Muling Paglalarawan ng Aero at Fluid Dynamics sa Pamamagitan ng Glass Sponge na Venus Flower Basket

Ang mga glass sponge, na karaniwang matatagpuan sa malalim na karagatan, ay kabilang sa klase ng Hexacitinellida. Kinuha nila ang pangalan mula sa kanilang mga tisyu, na binubuo ng mga glass-like na estruktural na particle na gawa sa silica. 

Ang iskeletong ng mga glass sponge ay isang mekanismong ebolusyonaryo na tumutulong sa kanila na labanan ang mga mandaragit sa malalim na dagat sa pamamagitan ng likas at organikong pagsasama ng kanilang sarili sa iba’t ibang kemikal. 

Hindi maikakaila ang kanilang kahusayan, ang mga glass sponge ay nagpapanatili ng kanilang buhay sa pamamagitan ng pagdikit sa matitigas na ibabaw at pagkunsumo ng maliliit na bakterya at plankton na na-filter mula sa nakapaligid na tubig. 

Ang ilang species ay maaaring lumikha ng napakalaking spicules na bumubuo ng isang glass house sa pamamagitan ng pagsasanib sa magagandang pattern. Ang mga istrukturang iskeletong ito ay kadalasang kinagigiliwan ng mga siyentipiko dahil nananatili silang buhay kahit na ang sponge ay patay na, at maraming hayop sa malalim na dagat ang gumagamit ng mga istrukturang ito bilang kanilang tirahan!

Ang Pinakakilalang Glass Sponge

Sa lahat ng mga glass sponge na naninirahan sa malalim na dagat, ang Venus Flower Basket, isang species ng Euplectella, ay partikular na kilala. Ito ay umunlad nang sapat para ang kanyang iskeletong makahuli ng isang tiyak na species ng crustacean sa loob nito habang-buhay. Ang mga crustacean na ito ay nagrereproduce, at ang kanilang mga supling ay naghahanap ng mga bagong flower basket para sa kanilang sarili. Karaniwan, ang mga sponge na ito ay nagsisilbing panghabang-buhay na tirahan para sa dalawang maliliit, katulad ng hipon na Stenopodidea, isang lalaki at isang babae.

Ang katangiang ito na nagsisilbing natural na tirahan para sa mga nilalang sa malalim na dagat ay palaging nagdulot ng pagkakainteres sa Venus Flower Basket glass sponge. Ang pagkakainteres na ito ay nagdala sa mga mananaliksik upang matuklasan ang isa pang kamangha-manghang katangian ng mga hayop na ito: ang kanilang kakayahang mag-filter feed nang hindi gumagamit ng pag-pump.

Natural na ‘Zero Energy’ na Kontrol ng Daloy ng Venus Flower Basket Sponge

Isa sa mga kamangha-manghang kakayahan ng mga sinaunang hayop na ito ay ang kanilang kakayahang mag-filter feed nang walang pag-pump, na umaasa lamang sa mahina na ambient na agos ng dagat sa kailaliman. Paano ito posible? Iyan ang sinuri ng isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa University of Rome Tor Vergata at NYU Tandon School of Engineering. Gamit ang napakataas na resolusyon na computer simulations, sinuri nila ang istruktura ng iskeletong ng Venus Flower Basket Sponge. Ang mga natuklasan ay, sa madaling salita, nakabibighani. Bukod pa rito, nagdala ito ng kamangha-manghang potensyal para sa maraming aplikasyon sa engineering. 

Habang ipinaliwanag ang makabago na katangian ng eksperimento, si Maurizio Porfiri, Propesor sa NYU Tandon Institute at direktor ng Center for Urban Science + Progress (CUSP), na co-pinangunahan ang pag-aaral at co-supervised ang pananaliksik, ay nagsabi:

“Ang aming pananaliksik ay naglutas ng isang debate na lumitaw sa mga nakaraang taon: maaaring pasibong kumuha ng nutrisyon ang Venus flower basket sponge, nang walang anumang aktibong mekanismo ng pag-pump. Ito ay isang kamangha-manghang adaptasyon na nagpapahintulot sa filter feeder na ito na umunlad sa mga agos na karaniwang hindi angkop para sa suspension feeding.”

Sa esensya, ginagamit ng mga hayop na glass sponge ang kanilang natatanging iskeletong estruktura upang ilihis ang napakabagal na agos ng malalim na dagat, itinuturo ang daloy pataas papunta sa kanilang sentral na katawan. Ang mekanismong ito ay nagfi-filter ng plankton at iba pang marine detritus mula sa tubig-dagat, na ginagamit ng mga sponge bilang pagkain. Ang paikot-ikot, may mga guhit na panlabas na ibabaw ng iskeletong ng sponge ay gumagana tulad ng isang spiral na hagdanan, hinihila ang tubig pataas sa pamamagitan ng porous, lattice-like na balangkas nang hindi kailangan ng enerhiya ng pag-pump. 

