Venüs Çiçek Sepeti Cam Süngeriyle Aero ve Akışkan Dinamiğini Yeniden Hayal Etmek

Cam süngerleri, genellikle derin okyanusta bulunur, Hexacitinellida sınıfına aittir. Adlarını, silikadan yapılmış cam benzeri yapısal parçacıklardan oluşan dokularından alırlar. 

Cam süngerlerinin iskeleti, çeşitli kimyasallarla doğal ve organik bir şekilde birleşerek derin deniz yırtıcılarıyla mücadele etmelerine yardımcı olan evrimsel bir mekanizmadır. 

Şüphesiz sofistike olan cam süngerleri, sert yüzeylere tutunarak ve çevredeki sudan süzülen küçük bakterileri ve planktonları tüketerek kendilerini besler. 

Bazı türler, güzel desenlerde birleşerek cam bir ev oluşturan oldukça büyük iğneler üretebilir. Bu iskelet yapıları, sünger öldükten sonra bile canlı kalmaları nedeniyle bilim insanlarını sık sık hayrete düşürür ve çeşitli derin deniz hayvanları bu yapıları evleri olarak kullanır!

En Bilinen Cam Sünger

Tüm derin deniz cam süngerleri arasında, Euplectella cinsine ait Venüs Çiçek Sepeti özellikle iyi bilinir. İskeleti, belirli bir kabuklu hayvan türünü ömür boyu içinde tutacak kadar evrimleşmiştir. Bu kabuklular üreyerek yavruları kendi yeni çiçek sepetlerini arar. Genellikle, bu süngerler iki küçük, karides benzeri Stenopodidea’ye, bir erkek ve bir dişi, ömür boyu ev olarak hizmet eder. 

Derin deniz yaratıkları için doğal konut görevi görmesi, Venüs Çiçek Sepeti cam süngerini her zaman merak edilen bir hayvan yapmıştır. Bu merak, araştırmacıların bu hayvanların bir başka dikkat çekici özelliğini keşfetmelerine yol açtı: pompa kullanmadan süzülerek beslenme yetenekleri. 

Venüs Çiçek Sepeti Süngeriyle Doğal ‘Sıfır Enerji’ Akış Kontrolü

Bu antik hayvanların doğuştan gelen şaşırtıcı özelliklerinden biri, sadece okyanusun derinliklerindeki zayıf çevresel akıma dayanarak pompa kullanmadan süzülerek beslenme yetenekleridir. Peki bu nasıl mümkün? Roma Tor Vergata Üniversitesi ve NYU Tandon Mühendislik Okulu’nda çalışan bir araştırmacı ekibi bunu inceledi. Son derece yüksek çözünürlüklü bilgisayar simülasyonları kullanarak Venüs Çiçek Sepeti Süngeri’nin iskelet yapısını analiz ettiler. Araştırma bulguları, en hafif şekilde söylenirse, akıl almazdı. Ayrıca, bu bulgular mühendislik uygulamaları için şaşırtıcı bir potansiyele sahipti. 

“Araştırmamız, son yıllarda ortaya çıkan bir tartışmayı çözüyor: Venüs çiçek sepeti süngeri, aktif bir pompalama mekanizması olmadan pasif olarak besin maddelerini çekebilir. Bu, süzülerek beslenen bu hayvanın normalde süspansiyon beslemesi için uygun olmayan akımlarda bile başarılı olmasını sağlayan inanılmaz bir uyumdur.”

Özünde, bu cam sünger hayvanları benzersiz iskelet yapısını kullanarak derin denizin ultra yavaş akımlarını yönlendirir ve akışı merkez vücut boşluğuna doğru yukarı doğru taşır. Bu mekanizma, süngerlerin besin olarak kullandığı deniz suyundan plankton ve diğer deniz detritüslerini filtreler. Süngerin iskelet yapısının spiral, kaburgalı dış yüzeyi bir spiral merdiven gibi çalışır, suyu gözenekli, kafes benzeri çerçevesi boyunca pompa enerjisi olmadan yukarı çeker. 

