Биомиметика - Biomimetics

заусенец
липучка
Крошечные крючки на плодах череды (слева) вдохновили липучку (справа).

Biomimetics или биомимикрия является эмуляцией моделей, систем и элементов природы с целью решения сложных человеческих проблем. Термины «биомиметика» и «биомимикрия» происходят от древнегреческого : βίος ( биос ), жизнь и μίμησις ( mīmēsis ), имитация, от μιμεῖσθαι ( mīmeisthai ), подражать, от μῖμος ( мимос ), актер. Тесно родственная область - бионика .

Живые организмы развили хорошо адаптированные структуры и материалы за геологическое время посредством естественного отбора . Биомиметика породила новые технологии, вдохновленные биологическими решениями на макро- и наномасштабах. На протяжении всего своего существования люди смотрели на природу в поисках ответов на проблемы. Природа решила такие инженерные проблемы, как способность к самовосстановлению, устойчивость и устойчивость к воздействию окружающей среды, гидрофобность , самосборка и использование солнечной энергии.

История

Одним из первых примеров биомимикрии было изучение птиц, позволяющих человеку летать . Леонардо да Винчи (1452–1519), которому так и не удалось создать «летательный аппарат», был пристальным наблюдателем анатомии и полета птиц, и сделал многочисленные заметки и зарисовки своих наблюдений, а также зарисовки «летающих машин». Братья Райт , которым удалось запустить первый самолет тяжелее воздуха в 1903 году, якобы черпали вдохновение из наблюдений за летящими голубями.

Леонардо да Винчи «сек дизайн для летательного аппарата с крыльями на основе тесно на структуре крыльев летучей мыши

В 1950-х годах американский биофизик и эрудит Отто Шмитт разработал концепцию «биомиметики». Во время своих докторских исследований он разработал триггер Шмитта , изучая нервы кальмаров, пытаясь создать устройство, воспроизводящее биологическую систему распространения нервов . Он продолжал сосредотачиваться на устройствах, имитирующих естественные системы, и к 1957 году он почувствовал обратное к стандартному взгляду на биофизику того времени, который он стал называть биомиметикой.

Биофизика - это не столько предмет, сколько точка зрения. Это подход к проблемам биологической науки с использованием теории и технологии физических наук. И наоборот, биофизика - это также подход биолога к проблемам физической науки и техники, хотя этот аспект в значительной степени игнорировался.

-  Отто Герберт Шмитт, С признательностью, Жизнь связей

В 1960 году Джек Э. Стил придумал похожий термин, бионика , на базе ВВС Райт-Паттерсон в Дейтоне, штат Огайо, где также работал Отто Шмитт. Стил определил бионику как «науку о системах, которые имеют некоторые функции, скопированные с природы, или которые представляют характеристики природных систем или их аналогов». Во время более поздней встречи в 1963 году Шмитт заявил:

Давайте рассмотрим, что бионика стала означать с практической точки зрения и что она или какое-то подобное слово (я предпочитаю биомиметика) должны означать, чтобы эффективно использовать технические навыки ученых, специализирующихся, или, скорее, я бы сказал, не специализирующихся в этой области. область исследований.

-  Отто Герберт Шмитт, Благодарность, Время общения: Отто Герберт Шмитт, 1913 - 1998

В 1969 году Шмитт использовал термин «биомиметик» в названии одной из своих статей, а к 1974 году он нашел свое место в словаре Вебстера , бионика вошла в тот же словарь ранее в 1960 году как «наука, занимающаяся применением данных о от функционирования биологических систем к решению инженерных задач ». Bionic приобрел иную коннотацию, когда Мартин Кейдин упомянул Джека Стила и его работу в романе « Киборг», который позже привел к телесериалу 1974 года « Человек за шесть миллионов долларов» и его побочным продуктам. Термин бионический затем стал ассоциироваться с «использованием искусственных частей тела с электронным управлением» и «обладанием обычными человеческими способностями, увеличенными с помощью таких устройств или как бы с их помощью». Поскольку термин бионический взял на проявления сверхъестественной силы, научное сообщество в английских говорящих стран в значительной степени отказались от нее.