Ang pinaka-kamangha-manghang katangian ng glass sponge ay ang natural nitong bentilasyon, na mahusay na gumagana sa halos walang galaw ng mga sahig ng malalim na karagatan. Ito ang paraan kung paano umunlad ang mga species na ito sa malalim na dagat, nag-aangkop sa magaspang na kapaligiran at pasibong kumukuha ng pagkain sa napakabagal na agos. 

Ayon kay Giacomo Falcucci ng Tor Vergata University of Rome:

“Nakamit ng sponge ang isang eleganteng solusyon para sa pag-maximize ng suplay ng nutrisyon habang gumagana nang ganap sa pamamagitan ng pasibong mga mekanismo.”

Ang pag-abot sa mga kamangha-manghang pananaw na ito ay hindi madali. Kinailangan ng ilang taon para sa mga mananaliksik na magtayo ng angkop na pasilidad na makakaunawa sa phenomenon hanggang sa pinakaliit na detalye.

Ang mga Pasilidad na Nakatulong sa Pananaliksik na Maabot ang Layunin Nito 

Gumamit ang mga mananaliksik ng Leonardo supercomputer sa CINECA, isang non-profit na konsorsyum na nagho-host ng pinakamalaking Italian computing center at isa sa mga pinakamahalaga sa buong mundo. 

Ang makapangyarihang supercomputer na ito ay tumulong sa mga mananaliksik na bumuo ng isang buhay na 3D replica ng sponge, na may isang daang bilyong indibidwal na punto na muling nilikha ang masalimuot na helical ridge structure ng sponge. Ang napakalaking computing power ng Leonardo ay nagbigay-daan upang magsagawa ng quadrillions ng kalkulasyon kada segundo, na nagsasagawa ng malawak na hanay ng bilis at kondisyon ng daloy ng tubig.

Ayon sa mga mananaliksik na kasangkot, ang mga resulta ng pag-aaral ay maaaring magdala ng maraming makabagong solusyon sa engineering. Sa ibaba, binubuod namin ang ilang mga makabagong ideya. 

I-click dito upang matutunan kung paano posible ang manipulasyon ng liwanag sa tulong ng leafhoppers.

Ang Potensyal ng Real-Life na Aplikasyon ng Pananaliksik

Ang paunang pag-aaral para sa pananaliksik na ito ay isang pag-aaral noong 2021 na isinagawa ng parehong koponan. Sa pananaliksik na iyon, tiningnan ng koponan kung paano maaaring mapabuti ang mga gawa-ng-tao na estruktura. Naniniwala ang koponan na ang pagsisiyasat nito sa papel ng geometry ng sponge sa pagtugon sa daloy ng likido ay may maraming implikasyon para sa disenyo ng mga matataas na gusali at mekanikal na estruktura ng iba’t ibang uri, kabilang ang mga skyscraper, mga bagong estruktura na mababa ang drag para sa mga barko, at kahit mga fuselage ng eroplano. 

Ayon kay Giacomo Falcucci ng Tor Vergata University of Rome, ang eksperimento noong 2021 sa glass sponge ay nakatulong sagutin ang mga tanong tulad ng:

“Magkakaroon ba ng mas kaunting aerodynamic drag sa mga matataas na gusali na itinayo gamit ang katulad na lattice ng mga guhit at butas? Mai-optimize ba nito ang pamamahagi ng mga puwersang inilalapat?” 

Ang kasalukuyang pananaliksik, na mas malalim na sumisid sa mga aspeto ng biometric engineering ng glass sponge, ay maaaring makatulong sa pagdidisenyo ng mas epektibong reactors na may optimized na pattern ng daloy at nabawasang panlabas na drag. 

Ang pagsunod sa mga prinsipyo ng panloob na engineering ng mga ridged at porous na ibabaw ng glass sponge ay maaaring magpataas ng air filtration at ventilation systems sa mga skyscraper at iba pang estruktura. Ang asymmetric na helical ridges, halimbawa, ay maaaring magbigay inspirasyon sa mga hull o fuselage na mababa ang drag na mananatiling streamlined habang pinapabuti ang interior airflow. 

Mula 2021 hanggang 2024, nagpatuloy ang pananaliksik sa Venus Flower Basket Sponges, patuloy na natuklasan kung paano ang kahanga-hangang bioengineering na ito ay maaaring magbigay inspirasyon sa higit pang mga real-life na aplikasyon. 

