Mga Inhinyero Kumukuha ng Inspirasyon Mula sa Kalikasan sa Pagdidisenyo ng 3D-Printed na Solusyon sa Pagsasala ng Tubig

Ang kalikasan ay palaging nagbibigay inspirasyon sa mga inhinyero, arkitekto, teknolohikal na mananaliksik, at siyentipiko sa buong mundo. Ang mga ibon ay nagbigay inspirasyon sa ating teknolohiya sa paglipad. Ang mga ekosistema ng prairie ay nag-udyok sa sangkatauhan na bumuo ng mas napapanatili at epektibong mga sistema ng agrikultura. Ang mga paikot na daloy sa mga bulaklak ay nagbigay inspirasyon sa mga epektibong sistema ng paghahalo ng tubig. Ang mga buto ng bur ay nagbigay inspirasyon sa velcro. Ang listahan ay patuloy na humahaba!

Ngayon, isang ulat pang-agham ang lumabas kung saan ipinapakita ng mga inhinyero ng MIT kung paano ang natatanging teknik ng pag-filter-feed ng mobula ray at ang mga espesyal na estruktura nito ay maaaring magbigay inspirasyon sa mas epektibong mga industriyal na filter ng tubig. 

Bago tayo lumalim sa pagtuklas, tingnan muna natin nang mabilis ang mga Mobula Ray.

Ano ang mga Mobula Ray?

Tinatawag ding lumilipad na ray dahil sa kanilang akrobatikong pagtalon, Ang mga Mobula Ray ay mga nilalang na may malalaking, patag, hugis-diyamante na katawan at mahabang palikpik na nagpapahintulot sa kanila na lumutang sa tubig – at pati na rin sa hangin.  Ang mga isdang ito ay regular na nagtitipon upang tumalon palabas ng dagat at itulak ang kanilang sarili sa hangin, madalas tumatalon ng halos dalawang metro mula sa tubig bago bumagsak muli na may kalabog.

Ayon sa Natural History Museum, ang mga Mobula Ray ay nag-filter-feed, ibig sabihin sinasala nila ang plankton mula sa tubig gamit ang kanilang bibig, at madalas na nagsasama-sama sila sa napakalaking bilang. Ngunit paano sila maaaring magsilbing inspirasyon sa pagdidisenyo ng mga 3D-printed na solusyon sa pagsasala ng tubig? Tatalakayin natin ito sa susunod na bahagi.

I-click dito upang matuto kung paano maaaring kumuha ng inspirasyon ang robotics mula sa kalikasan.

Pagsunod sa mga Mobula Ray para sa Pagsasala ng Tubig

Ang aparato ng pagsasala ng Mobula Ray ay kahawig ng mga industriyal na cross-flow filter ngunit gumagana sa ibang rehimen ng mga parametro. Upang mapunan ang puwang sa pagitan ng industriyal na cross-flow at pagsasala ng Mobula, itinaguyod ng mga mananaliksik ang isang pangkalahatang balangkas para sa trade-off ng permeability–selectivity sa isang leaking channel.

Ipinahayag ng mga mananaliksik na matagumpay nilang naipakita na ang heometriya ng mga Mobula filter ay umunlad upang makamit ang balanse sa pagitan ng paghinga at pagkain at magbigay ng mga prinsipyo sa disenyo na lampas sa tradisyunal na mga rehimen ng pagsasala. Ang resulta ay ang paglikha ng mga Mobula-inspiradong aparato sa pagsasala. 

Bagaman ang lahat ng ito ay maaaring tunog na komplikadong ehersisyo sa larangan ng biomimicry, mas simple na sundan ang mekanismo kung titignan natin nang mas malapitan ang mga Mobula Ray. Ang mga Mobula Ray ay kumakain sa pamamagitan ng paglangoy nang bukas ang bibig sa mga rehiyon ng karagatan na mayaman sa plankton at sinasala ang mga particle ng plankton papunta sa kanilang lalamunan habang dumadaloy ang tubig papasok sa kanilang bibig at lumalabas sa kanilang hasang.

Ang sahig ng bibig ng mobula ray ay nilagyan sa magkabilang panig ng mga paralel na estruktura na kahawig ng suklay, tinatawag na mga plato, na sumisipsip ng tubig papunta sa hasang ng ray. Ang mga plato na ito ang susi sa kasalukuyang pananaliksik na tatalakayin natin dito.