Термин биомимикрия появился еще в 1982 году. Биомимикрия была популяризирована ученым и писателем Джанин Бенюс в ее книге 1997 года « Биомимикрия: инновации, вдохновленные природой» . Биомимикрия определяется в книге как «новая наука, которая изучает модели природы, а затем имитирует или черпает вдохновение из этих конструкций и процессов для решения человеческих проблем». Бенюс предлагает рассматривать природу как «модель, меру и наставника» и подчеркивает устойчивость как цель биомимикрии.

Один из последних примеров биомимикрии был создан Йоханнесом-Полем Фладерером и Эрнстом Курцманном под описанием «managemANT». Этот термин (сочетание слов «менеджмент» и «муравей») описывает использование поведенческих стратегий муравьев в экономических и управленческих стратегиях.

Био-вдохновленные технологии

Биомиметика в принципе может применяться во многих областях. Из-за разнообразия и сложности биологических систем количество элементов, которые можно имитировать, велико. Биомиметические приложения находятся на разных стадиях разработки - от технологий, которые могут стать коммерчески доступными, до прототипов. Закон Мюррея , который в традиционной форме определял оптимальный диаметр кровеносных сосудов, был переработан, чтобы предоставить простые уравнения для трубы или диаметра трубы, что дает минимальную массу инженерной системы.

Передвижение

Обтекаемый дизайн Shinkansen серии 500 (слева) имитирует клюв зимородка (справа) для улучшения аэродинамики.

Дизайн крыльев самолета и техника полета вдохновлены птицами и летучими мышами. В аэродинамике обтекаемой конструкции улучшены японский скоростной поезд Синкансэн серии 500 были смоделированы после того, как клюв зимородка птицы.

Биороботы, основанные на физиологии и методах передвижения животных, включают BionicKangaroo, который движется как кенгуру, экономя энергию от одного прыжка и передавая ее на следующий прыжок. Камигами Роботы , детская игрушка, имитирует движения тараканов, чтобы быстро и эффективно бегать по внутренним и наружным поверхностям.

Биомиметическая архитектура

Живые существа адаптировались к постоянно меняющейся среде в процессе эволюции посредством мутации, рекомбинации и отбора. Основная идея биомиметической философии заключается в том, что обитатели природы, включая животных, растения и микробы, имеют наибольший опыт в решении проблем и уже нашли наиболее подходящие способы выжить на планете Земля. Точно так же биомиметическая архитектура ищет решения для обеспечения устойчивости, присутствующей в природе.

В 21 веке мы стали свидетелями повсеместных потерь энергии из-за неэффективных строительных конструкций, а также чрезмерного использования энергии на этапе эксплуатации их жизненного цикла. Параллельно с этим недавние достижения в технологиях изготовления, компьютерных изображений и инструментов моделирования открыли новые возможности для имитации природы в различных архитектурных масштабах. В результате наблюдается стремительный рост инновационных подходов к проектированию и решений для решения энергетических проблем. Биомиметическая архитектура - один из этих междисциплинарных подходов к устойчивому дизайну, который следует набору принципов, а не стилистическим кодам, выходит за рамки использования природы в качестве вдохновения для эстетических компонентов построенной формы, но вместо этого стремится использовать природу для решения проблем функционирования здания. и экономия энергии.

Характеристики

Термин «биомиметическая архитектура» относится к изучению и применению принципов строительства, которые встречаются в естественной среде и биологических видах, и переводятся в дизайн устойчивых решений для архитектуры. Биомиметическая архитектура использует природу в качестве модели, меры и наставника для предоставления архитектурных решений в разных масштабах, которые вдохновлены естественными организмами, которые решили аналогичные проблемы в природе. Использование природы в качестве меры относится к использованию экологического стандарта для измерения устойчивости и эффективности антропогенных инноваций, в то время как термин наставник относится к изучению естественных принципов и использованию биологии в качестве источника вдохновения.