Cam süngerin en dikkat çekici özelliği, derin okyanus tabanlarının neredeyse durgunluğunda mükemmel çalışan doğal havalandırmasıdır. Bu şekilde bu derin deniz türleri, zorlu ortama uyum sağlayarak aşırı yavaş bir akımda pasif olarak besin çekmek üzere evrimleşmiştir. 

Tor Vergata Üniversitesi, Roma’dan Giacomo Falcucci’ye göre:

“Sünger, besin teminini maksimize ederken tamamen pasif mekanizmalarla çalışmak için zarif bir çözüme ulaşmıştır.”

Bu şaşırtıcı içgörülere ulaşmak kolay olmadı. Araştırmacıların fenomeni en ince ayrıntısına kadar anlayabilecek yeterli tesisleri inşa etmeleri yıllar sürdü.

Araştırmanın Hedefe Ulaşmasını Sağlayan Tesisler 

Araştırmacılar, İtalya’nın en büyük bilgi işlem merkezine ve dünya çapında en önemli merkezlerden birine ev sahipliği yapan kar amacı gütmeyen bir konsorsiyum olan CINECA’daki Leonardo süper bilgisayarını kullandılar. 

Bu güçlü süper bilgisayar, araştırmacıların süngerin karmaşık helikal kaburgalı yapısını yeniden yaratan yüz milyar tekil nokta ile gerçekçi bir 3D kopya geliştirmesine yardımcı oldu. Leonardo’nun muazzam işlem gücü, saniyede katrilyonlarca hesaplama yaparak geniş bir su akışı hızı ve koşul yelpazesini simüle etmeyi mümkün kıldı.

İlgili araştırmacılara göre, çalışmanın sonuçları birçok yenilikçi mühendislik çözümüne yol açabilir. Aşağıda, bu yenilikçi fikirlerden birkaçını özetliyoruz. 

Işıkları yaprakböceklerinin yardımıyla nasıl manipüle edebileceğinizi öğrenmek için buraya tıklayın.

Araştırmanın Gerçek Hayat Uygulama Potansiyeli

Bahsettiğimiz bu araştırmanın öncüsü, aynı ekip tarafından yürütülen bir 2021 çalışmasıdır. O araştırmada ekip, Venüs çiçek sepeti süngeri’nin insan yapımı yapıları nasıl iyileştirebileceğine odaklandı. Ekip, sünger geometrisinin akışa yanıt vermedeki rolünün incelenmesinin gökdelenler ve çeşitli mekanik yapılar, gökdelenler, gemiler için düşük sürüklemeli yeni yapılar ve hatta uçak gövdeleri dahil olmak üzere geniş bir yelpazedeki tasarım için birçok çıkarımı olduğunu düşündü. 

Tor Vergata Üniversitesi, Roma’dan Giacomo Falcucci’ye göre, cam sünger üzerindeki 2021 deney, şu sorulara yanıt bulmaya yardımcı oldu:

“Benzer bir kaburgalar ve delikler kafesine sahip yüksek binalarda aerodinamik sürükleme azalacak mı? Uygulanan kuvvetlerin dağılımını optimize edecek mi?” 

Cam süngerin biyometrik mühendislik yönlerine daha derinlemesine bakan mevcut araştırma, optimize edilmiş akış desenleri ve dış sürüklemenin minimize edildiği daha verimli reaktörler tasarlamaya yardımcı olabilir. 

Cam süngerin kaburgalı ve gözenekli yüzeylerinin iç mühendislik prensiplerini takip etmek, gökdelenlerde ve diğer yapılarda hava filtrasyonu ve havalandırma sistemlerini artırabilir. Asimetrik helikal kaburgalar, örneğin iç hava akışını teşvik ederken aerodinamik olarak sürüklemesi düşük gövdeler veya gövde kısımları ilham verebilir. 

2021’den 2024’e kadar, Venüs Çiçek Sepeti Süngerleri üzerine araştırma devam etti ve bu biyomühendislik harikasının daha fazla gerçek hayat uygulamasına nasıl ilham verebileceğini sürekli ortaya çıkardı. 

Doğayı tasarım ilhamı olarak kullanmak, birçok şirketin verimliliği artırmasına ve optimizasyon getirmesine yardımcı oldu. 