Ipinakita ng pangkat ng mga mananaliksik mula sa MIT na ang sukat ng mga plato ay maaaring magbigay-daan sa pagbalik ng papasok na plankton sa buong ibabaw ng mga plato at higit pa papunta sa loob ng katawan ng ray sa halip na lumabas sa hasang. Higit pa rito, ang hasang ng Mobula Ray ay maaaring sumipsip ng oxygen mula sa lumalabas na tubig upang sabay na makahinga habang kumakain.

Ayon sa pag-aaral na may may-akda si Anette “Peko” Hosoi, ang Pappalardo Professor of Mechanical Engineering sa MIT:

“Ipinapakita namin (ang mga mananaliksik) na ang mobula ray ay nag-evolve ng heometriya ng mga plato upang maging perpektong sukat para balansehin ang pagkain at paghinga.”

Naglunsad ang mga mananaliksik ng isang water filter alinsunod sa mga katangian ng pag-filter ng plankton ng mobula ray. Pagkatapos, sinuri nila kung paano maaaring dumaloy ang tubig sa filter kapag nilagyan ng 3D-printed na mga istruktura na kahawig ng mga plato. Ang mga resulta mula sa mga pagsubok na ito ay isinama sa isang blueprint para magamit ng mga designer sa pag-optimize ng mga industriyal na cross-flow filter, na halos katulad ng konfigurasyon ng mobula ray.

Ayon kay pangunahing may-akda at MIT postdoc na si Xinyu Mao:

“Nais naming palawakin ang espasyo ng disenyo ng tradisyunal na cross-flow filtration gamit ang bagong kaalaman mula sa manta ray.”

Habang ipinaliwanag ang likas na katangian ng pagpapalawak, sinabi ng mananaliksik:

“Maaaring pumili ang mga tao ng isang rehimen ng parametro ng mobula ray upang posibleng mapabuti ang kabuuang pagganap ng filter.”

Sa kanilang sariling disenyo ng filter na inspiradong mobula ray, lumikha ang pangkat ng pananaliksik ng isang simpleng filter. Ang disenyo, na kilala bilang ‘leaky channel,’ ay kahawig ng isang tubo na may mga butas sa gilid. Upang higit pang ipaliwanag ang likas na katangian ng ‘channel,’ ito ay binubuo ng dalawang patag na acrylic na plato na may bahagyang puwang sa pagitan, na nagpapahintulot sa likido na dumaloy. Sa isang dulo ng channel, inilagay ng mga mananaliksik ang mga 3D-printed na istruktura na ginaya ang mga may-groove na plato sa loob ng bibig ng mobula ray.

Sinubukan nila ang setup sa pamamagitan ng pag-pump ng tubig sa channel sa iba’t ibang bilis. Nagdagdag sila ng kulay na dye upang epektibong ma-visualize ang daloy. Kapag tumaas ang rate ng daloy, ang tubig ay lumikha ng mga vortices sa bibig ng bawat groove, na pumipigil sa mga particle na makalusot at itinutulak ang mga particle pababa sa mga channel.

Ang karaniwang ginagawa ng mga mobula ray ay lumangoy sa tamang bilis upang lumikha ng mga vortices na humuhuli kahit sa pinakamaliit na particle ng plankton, na nagpapahintulot sa natitirang tubig na dumaloy palabas sa kanilang hasang. Ang pananaw na ito ay nagiging susi sa isang perpektong blueprint para sa pag-optimize ng mga industriyal na cross-flow filter, na nagbibigay ng praktikal na gabay para sa pagpapabuti ng disenyo ng filter.

1. Ford

Isa sa pinaka-kinikilalang tatak ng sasakyan sa mundo – ang Ford – ay kumuha ng inspirasyon mula sa mga bubuyog upang magdisenyo ng magaan ngunit matibay na honeycomb cargo shelf para sa kanilang bagong Ecosport SUV. Ang Ford EcoSport ay may adjustable cargo floorboard na gawa sa 100 porsyentong recycled paper honeycomb, na tumutulong sa mga kompaktong SUV na magawa nang higit pa gamit ang mas kaunting materyales.

Gawa mula sa natural na papel at water-based glue, ang anim na libra na honeycomb floorboard ay parehong eco-friendly at sapat na matibay upang kayanin halos 700 libra ng karga. Ang teknolohiyang biomimicry na ito ay unang ipinakilala sa paggawa ng mga pintuan ng bahay limampung taon na ang nakalilipas. 