Биоморфная архитектура, также называемая биодекорированием, с другой стороны, относится к использованию формальных и геометрических элементов, встречающихся в природе, в качестве источника вдохновения для эстетических свойств в спроектированной архитектуре и не обязательно может иметь нефизические свойства. или экономические функции. Исторический пример биоморфной архитектуры восходит к египетской, греческой и римской культурам, когда в орнаменте структурных колонн использовались формы деревьев и растений.

Процедуры

В биомиметической архитектуре можно выделить две основные процедуры, а именно: восходящий подход (биология) и нисходящий (технологический) подход. Граница между двумя подходами размыта, и возможен переход между ними в зависимости от каждого отдельного случая. Биомиметическая архитектура обычно выполняется междисциплинарными группами, в которых биологи и другие естествоиспытатели работают в сотрудничестве с инженерами, материаловедами, архитекторами, дизайнерами, математиками и компьютерными специалистами.

При восходящем подходе отправной точкой является новый результат фундаментальных биологических исследований, перспективный для применения в биомиметике. Например, разработка системы биомиметических материалов после количественного анализа механических, физических и химических свойств биологической системы.

При нисходящем подходе поиск биомиметических инноваций осуществляется для уже существующих разработок, которые успешно зарекомендовали себя на рынке. Сотрудничество направлено на улучшение или дальнейшее развитие существующего продукта.

Примеры

Исследователи изучали способность термитов поддерживать практически постоянную температуру и влажность в термитниках в Африке, несмотря на то, что наружные температуры варьируются от 1,5 ° C до 40 ° C (от 35 ° F до 104 ° F). Первоначально исследователи отсканировали термитник и создали трехмерные изображения его структуры, которые показали, что конструкция может повлиять на проектирование человеческого здания . Центр Eastgate , офисный комплекс средней этажности в Хараре , Зимбабве , остается прохладным благодаря архитектуре пассивного охлаждения, которая использует только 10% энергии обычного здания такого же размера.

Waagner-Биро фасад двойной кожи быть собраны на одном Angel Square , Манчестер . Видно, что коричневый внешний фасад соединяется с внутренним белым фасадом с помощью распорок. Эти стойки создают проход между обеими «оболочками» для вентиляции, защиты от солнца и обслуживания.

Исследователи из Римского университета Ла Сапиенца были вдохновлены естественной вентиляцией термитников и спроектировали двойной фасад, который значительно сокращает освещенные участки в здании. Ученые имитировали пористую природу стен насыпей, спроектировав фасад с двойными панелями, которые смогли уменьшить тепло, получаемое за счет излучения, и увеличить теплопотери за счет конвекции в полости между двумя панелями. Общая охлаждающая нагрузка на энергопотребление здания была снижена на 15%.

Подобное вдохновение было почерпнуто из пористых стен термитников, чтобы спроектировать фасад с естественной вентиляцией и небольшим вентиляционным зазором. Такая конструкция фасада способна вызывать воздушный поток за счет эффекта Вентури и непрерывно циркулирует восходящий воздух в вентиляционной прорези. Наблюдалась значительная передача тепла между внешней поверхностью стены здания и воздухом, проходящим над ней. Дизайн сочетается с озеленением фасада. Зеленая стена способствует дополнительному естественному охлаждению растений за счет испарения, дыхания и транспирации. Влажный субстрат для растений дополнительно усиливает охлаждающий эффект.

Сепиолит в твердом виде

Ученые из Шанхайского университета смогли воспроизвести сложную микроструктуру сети трубопроводов из глины в насыпи, чтобы имитировать превосходный контроль влажности в насыпях. Они предложили пористый материал для контроля влажности (HCM) с использованием сепиолита и хлорида кальция с содержанием адсорбции-десорбции водяного пара 550 граммов на квадратный метр. Хлорид кальция является осушителем и улучшает адсорбционно-десорбционные свойства водяного пара Bio-HCM. Предлагаемый био-HCM имеет режим межволоконных мезопор, которые действуют как мини-резервуар. Прочность на изгиб предложенного материала была оценена в 10,3 МПа с помощью компьютерного моделирования.