#1. Mercedes Benz’den Biyonik Arabalar

Mart 2024’te Mercedes Benz, tasarım felsefesini açıklarken en yeni modellerinden biri Vision EQXX’in arkasında, şu sözleri söyledi:

“Hafif yapı söz konusu olduğunda, doğa hâlâ en iyi rol modelidir: kutu balıklarından kutup turnasına kadar – birçok hayvan, göç yollarını minimum enerji harcayarak kat etmelerini sağlayan optimal vücut şekilleri ve diğer yetenekler geliştirmiştir. Maksimum verimlilik, VISION EQXX’i üreten teknoloji programının da yönlendirici prensibi oldu – bu yüzden şasi yapısının bazı bölümleri doğal şekillere ve biyonik tasarım ilkelerine dayanmaktadır.”

Şirket, biyolojik ilhamlı malzeme kullanım felsefesine Bionicast süreci adını vermiştir. Bu yaklaşım, malzemenin yalnızca yük yollarının gerekli olduğu yerlerde kullanılmasını savunur. Sonuç olarak, biyonik öğeler sürekli değişen duvar kalınlığına ve iskelet benzeri açıklıklara sahiptir. 

Şirket, biyolojik ilhamlı tasarım felsefesinin son derece işlevsel ve kompakt bir ürün ortaya çıkardığını, ağırlığın önemli ölçüde azaltıldığını düşünüyor. Örneğin, aracın arka tabanındaki biyonik tasarımlar yalnızca %15-20 ağırlık ve malzeme tasarrufu sağladı. Silecek motor braketi de %20 ağırlık avantajına sahiptir.

Mükemmel aerodinamiğiyle tanınan Mercedes-Benz (MBG.DE ) Biyonik araba, Haziran 2005’te Washington, DC’de tanıtıldı. O zamandan beri gelişimini sürdürerek otomotiv topluluğunda önemini ve öne çıkışını korudu. BIONICAST’ın yenilikçi geliştirme süreci, 2022 Material Design + Technology Award’ta ‘Best of Process’ (Süreçte En İyi) kategorisini kazandı. 2039 yılına kadar, Bionicast’ın azalan kaynak tüketimi ilkeleri ve hafif yapı potansiyeli sayesinde, Mercedes Benz yeni araç filolarında tüm değer zinciri boyunca net karbon nötrlüğü hedefini gerçekleştirmeyi amaçlamaktadır.

2023’te, Mercedes Benz gelirini bildirdi 153,2 milyar Euro olarak, 2022’deki 150 milyar Euro gelirine göre 3,2 milyar Euro artış gösterdi. Şirket, 19,7 milyar Euro EBIT kaydetti ve EPS’si 13,46 Euro oldu. 

#2. Biohm

Biohm, çok sayıda ödül kazanmış bir araştırma ve geliştirme şirketi, ‘doğanın yeniliği yönlendirmesine izin verme’ felsefesine inanıyor. Misyonu, çığır açan, ölçeklenebilir biyoteknolojilerin sorumlu lisanslamasıyla kültürel ve doğal sistemleri uyumlu hale getirmektir.

Biohm’un önde gelen teknolojilerinden biri, mantarların vejetatif filament kök yapısı olan Miselyumu kullanır. Şirket, bu teknolojiyi parçacık kompozitleri, fiber takviyeli kompozitler, monolitik malzemeler ve polimer benzeri monolitik malzemeler gibi sofistike bileşenler geliştirmede yüksek etkili ve yüksek performanslı çözümler üretmek için kullanır. Bunlar, inşaat, tüketici veya perakende ürünleri, özel ambalaj, iç mekanlar, mobilya parçaları ve moda alanlarında kullanılmak için uygundur.

Biohm, ‘Orb’ teknolojisi aracılığıyla, en hızlı büyüyen ‘atık akışlarından’—gıda ve tarımsal ‘atık’—değerli ve işlevsel yüksek performanslı ürünlere dönüştürür. Bu ürünler levhalar haline getirilebilir ve karmaşık 3-D şekillere ve 3-D baskılı ürünlere kalıplanabilir.