Ang paggamit ng kalikasan bilang inspirasyon sa disenyo para sa kanilang mga produkto ay nakatulong sa maraming kumpanya na mapabuti ang kahusayan at magpakilala ng optimization. 

#1. Bionic Cars ng Mercedes Benz

Noong Marso 2024, ang Mercedes Benz, habang ipinaliwanag ang design philosophy sa likod ng isa sa kanilang pinakabagong modelo, Vision EQXX, ay nagsabi ng sumusunod:

“Pagdating sa lightweight construction, ang kalikasan pa rin ang pinakamahusay na modelo: mula sa mga boxfish hanggang sa Arctic tern – maraming hayop ang nag-evolve ng optimal na hugis ng katawan at iba pang kakayahan na nagpapahintulot sa kanila na maglakbay sa kanilang migratory routes na may minimal na gastusin ng enerhiya. Ang maximum efficiency ay isa ring gabay na prinsipyo sa likod ng technology program na lumikha ng VISION EQXX – kaya’t ang ilang bahagi ng chassis structure ay batay sa natural na hugis at bionic design principles.” 

Tinawag ng kumpanya ang kanilang bio-inspired material usage philosophy na Bionicast process. Ang lapit na ito ay nagtataguyod ng paggamit ng materyal lamang kung saan kinakailangan ang mga load path. Bilang resulta, ang mga bionic element ay may patuloy na nagbabagong kapal ng pader at mga bukas na kahawig ng isang iskeletong. 

Naniniwala ang kumpanya na ang bio-inspired design philosophy ay nagbunga ng produktong lubos na functional at compact, na may malaking nabawasang timbang. Halimbawa, ang mga bionic design sa likurang sahig ng sasakyan ay nakapagtipid ng 15-20% sa timbang at materyal. Ang wiper motor bracket ay may 20 porsyentong bentahe sa timbang.

Ang Mercedes-Benz (MBG.DE ) Bionic car, na kilala sa mahusay nitong aerodynamics, ay unang ipinakita noong Hunyo 2005 sa Washington, DC. Mula noon, patuloy itong umunlad, pinapanatili ang kahalagahan at prominensya nito sa komunidad ng automotive. Ang makabagong proseso ng pag-develop ng BIONICAST ay nanalo ng 2022 Material Design + Technology Award sa kategoryang ‘Best of Process’. Pagdating ng 2039, sa tulong ng mga prinsipyo ng nabawasang paggamit ng mga resources at potensyal ng magaan na konstruksyon ng Bionicast, layunin ng Mercedes Benz na makamit ang pangkalahatang layunin ng net carbon neutrality sa buong value chain ng kanilang bagong fleet ng mga sasakyan.

Noong 2023, iniulat ng Mercedes Benz ang kita na 153.2 bilyong Euro, tumaas ng 3.2 bilyong Euro mula sa 150 bilyong Euro na kita noong 2022. Ang kumpanya ay nagrehistro ng EBIT na 19.7 bilyong Euro, at ang EPS nito ay 13.46 Euro. 

#2. Biohm

Ang Biohm, isang multi-award-winning na kumpanya sa pananaliksik at pag-unlad, ay naniniwala sa pilosopiyang ‘pinapayagan ang kalikasan na pangunahan ang inobasyon.’ Bilang misyon nito, ang kumpanya ay ‘nagkakaisa ng mga sistemang kultural at natural sa pamamagitan ng responsableng paglisensya ng mga groundbreaking, scalable na biotechnologies.’

Isa sa mga pangunahing teknolohiya ng Biohm ay ginagamit ang kapangyarihan ng Mycelium—ang vegetative filament root structure ng mga kabute. Ginagamit ng kumpanya ang teknolohiyang ito upang lumikha ng mga high-impact at high-performance na solusyon sa pag-develop ng mga sopistikadong komponent tulad ng particulate composites, fiber-reinforced composites, monolithic materials, at polymer-like monolithic materials. Ang mga ito ay angkop para sa mga larangan ng konstruksyon, consumer o retail products, specialized packaging, interiors, mga piraso ng muwebles, at fashion. 

Sa pamamagitan ng ‘Orb’ technology, ang Biohm ay nagko-convert ng ilan sa pinakamabilis na lumalagong ‘waste streams’—pagkain at agrikultural na ‘waste’—sa mga mahalaga at functional na high-performance na produkto. Ang mga produktong ito ay maaaring gawing mga sheet at hubugin sa masalimuot na 3-D na hugis at 3-D printed na produkto.

