Mühendisler, 3D Baskılı Su Filtrasyon Çözümleri Tasarlarken Doğadan İlham Alıyor

Doğa, her zaman mühendisleri, mimarları, teknolojik araştırmacıları ve dünya çapındaki bilim insanlarını ilham kaynağı olmuştur. Kuşlar uçuş teknolojimizi ilham etti. Çayır ekosistemleri insanlığı daha sürdürülebilir ve verimli tarım sistemleri geliştirmeye teşvik etti. Çiçeklerdeki spiral akışlar verimli su karıştırma sistemlerini ilham etti. Bur tohumları cırt cırtı ilham etti. Liste uzayıp gidiyor!

Şimdi, MIT mühendislerinin mobula vatozunun benzersiz süzgeç besleme tekniği ve özel yapıların daha verimli endüstriyel su filtrelerini nasıl ilham edebileceğini gösteren bir bilimsel rapor yayınlandı. 

Keşfe daha derinlemesine girmeden önce, kısa bir şekilde Mobula Vatozlarına bir göz atalım.

Mobula Vatozları Nedir?

Akrobatik sıçramaları nedeniyle uçan vatozlar olarak da adlandırılan Mobula Vatozları, büyük, düz, elmas şekilli gövdeye ve uzun yüzgeçlere sahip yaratıklardır; bu sayede su içinde – ve hatta havada – süzülürler.  Bu balıklar düzenli olarak bir araya gelerek denizden sıçrar ve havaya fırlar, genellikle suyun dışına iki metre kadar zıplayıp bir sıçrama ile tekrar suya düşerler.

Doğa Tarihi Müzesi’nin belirttiği gibi, Mobula Vatozları süzgeç beslenir; yani ağızlarıyla sudan planktonları süzerler ve sürüler halinde büyük gruplar halinde toplanırlar. Peki, 3D baskılı su filtrasyon çözümleri tasarlarken nasıl bir ilham kaynağı olabilirler? Bunu bir sonraki bölümde tartışacağız.

Doğadan ilham alarak robotik hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Su Filtrasyonu İçin Mobula Vatozlarını Takip Etmek

Mobula Vatozu filtreleme aparatı, endüstriyel çapraz akış filtrelerine benzer, ancak farklı bir parametre rejiminde çalışır. Endüstriyel çapraz akış ile Mobula filtrasyonu arasındaki boşluğu kapatmak için araştırmacılar kurdu bir evrensel çerçeveye, sızıntılı bir kanalda geçirgenlik‑seçicilik takasına.

Araştırmacılar, Mobula filtrelerinin geometrisinin solunum ve beslenmeyi dengelemek için evrimleştiğini ve tasarım ilkelerinin geleneksel filtrasyon rejimlerinin ötesine uzandığını başarılı bir şekilde gösterdiklerini iddia ediyorlar. Sonuç, Mobula ilhamlı filtrasyon cihazlarının yaratılmasıdır. 

Tüm bunlar biyomimikri alanında karmaşık egzersizler gibi görünebilir, ancak Mobula Vatozlarını biraz daha yakından incelersek mekanizmayı takip etmek daha basittir. Mobula vatozları, ağızları açık bir şekilde plankton açısından zengin okyanus bölgelerinde yüzerek suyu ağızlarına çeker ve suyu solungaçlarından dışarı akıtarak plankton parçacıklarını boğazlarına filtreler.

Mobula vatozunun ağzının tabanı, her iki tarafta paralel, tarak benzeri yapılar olan plakalarla kaplıdır; bu plakalar suyu vatozun solungaçlarına çeker. Bu plakalar, burada tartıştığımız araştırmanın anahtarını oluşturur.

MIT araştırmacılarından oluşan ekip, bu plakaların boyutlarının gelen planktonun plakalar boyunca sıçrayıp vatozun boşluğuna daha derine girmesine izin verebileceğini göstermiştir; böylece suyun dışarı akışında solungaçlardan geçmek yerine. Ayrıca, Mobula Vatozunun solungaçları, suyun dışarı akışından oksijen alarak aynı anda solunum ve beslenmeyi destekleyebilir.

Çalışmaya göre yazar Anette “Peko” Hosoi, MIT Mekanik Mühendisliği Pappalardo Profesörü:

“Biz (araştırmacılar) mobula vatozunun bu plakaların geometrisini beslenme ve solunumu dengelemek için mükemmel boyuta evrimleştirdiğini gösteriyoruz.”

Araştırmacılar, mobula vatozunun plankton filtreleme özelliklerine uygun bir su filtresi tasarladılar. Daha sonra, filtreye 3D baskılı plaka benzeri yapılar yerleştirildiğinde suyun nasıl akacağını incelediler. Bu alıştırmalardan elde edilen sonuçlar, tasarımcıların mobula vatozunun konfigürasyonuna geniş ölçüde benzer endüstriyel çapraz akış filtrelerini optimize etmeleri için bir plan olarak derlendi.