Habang pinag-uusapan ang nature-inspired na disenyo sa kanilang mga sasakyan, sinabi ni Mike Maxzzella, assistant chief engineer ng Ford EcoSport,:

“Ang hexagonal na disenyo ng honeycomb ay patunay ng talino ng kalikasan. Hindi lamang ito matibay, napakagaan din. Maaaring ilagay ng mga customer ang shelf sa iba’t ibang slot, katulad ng rack ng oven, at kahit itago ito sa likod ng mga upuan. Nakakatulong ito upang gawing super-flexible ang EcoSport sa pang-araw-araw na paggamit.” 

Ang EcoSport shelf ay may bigat na anim na libra lamang. Gayunpaman, ito ay na-rate na kayang magdala ng halos 700 libra sa ibabaw ng 38.5 pulgada by 25.25 pulgada na sukat. Sa madaling salita, ang simpleng shelf na ito ay maaaring maglaman ng napakaraming mabibigat na bagay, tulad ng limang bag ng concrete mix (94 libra bawat isa), apat na malalaking bag ng topsoil (40 libra bawat isa), at walong indibidwal na galon ng tubig (higit pa sa walong libra bawat isa).

Ang Ford ay palaging kumpanyang kumukuha ng inspirasyon mula sa pag-andar ng kalikasan upang maunawaan kung paano mapapabuti, mas epektibo, at matibay ang kanilang mga produkto. Halos isang dekada na ang nakalilipas, noong 2015, sinimulan ng kumpanya ang sistematikong pag-explore ng Biomimicry. Nag-anunsyo ito ng isang pakikipagtulungan sa pananaliksik sa Procter and Gamble upang lumikha ng mga bagong adhesive na may tulong mula sa Biomimicry Institute, isang non-profit na organisasyon na nagtataguyod ng pag-aampon ng mga solusyong inspiradong kalikasan.

Habang pinag-uusapan ang kahalagahan ng mga ganitong pakikipagtulungan, sinabi ni Beth Rattner, executive director ng Biomimicry Institute,:

“Sa tingin ko mahalaga na may kumpanyang tulad ng Ford na nagsasabing, ‘Inilalagay namin ang aming pagsisikap dito hindi lang dahil sa mas maganda at mas napapanatiling disenyo, kundi para mas mapansin ng mga tao ang natural na organismo sa proseso.'”

Noong 2015, sinubukan ng kumpanya na lumikha ng mga bagong adhesive sa pamamagitan ng pag-aaral sa toe pads ng Tokay gecko, na nagpapahintulot sa butiki na tumakbo sa kisame at mga bintana. Nakita ng Ford ito bilang pagkakataon upang itaas ang rate ng pag-recycle ng kanilang mga sasakyan ng hanggang 10% dahil ang adhesive na inspiradong toe ng gecko ay maaaring magpayag sa tagagawa ng kotse na mas mahusay na paghiwalayin ang halo-halong plastik at foam na naiwan matapos tanggalin ang metal na bahagi ng sasakyan.

Ayon kay Debbie Mielewski, noon pang senior technical leader para sa plastics at sustainability research sa Ford:

“Kung maihihiwalay natin ito, kung matutukoy natin ang iba’t ibang stream sa loob nito, magkakaroon tayo ng mas malaking pagkakataon na magamit ang mga ito para sa mga high-end na aplikasyon.”

Habang patuloy na kumukuha ng inspirasyon ang Ford mula sa kalikasan, patuloy din itong maganda ang performance pinansyal at sa kita. Ang kumpanya ay nagrehistro ng kita na $46.20B sa quarter na nagtatapos noong Setyembre 30, 2024, na may 5.47% na paglago, na nagdala ng kabuuang kita ng kumpanya sa huling labindalawang buwan sa $182.74B, tumaas ng 4.89% taon-taon. Sa taong 2023, ang Ford Motor Company (F ) ay may taunang kita na $176.19B na may 11.47% na paglago.

2.  The Procter and Gamble Company

Isa pang pangunahing korporasyon na nangunguna sa pag-aaral ng mas mahusay na prinsipyo ng formulasyon ng produkto mula sa kalikasan ay ang Procter and Gamble. Noong 2024, ang Procter and Gamble ay nagtatag ng isang pakikipagtulungan sa Basecamp Research, isang tagapag-mapa ng genetic biodiversity para sa AI-based na disenyo ng protina, upang pabilisin ang pag-develop ng mga high-performance na enzyme para sa paglilinis sa malamig na tubig.