Dagdag pa rito, nag-aalok ang Biohm ng prefabricated construction system na hindi nangangailangan ng permanenteng binders o fasteners, na lumilikha ng matibay, mataas na kalidad na mga estruktura. Inspirado ng mathematical geometry ng molecular bonds ng carbon, ang sistemang ito ay maaaring magpababa ng environmental impact, gastos, at oras ng pagtatayo ng isang gusali ng 120%, 70%, at 95%, ayon sa pagkakabanggit.  

Sa isa sa mga makabagong bioremediation na pagsisikap nito, ang Biohm, kasama ang Waitrose & Partners at Power To Change, ay nag-develop ng apat na strain ng Mycelium na kayang kumain ng mga plastik, kabilang ang Polyurethane (PU), Polyethylene (PE), Polystyrene (PS), at Polyester (PET). Gamit ang mycelium-centered na teknolohiyang ito, ang mga plastik ay maaaring mabasag sa mga asukal, benign hydrocarbons, at carbon dioxide. Kinokonsumo ng Mycelium ang mga asukal at hydrocarbons, habang ang carbon dioxide ay nagiging oxygen sa pamamagitan ng mga organismo na nagsasagawa ng photosynthesis.

Ayon sa mga pagtatantiya ng industriya, ang kumpanya ay nakalikom ng pondo na US$1.73 milyon hanggang ngayon. 

Ang Hinaharap ng Bio-Inspired na Aero at Fluid Dynamics

Ang muling pag-iisip ng aero at fluid dynamics sa pamamagitan ng pagkuha ng inspirasyon mula sa kalikasan ay nag-udyok sa mga mananaliksik sa buong mundo. Sa Bio-Inspired Flight Lab ng University of Bristol, na pinamumunuan ni Dr Shane Windsor, halimbawa, ang mga mananaliksik ay nagsuri ng iba’t ibang aspeto ng sensing at control ng paglipad ng hayop at kung paano nila maaaring mapabuti ang mga engineered na teknolohiya, lalo na ang pag-andar ng maliliit na scale na walang piloto na sasakyang panghimpapawid (UAVs).

Isa sa pinakamalaking tatak sa mundo, ang Lockheed Martin (LMT ), ay kumuha ng inspirasyon para sa kanilang Skunk Works mula sa mga Hercules beetles ng tropikal na Central at South America upang organikong mag-darken o mag-lighten upang tumugma sa araw-araw na pagbabago ng kulay ng nakapaligid na rainforest. Naniniwala ang mga mananaliksik sa Skunk Works na ang paggaya sa katangiang ito ay maaaring mapabuti ang paggawa ng composite aircraft parts sa pamamagitan ng pag-develop ng mga sensor na kayang mag-alert sa mga tekniko kapag ang isang komplikadong estruktura ay nasa tamang antas ng kahalumigmigan upang magpatuloy sa susunod na hakbang ng proseso ng paggawa.

Ayon kay Thomas Koonce, ang namumuno sa Revolutionary Technology Portfolio ng Skunk Works, “Ang mga color change sensor ay magiging mabilis, murang, at maaasahang paraan upang matukoy kung tama ba ang mga kondisyon para sa paggawa.” Itinuturing ito ni Koonce bilang isang ‘low-cost, low-manpower solution.’

Sa NASA’s Glenn Research Center sa Ohio, ang mga whiskers ng harbor seals ay nagbigay inspirasyon kay researcher Vikram Shyam upang magdisenyo ng low-drag turbine blades para sa Advanced Air Transport Technology Project, na naglalayong mag-develop ng groundbreaking energy efficiency para sa fixed-wing aircraft. 

Gayundin, si Isaiah Blankson, isang senior technologist sa NASA’s Glenn Research Center sa Ohio, ay nainspire ng acrobatic precision ng mga lumalangoy na penguin upang mag-develop ng Low-Boom Flight Demonstration program na naglalayong bawasan ang sonic booms sa pamamagitan ng aerodynamic shaping.

Ang pagkuha ng inspirasyon mula sa kalikasan ay lubos na nakatulong sa mga tao na mapabuti ang kanilang mga solusyon sa aero at fluid dynamics. Ang karunungan ng kalikasan at kaharian ng hayop, na pinong pinanday sa daan-daang libong taon ng mga ebolusyonaryong praktis at taktika sa pag-survive, ay nag-aalok ng napakaraming karunungan para sa mas mahusay na mga solusyon sa engineering na epektibo, mura, at napapanatili.

I-click dito upang matutunan kung paano kumukuha ng inspirasyon ang robotics mula sa kalikasan.