Lider yazar ve MIT doktora sonrası araştırmacısı Xinyu Mao:

“Geleneksel çapraz akış filtrasyonunun tasarım alanını manta vatozundan elde edilen yeni bilgilerle genişletmek istiyoruz.”

Bu genişlemenin doğasını açıklarken, araştırmacı şöyle dedi:

“İnsanlar, mobula vatozunun bir parametre rejimini seçebilir, böylece genel filtre performansını potansiyel olarak artırabilirler.”

Kendi mobula vatozu ilhamlı filtre tasarımlarında, araştırma ekibi basit bir filtre oluşturdu. ‘Sızıntılı kanal’ olarak bilinen tasarım, yanlarında delikler bulunan bir boruya benzer. ‘Kanal’ın doğasını daha ayrıntılı açıklamak gerekirse, iki düz akrilik plaka arasında hafif bir boşluk bulunur ve bu sayede akışkan geçebilir. Kanalın bir ucuna, araştırmacılar mobula vatozunun ağzındaki oluklu plakaları taklit eden 3D baskılı yapılar yerleştirdiler.

Kurulumu, kanaldan suyu farklı hızlarda pompalayarak test ettiler. Akışı etkili bir şekilde görselleştirmek için renkli bir boya eklediler. Akış hızı arttığında, su her oluk ağzında girdaplar oluşturdu, parçacıkların geçmesini engelledi ve parçacıkları kanallar boyunca aşağı doğru itti.

Mobula vatozlarının tipik olarak yaptığı şey, en küçük plankton parçacıklarını bile yakalayan girdaplar oluşturmak için doğru hızda yüzmek ve geri kalan suyu solungaçlarından dışarı akıtmak. Bu içgörü, endüstriyel çapraz akış filtrelerini optimize etmek için ideal bir planın anahtarı haline geliyor ve filtre tasarımını iyileştirmek için pratik bir rehber sunuyor.

1. Ford

Dünyanın en saygın otomotiv markalarından biri olan Ford, arıların ilhamıyla hafif ama güçlü bir petek kargo rafı tasarlamak için yeni EcoSport SUV’si için ilham aldı. Ford EcoSport, yüksek dayanımlı %100 geri dönüştürülmüş kağıt petekten yapılmış ayarlanabilir bir kargo tabanına sahipti; bu, kompakt SUV müşterilerinin daha azla daha fazlasını yapmalarına yardımcı oldu.

Tamamen doğal kağıt ve su bazlı yapıştırıcıdan üretilen altı kiloluk petek taban, hem çevre dostu hem de yaklaşık 700 pound taşıma kapasitesine dayanacak kadar güçlüydü. İlk olarak bal arılarından türetilen biyomimikri teknolojisi, 50 yıl önce ev kapısı üretiminde tanıtılmıştı. 

Araçlarındaki doğa ilhamlı tasarım hakkında konuşurken, Ford EcoSport yardımcı baş mühendisi Mike Maxzzella şöyle dedi:

“Petekin altıgen tasarımı, doğanın dehasının bir kanıtıdır. Sadece güçlü değil, aynı zamanda çok hafiftir. Müşteriler rafı fırın rafı gibi birden fazla farklı yuvaya kaydırabilir ve hatta koltukların arkasına saklayabilir. Bu, EcoSport’un günlük kullanımda süper esnek olmasını sağlar.” 

EcoSport rafı sadece altı pound ağırlığındaydı. Ancak 38,5 inç x 25,25 inçlik bir alanda yaklaşık 700 pound taşıyabilecek şekilde derecelendirilmişti. Başka bir deyişle, bu hafif raf, beş torba beton karışımı (her biri 94 pound), dört büyük toprak torbası (her biri 40 pound) ve sekiz tek su galonu (her biri sekiz poundtan biraz fazla) gibi sayısız ağır öğeyi tutabilir.

Ford, ürünlerini daha iyi, daha verimli ve dayanıklı hâle getirmek için doğanın işlevlerine sürekli başvuran bir şirkettir. Neredeyse on yıl önce, 2015’te şirket, Biomimikri Enstitüsü’nün yardımıyla yeni yapıştırıcılar oluşturmak için Procter and Gamble ile bir araştırma ortaklığı duyurmuştu; bu, doğa ilhamlı çözümlerin benimsenmesini savunan kar amacı gütmeyen bir kuruluştur.

Bu tür ortaklıkların önemi hakkında konuşurken, Biomimikri Enstitüsü’nün icra direktörü Beth Rattner şöyle demişti:

“Bence Ford gibi birinin, ‘Bunu sadece daha iyi, daha sürdürülebilir bir tasarım olduğu için değil, aynı zamanda insanların süreçte doğal organizmaya daha fazla dikkat etmesi için çaba harcıyoruz’ demesi kritik.”

