best of Process’. År 2039, med stöd av principerna för minskad resursförbrukning och den lätta konstruktionspotentialen hos Bionicast, siktar Mercedes Benz på att uppnå det övergripande målet om netto‑koldioxidneutralitet längs hela sin värdekedja i sin flotta av nya fordon.

År 2023 rapporterade Mercedes Benz en omsättning på 153,2 miljarder euro, en ökning med 3,2 miljarder euro från 150 miljarder euro omsättning 2022. Företaget registrerade en EBIT på 19,7 miljarder euro, och dess EPS låg på 13,46 euro.

#2. Biohm

Biohm, ett flertalsprisbelönt forsknings‑ och utvecklingsföretag, tror på filosofin ‘låta naturen leda innovationen’. Som sitt uppdrag har företaget ‘harmoniserat kulturella och naturliga system genom ansvarsfull licensiering av banbrytande, skalbara bioteknologier’.

En av Biohms flaggskeppsteknologier utnyttjar kraften i mycelium – den vegetativa filamentära rotstrukturen hos svampar. Företaget använder denna teknik för att producera högpåverkande och högpresterande lösningar vid utveckling av sofistikerade komponenter såsom partikelkompositer, fiberförstärkta kompositer, monolitiska material och polymerliknande monolitiska material. Dessa är väl lämpade för användning inom byggnation, konsument‑ eller detaljhandelsprodukter, specialiserad förpackning, interiörer, möbler och mode.

Genom sin ‘Orb’-teknik omvandlar Biohm några av de snabbast växande ‘avfallsströmmarna’ – mat- och jordbruksavfall – till värdefulla och funktionella högpresterande produkter. Dessa produkter kan formas till ark och gjutas till invecklade 3‑D‑former samt 3‑D‑utskrivna produkter.

Dessutom erbjuder Biohm ett prefabricerat byggsystem som inte kräver permanenta bindemedel eller fästelement, vilket skapar robusta, högkvalitativa strukturer. Inspirerat av den matematiska geometrin i kolens molekylbindningar kan detta system minska en byggnads miljöpåverkan, kostnad och byggtid med respektive 120 %, 70 % och 95 %.

I ett av sina banbrytande bioremedieringsprojekt utvecklade Biohm, i samarbete med Waitrose & Partners och Power To Change, fyra stammar av mycelium som kan konsumera plast, inklusive polyuretan (PU), polyeten (PE), polystyren (PS) och polyester (PET). Genom att utnyttja denna mycelium‑centrerade teknik kan plast brytas ner till sockerarter, ofarliga kolväten och koldioxid. Myceliet konsumerar sockret och kolvätena, medan koldioxiden omvandlas till syre genom fotosyntetiserande organismer.

Enligt branschuppskattningar har företaget lyckats samla in finansiering på 1,73 miljoner US‑dollar hittills.

Framtiden för bio‑inspirerad aero‑ och fluiddynamik

Att omdefiniera aero‑ och fluiddynamik genom att hämta inspiration från naturen har motiverat forskare världen över. Vid University of Bristol’s Bio‑Inspired Flight Lab, lett av Dr Shane Windsor, har forskare till exempel undersökt en rad sensor‑ och kontrollaspekter av djurflygning och hur de kan förbättra ingenjörsteknik, särskilt funktionen hos småskaliga obemannade luftfarkoster (UAVs).

Ett av världens största varumärken, Lockheed Martin (LMT ), har hämtat inspiration för sin Skunk Works från Hercules‑billionerna i tropiska Central‑ och Sydamerika för att organiskt mörkna eller ljusa för att matcha den dagliga skiftande nyansen i den omgivande regnskogen. Forskare på Skunk Works tror att efterlikna denna egenskap kan förbättra tillverkning av komposita flygplansdelar genom att utveckla sensorer som kan varna tekniker när en komplex struktur har rätt fuktnivå för att gå vidare till nästa steg i tillverkningsprocessen.

Enligt Thomas Koonce, ansvarig för Skunk Works’ Revolutionary Technology Portfolio, “Färgskiftesensorer skulle vara ett snabbt, billigt och pålitligt sätt att avgöra om förhållandena är korrekta för tillverkning.” Koonce markerar detta som en “lågt kostnad, låg arbetskraftslösning”.

Vid NASA:s Glenn Research Center i Ohio har morrhåren hos hamnutter inspirerat forskaren Vikram Shyam att designa lågdragsturbinsblad för Advanced Air Transport Technology Project, som syftar till att utveckla banbrytande energieffektivitet för flygplan med fast vinge.

På liknande sätt har Isaiah Blankson, senior teknolog vid NASA:s Glenn Research Center i Ohio, inspirerats av de akrobatiska precisionerna hos simmande pingviner för att utveckla Low‑Boom Flight Demonstration‑programmet som försöker minska soniska smällar med aerodynamisk formgivning.

Att hämta inspiration från naturen har hjälpt människor enormt att förbättra sina aero‑ och fluiddynamiska lösningar. Naturens och djurrikets visdom, slipad under hundratusentals år av evolutionära praktiker och överlevnadsstrategier, erbjuder en rikedom av kunskap för bättre ingenjörslösningar som är effektiva, låga i kostnad och hållbara.

Klicka här för att lära dig hur robotik tar efter naturen.