Ayrıca, Biohm kalıcı bağlayıcılar veya bağlantı elemanları gerektirmeyen prefabrik bir inşaat sistemi sunar, bu da sağlam, yüksek kaliteli yapılar oluşturur. Karbonun moleküler bağlarının matematiksel geometrisinden ilham alan bu sistem, bir binanın çevresel etkisini, maliyetini ve inşa süresini sırasıyla %120, %70 ve %95 azaltabilir.  

Oyunun kurallarını değiştiren bir biyoremediasyon çabasında, Biohm, Waitrose & Partners ve Power To Change iş birliğiyle, Poliüretan (PU), Polietilen (PE), Polistiren (PS) ve Polyester (PET) dahil olmak üzere plastikleri tüketebilen dört Miselyum suşu geliştirdi. Bu miselyum odaklı teknolojiyi kullanarak, plastikler şekerlere, zararsız hidrokarbonlara ve karbondioksite ayrıştırılabilir. Miselyum bu şekerleri ve hidrokarbonları tüketirken, karbondioksit fotosentez yapan organizmalar aracılığıyla oksijene dönüşür.

Sektör tahminlerine göre, şirket şu ana kadar 1,73 milyon ABD Doları fon topladığını tahmin edilmektedir. 

Biyolojik İlhamlı Aero ve Akışkan Dinamiğinin Geleceği

Doğadan ilham alarak aero ve akışkan dinamiğini yeniden hayal etmek, dünya çapında araştırmacıları motive etti. Örneğin, Bristol Üniversitesi Bio-İlhamlı Uçuş Laboratuvarı’nda Dr. Shane Windsor liderliğinde, araştırmacılar hayvan uçuşunun bir dizi algılama ve kontrol yönünü ve bunların özellikle küçük ölçekli insansız hava araçlarının (UAV) mühendislik teknolojilerini nasıl iyileştirebileceğini incelediler.

Dünyanın en büyük markalarından biri olan Lockheed Martin (LMT ), Skunk Works programı için tropikal Orta ve Güney Amerika’daki Hercules böceklerinden ilham alarak, çevredeki yağmur ormanının günlük değişen tonuna uyum sağlamak amacıyla organik olarak karartma veya aydınlatma yapmıştır. Skunk Works’teki araştırmacılar, bu özelliği taklit etmenin, karmaşık bir yapının bir sonraki üretim aşamasına geçmek için doğru nem seviyesine ulaştığında teknisyenleri uyarabilen sensörler geliştirerek kompozit uçak parçalarının üretimini iyileştirebileceğine inanıyor.

Skunk Works Devrimci Teknoloji Portföyü sorumlusu Thomas Koonce’a göre, “Renk değişimi sensörleri, üretim koşullarının doğru olup olmadığını belirlemenin hızlı, ucuz ve güvenilir bir yolu olacaktır.” Koonce bunu ‘düşük maliyetli, düşük iş gücü gerektiren bir çözüm’ olarak işaretliyor.

Ohio’daki NASA Glenn Araştırma Merkezi’nde, liman foklarının bıyıkları, araştırmacı Vikram Shyam’ı, sabit kanatlı uçaklar için çığır açan enerji verimliliği geliştirmeyi amaçlayan Advanced Air Transport Technology Project kapsamında düşük sürüklemeli türbin kanatları tasarlamaya ilham verdi. 

Benzer şekilde, Ohio’daki NASA Glenn Araştırma Merkezi’nde kıdemli teknolog Isaiah Blankson, yüzen penguenlerin akrobatik hassasiyetinden ilham alarak, aerodinamik şekillendirme ile ses patlamalarını azaltmayı amaçlayan Low-Boom Flight Demonstration programını geliştirdi.

Doğadan ilham almak, insanların aero ve akışkan dinamik çözümlerini büyük ölçüde geliştirmesine yardımcı olmuştur. Doğanın ve hayvan krallıklarının, yüz binlerce yıllık evrimsel uygulamalar ve hayatta kalma taktikleriyle şekillenen bilgeliği, daha verimli, düşük maliyetli ve sürdürülebilir mühendislik çözümleri için zengin bir bilgelik sunar.

Robotiklerin doğadan nasıl ilham aldığını öğrenmek için buraya tıklayın.