2015’te şirket, Tokay bukalemununun ayak tabanlarını inceleyerek yeni yapıştırıcılar geliştirmeye çalıştı; bu tabanlar sürüngenin tavanlar ve cam pencereler arasında koşmasını sağlar. Ford, bu bukalemun ayak tabanı ilhamlı yapıştırıcı sayesinde araçların geri dönüşüm oranlarını %10’a kadar artırma fırsatı gördü; çünkü bu yapıştırıcı, bir aracın metal iç kısımları söküldükten sonra kalan plastik ve köpük karışımını daha iyi ayırabilir.

Ford’ta o zamanlar plastik ve sürdürülebilirlik araştırmalarının kıdemli teknik lideri Debbie Mielewski şöyle demişti:

“Eğer bunu ayırabilirsek, içindeki farklı akışları tanımlayabilirsek, onları daha üst düzey uygulamalarda kullanma şansımız çok daha yüksek olur.”

Ford doğadan ilham almaya devam ederken, finansal olarak ve gelir açısından da iyi performans göstermeye devam ediyor. Şirket, 30 Eylül 2024’de sona eren çeyrekte 46,20 milyar dolar gelir kaydetti ve %5,47 büyüme gösterdi; son on iki ayda geliri 182,74 milyar dolara yükseldi ve yıllık %4,89 artış gösterdi. 2023 yılında Ford Motor Company (F ), yıllık 176,19 milyar dolar gelir ve %11,47 büyüme elde etti.

2.  The Procter and Gamble Company

Doğadan daha iyi ürün formülasyon prensipleri öğrenmede öncü bir diğer büyük kurumsal varlık Procter and Gamble’dır. 2024 yılında Procter and Gamble, soğuk su koşulları için yüksek performanslı temizlik enzimleri geliştirmeyi hızlandırmak amacıyla, AI tabanlı protein tasarımı için genetik biyolojik çeşitliliği haritalayan Basecamp Research ile ortaklık kurdu.

Ortaklık, soğuk ortamlara uyum sağlayan organizmalardan öğrenerek AI kullanarak soğuk yıkama performansını artıran yeni enzimler tasarlamayı hedefledi. Ortaklığın amacını ve P&G’nin bundan elde etmek istediği değeri açıklarken, Dr. Philip Souter OBE, P&G’de çamaşır araştırma ve geliştirme kıdemli direktörü şu sözleri söyledi:

“Bu girişimde Basecamp Research ile ortaklık yapmaktan memnunuz; doğanın benzersiz bakış açısını ve AI yeteneğini kapsamlı yenilik uzmanlığımızla birleştirerek yeni çözümler geliştirmek ve üstün bir tüketici deneyimi sunmak için birlikte çalışıyoruz.”

P&G, Basecamp Research’in soğuk ortamlarda yaşayan milyonlarca organizmanın genetik biyolojik çeşitliliğini anlamadaki yeteneklerini kullanarak, daha düşük yıkama sıcaklıklarında etkinliği artırmayı ve sıcak su ihtiyacını azaltmayı planladı; bu da çevre ve ısıtma faturaları için daha iyidir.

Procter and Gamble ayrıca, yılanlar ve sülüklerden ilham alarak daha iyi deterjanlar tasarlayan Biomimicry 3.8’in araştırmasından ilham aldı. Biomimicry 3.8, doğa pozitif tasarım ve inovasyona odaklanan dünyanın önde gelen danışmanlık ve profesyonel eğitim şirketidir.

Biomimicry 3.8’in bir araştırması, çamaşır ürünlerinin leke çıkarma etkinliğini artırmaya odaklandı. Biyolojik dünyadaki derin desenlere odaklanarak, Biomimicry 3.8, kan lekelerini kumaştan çıkarmada zorlu bir sorun olan 30 benzersiz biyolojik strateji belirledi. Araştırma, kanı sindirebilen ve en zorlu leke oluşturucular arasında sayılan yılanlar ve sülüklerin işleyişine baktı.

Bu organizmalar ve daha birçokları, klor kullanımını, atık suyu ve enerji tüketimini sınırlama potansiyeline sahip bir çözüm için değerli tasarım dersleri sundu. Bu araştırma sayesinde, P&G’nin Ar-Ge departmanı tüm araştırma çabalarını bu yönde kaydırdı. Baş bilim insanı Yousef Aouad, çalışmanın ekibe kan lekesi modeli sağladığını ve kan lekelerini gidermek için ardışık adımları kavramsal olarak anladıklarını söyledi.