Ang pakikipagtulungan ay naglalayong matuto mula sa mga organismo na nababagay sa malamig na kapaligiran upang magdisenyo ng mga bagong enzyme na may pinahusay na performance sa malamig na paglalaba gamit ang AI. Habang pinag-uusapan ang layunin ng pakikipagtulungan at ang halaga na nais makuha ng P&G, sinabi ni Dr. Philip Souter OBE, senior director ng laundry Research and Development sa P&G,:

“Natutuwa kaming makipagtulungan sa Basecamp Research sa inisyatibong ito, magkasamang mag-develop ng mga bagong solusyon sa pamamagitan ng pagsasama ng kanilang natatanging pagtingin sa kalikasan at kakayahan ng AI sa aming malawak na kadalubhasaan sa inobasyon upang maghatid ng mas mahusay na karanasan sa consumer.”

May tiyak na plano ang P&G na gamitin ang kakayahan ng Basecamp Research sa pag-unawa sa genetic biodiversity ng milyong-milyong organismo sa malamig na kapaligiran at gamitin ito upang mapataas ang bisa sa mas mababang temperatura ng paglalaba upang mabawasan ang pangangailangan ng mainit na tubig — na mas mabuti para sa kapaligiran at sa mga singil sa pag-init.

Ang Procter and Gamble ay inspirado rin ng pananaliksik ng Biomimicry 3.8 na kumuha ng mga insight mula sa ahas at leech upang magdisenyo ng mas mahusay na detergent. Ang Biomimicry 3.8 ay ang nangungunang consulting at professional training company sa mundo na nakatuon sa nature-positive na disenyo at inobasyon.

Isa sa mga pananaliksik ng Biomimicry 3.8 ay tumutok sa pagpapabuti ng bisa ng pagtanggal ng mantsa ng mga produktong panlaba. Sa pamamagitan ng pagtuon sa malalim na pattern sa biological na mundo, natukoy ng Biomimicry 3.8 ang 30 natatanging estratehiya ng biological na may potensyal na lutasin ang hamon ng pagtanggal ng dugo sa tela. Ang pananaliksik ay sumuri sa paraan ng pag-andar ng mga ahas at leech dahil sila ay kabilang sa mga organismo na kayang tunawin ang dugo at itinuturing na isa sa pinakamahirap na sanhi ng mantsa.

Ang mga organismong ito, kasama ang marami pang iba, ay nagbigay ng mahahalagang leksyon sa disenyo para sa solusyon na may potensyal na limitahan ang paggamit ng chlorine, wastewater, at enerhiya sa pagtanggal ng mantsa. Dahil sa pananaliksik na ito, inilipat ng R&D department ng P&G ang buong pagsisikap sa pananaliksik. Sinabi ng principal scientist na si Yousef Aouad na ang trabaho ay nagbigay sa koponan ng modelo ng dugo na may konseptwal na pag-unawa sa sunud-sunod na hakbang upang alisin ang mga mantsa ng dugo.

“Pero pinakamahalaga, ang modelo ngayon ay nagpapaliwanag rin sa likod ng tanong: Bakit ang kasalukuyang mga enzyme natin ay hindi sapat sa pag-alis ng mga mantsa ng dugo?”

– Yousef Aouad

Ang pagkatuto mula sa kalikasan at patuloy na pagkuha ng inspirasyon mula rito ay nagdulot ng patuloy na paglago sa mga alok ng kumpanya at pagkakaiba-iba sa linya ng produkto. Ang kita ng kumpanya ay nakaranas ng patuloy na paglago sa net sales. Lumago ito mula US$71 bilyon noong 2020 hanggang US$84 bilyon noong 2024. Ang operating income ay tumaas din mula US$15.7 bilyon hanggang US$18.5 bilyon.

I-click dito upang matuto kung paano maaaring turuan tayo ng mga leafhopper na manipulahin ang liwanag.

Ang Hinaharap ng mga Disenyo na Inspirado sa Kalikasan

Ang mga kumpanya ay nagiging mas interesado sa pagkuha ng inspirasyon mula sa kalikasan dahil ang kanilang mga disenyo ay napapanatili, eco-friendly, may kakayahang i-optimize ang magagamit na mga mapagkukunan, at flexible na makasabay sa iba’t ibang kondisyon ng klima. 