“Ama en önemlisi, model şimdi geriye dönük olarak şunu da açıklıyor: Neden mevcut enzimlerimiz kan lekelerinde görevlerini yerine getiremiyor?”

– Yousef Aouad

Doğadan öğrenmek ve sürekli ilham almak, şirketin ürün yelpazesinin büyümesine ve çeşitlenmesine yol açtı. Şirketin net satışları istikrarlı bir büyüme gösterdi. 2020’de 71 milyar ABD doları olan gelir, 2024’te 84 milyar ABD dolarına yükseldi. Faaliyet geliri de 15,7 milyar ABD dolarından 18,5 milyar ABD dolarına çıktı.

Yaprak sivrisineklerinin ışığı manipüle etmemize nasıl yardımcı olabileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Doğa İlhamlı Tasarımların Geleceği

Şirketler, tasarımlarının sürdürülebilir, çevre dostu, mevcut kaynakları optimize edebilen ve çeşitli iklim koşullarına uyum sağlayacak kadar esnek olması nedeniyle doğadan ilham almaya giderek daha fazla ilgi gösteriyor. 

Doğadan tasarım ve mühendislikte en son ve son derece popüler taklitlerden biri, Mercedes Benz’in kutup balığı (boxfish) yapısal gücü ve düşük kütlesinden ilham alarak Bionic Car geliştirmesiydi. Araç, sürtünmeyi azaltırken önemli ölçüde rijitlik, düşük ağırlık ve geleneksel arabalara göre çok daha düşük yakıt tüketimi sağladığı bildirildi. 

Japonya’da, yüksek hızlı trenlerin tasarımı Kingfisher (balıkçıl) kuşundan ilham aldı. Hava ve su arasında çok az sıçrama ile seyahat eden bu kuşlar, Shinkansen yüksek hızlı tren tasarımına uzun gagalı bir burun şeklinde ilham verdi. Tasarım, trenin çıkardığı gürültüyü önemli ölçüde azalttı, aynı zamanda %15 daha az elektrik kullandı ve %10 daha hızlı seyahat etti. 

Neredeyse iki on yıl önce, MIT araştırmacılarının bir grubu, minik su miktarlarını yakalayıp kontrol edebilen yeni bir malzeme üretti. Tasarım, bir çeyrek dolar büyüklüğündeki böceklerden ilham almıştı. Malzeme, suyu iten (süperhidrofobik) bir yüzey ile suyu çeken (süperhidrofilik) çıkıntıları birleştirerek su damlacıklarını yakalayıp akışı kontrol ediyordu. 

Yeni malzemenin potansiyel uygulamaları arasında su toplama, laboratuvar çipi (tanı ve DNA taraması için), mikroakışkan cihazlar ve soğutma cihazları yer alıyor.

Biyomimikri tarihi, insan medeniyeti kadar eskidir. Bu örnekler sadece mühendislikte değil, mimaride de görülür. Mimarlıkta, biyomimikri daha sürdürülebilir ve verimli binaların tasarımında kendini gösterir; doğayla uyum içinde olur. Biyomimik mimari olarak adlandırılan bu binalar, enerji verimli, iklimsel, sürdürülebilir, uyumlu, dayanıklı ve çevreye duyarlı olmaları için doğadan ilham alır. 

Ancak biyomimikriyi daha verimli bir süreç haline getirmek için araçların daha etkili olması gerekir. Tasarımcılara biyomimetik kavramları üretim prototiplerine dönüştürmek için somut tavsiyeler sunmayan mevcut araçlar, genellikle kavramları biyomimetik alandan potansiyel uygulamalara haritalamaya yardımcı olur, ancak bu araçlar bu konuda sınırlı kalmaktadır.

Bununla birlikte, doğa temelli tasarımları günlük uygulamalarımıza entegre etmeye yardımcı olan teknolojiye yapılan yatırımlar belirgin bir artış gösterdi. Tahminlere göre, küresel biyomimikri teknoloji pazarı 2017’de 6,8 milyar ABD dolarından 2028’de 18,5 milyar ABD dolarına büyüyebilir. 

İlk zamanlarda, teknolojinin ve makinelerin amacı, tekrarlayan ve rutin görevleri otomatikleştirerek hayatımızı basitleştirmekti. Günümüzde ise teknoloji, sürdürülebilir olmalı; mevcut kaynakları akıllıca kullanmalı ve karbon emisyonları açısından gezegenimiz üzerindeki etkiyi en aza indirmelidir.

Doğa ilhamlı tasarımlar, teknolojiyi bu şekilde daha verimli hâle getirmenin harika bir yolu olabilir. Bu doğa ilhamlı tasarım özelliği, önümüzdeki günlerde daha fazla dikkat ve yatırım çekmeye yardımcı olacaktır.

Korkutucu potansiyele sahip en üst teknolojilerin listesi için buraya tıklayın.