Isa sa pinakabagong at lubos na popular na pag-emulate ng kalikasan sa disenyo at inhinyeriya ay noong nag-develop ang Mercedes Benz ng Bionic Car, na kumukuha ng inspirasyon mula sa malaking structural strength at mababang masa ng boxfish. Ang kotse ay iniulat na nagbabawas ng drag habang nagpapakita ng makabuluhang antas ng rigidity, mababang timbang, at mas mababang konsumo ng gasolina kumpara sa tradisyunal na mga kotse. 

Sa Japan, ang disenyo ng mga Bullet Train ay ininspirasyon ng Kingfisher. Ang mga eksperto sa paglalakbay sa pagitan ng hangin at tubig, na may napakaliit na splashing, ay nagbigay inspirasyon sa Shinkansen bullet train na may mahabang beak-shaped na ilong. Ang disenyo ay malaki ang nabawasang ingay na ginagawa ng tren, at gumamit ng 15 porsyento na mas kaunting kuryente, at naglakbay ng 10 porsyento na mas mabilis kaysa dati.

Halos dalawang dekada na ang nakalilipas, isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa MIT ang lumikha ng bagong materyal na maaaring manghuli at kontrolin ang maliliit na dami ng tubig. Ang disenyo ay inspirasyon ng mga beetle na kasing laki ng isang sentimo. Ang materyal ay pinagsama ang isang superhydrophobic (tumatanggi sa tubig) na ibabaw sa mga superhydrophilic (tumatanggi sa tubig) na bukol na humahawak ng patak ng tubig at kumokontrol sa daloy ng tubig. 

Ang mga posibleng aplikasyon para sa bagong materyal ay kinabibilangan ng pag-ani ng tubig, paggawa ng lab on a chip (para sa diagnostics at DNA screening), at paglikha ng mga microfluidic device at cooling device.

Ang kasaysayan ng Biomimicry ay kasing luma ng sibilisasyon ng tao. Ang mga halimbawa nito ay hindi lamang sa inhinyeriya kundi pati na rin sa arkitektura. Sa arkitektura, ang biomimicry ay nagpapakita ng sarili nito sa disenyo ng mas napapanatiling at epektibong mga gusali na nasa pagkakaisa sa kalikasan. Kadalasang tinatawag na Biomimetic architectures, ang mga gusaling ito ay kumukuha ng inspirasyon mula sa kalikasan upang maging energy-efficient, bioclimatic, sustainable, adaptive, resilient, at sustainable. 

Gayunpaman, upang gawing mas epektibong proseso ang biomimicry, kailangang maging mas epektibo ang mga kasangkapan. Ayon sa mga designer, bagaman walang kakulangan sa mga biomimicry tool na mapagpipilian, karamihan sa mga biomimetic tool ay tumutulong sa mga designer na lumikha ng mga konsepto at i-map ang mga konseptong ito mula sa larangan ng biomimetics patungo sa posibleng aplikasyon, ngunit ang mga tool na ito ay nagbibigay ng kaunting praktikal na payo sa pagsasalin ng mga konseptong biyolohikal sa mga prototype na maaaring gawin.

Gayunpaman, may kapansin-pansing pagtaas sa mga pamumuhunan sa teknolohiya na tumutulong sa atin na magpatupad ng mga disenyo batay sa kalikasan sa ating pang-araw-araw na aplikasyon. Ayon sa mga pagtataya, ang global na merkado ng biomimetic technology ay maaaring lumago mula US$6.8 bilyon noong 2017 hanggang US$18.5 bilyon noong 2028. 

Noong unang panahon, ang layunin ng teknolohiya at mga makina ay gawing mas simple ang ating buhay sa pamamagitan ng pag-automate ng mga paulit-ulit at iterant na gawain. Sa kasalukuyan, kailangang maging sustainability-oriented ang teknolohiya upang magamit nang matalino ang magagamit na mapagkukunan at iwanan ang pinakamaliit na posibleng epekto sa ating planeta sa usapin ng carbon emissions.

Ang mga disenyo na inspirado ng kalikasan ay maaaring maging mahusay na paraan upang gawing mas epektibo ang teknolohiya. Ang tampok na ito ng nature-inspired na disenyo ay makatutulong upang makakuha ng mas maraming atensyon at pamumuhunan sa mga susunod na araw.

I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang teknolohiya na may nakakatakot na potensyal.