В области структурной инженерии Швейцарский федеральный технологический институт ( EPFL ) включил биомиметические характеристики в адаптивный развертываемый мост «тенсегрити». Мост может проводить самодиагностику и самостоятельный ремонт. Расположение листьев на растении было адаптировано для более эффективного сбора солнечной энергии.

Анализ упругой деформации, происходящей, когда опылитель приземляется на похожую на оболочку часть цветка Strelitzia reginae (известного как цветок райской птицы ), вдохновил архитекторов и ученых из Университета Фрайбурга и Университета Штутгарта на создание бесшарнирного затенения. системы, которые могут реагировать на окружающую среду. Эти био-продукты продаются под названием Flectofin.

Другие бесшарнирные системы с биовспиранием включают Flectofold. Flectofold был вдохновлен системой отлова, разработанной плотоядным растением Aldrovanda vesiculosa .

Конструкционные материалы

Существует большая потребность в новых конструкционных материалах, которые имеют легкий вес, но предлагают исключительное сочетание жесткости , прочности и вязкости .

Такие материалы необходимо будет производить в объемных материалах сложной формы в больших объемах и с низкими затратами, и они будут использоваться в различных областях, таких как строительство, транспортировка, хранение и преобразование энергии. В классической задаче проектирования прочность и ударная вязкость с большей вероятностью будут взаимоисключающими, т. Е. Прочные материалы являются хрупкими, а прочные материалы - непрочными. Однако натуральные материалы со сложными и иерархическими градиентами материалов, которые варьируются от нано- до макромасштабов, являются одновременно прочными и жесткими. Как правило, в большинстве натуральных материалов используются ограниченные химические компоненты, но сложная структура материалов обеспечивает исключительные механические свойства. Понимание разнообразных и многофункциональных биологических материалов и открытие подходов к воспроизведению таких структур приведет к созданию передовых и более эффективных технологий. Кость , перламутр (раковина морского морского ушка), зубы, дактильные булавы устьоногих креветок и бамбук - отличные примеры устойчивых к повреждениям материалов. Исключительная устойчивость к переломам костей обусловлена ​​сложными механизмами деформации и упрочнения, которые действуют в различных масштабах - от наноразмерной структуры белковых молекул до макроскопических физиологических масштабов.

Электронно-микроскопическое изображение изломанной поверхности перламутра

Перламутр демонстрирует аналогичные механические свойства, но имеет более простую структуру. Перламутр имеет структуру, похожую на кирпич и раствор, с толстым минеральным слоем (0,2 ~ 0,9 мкм) плотно упакованных структур арагонита и тонкой органической матрицей (~ 20 нм). Хотя тонкие пленки и образцы микрометрового размера, которые имитируют эти структуры, уже производятся, успешное производство объемных биомиметических конструкционных материалов еще не реализовано. Тем не менее, для производства материалов, подобных перламутру, было предложено множество методов обработки.

Биоморфная минерализация - это метод, позволяющий получать материалы с морфологией и структурой, напоминающими естественные живые организмы, с использованием биоструктур в качестве шаблонов для минерализации. По сравнению с другими методами материального производства биоморфная минерализация проста, экологически безопасна и экономична.

Литье замораживанием (ледяной шаблон), недорогой метод имитации естественных слоистых структур, был использован исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли для создания слоистых композитов из оксида алюминия-Al-Si и IT-HAP-эпоксидной смолы, которые соответствуют механическим свойствам кости с эквивалентным минералом / органическое содержание. В различных дальнейших исследованиях также использовались аналогичные методы для получения высокопрочных и высокопрочных композитов, включающих различные составляющие фазы.

Недавние исследования продемонстрировали создание когезионных и самоподдерживающихся макроскопических тканевых конструкций, имитирующих живые ткани, путем печати десятков тысяч гетерологичных пиколитровых капель в программно определяемых трехмерных геометриях миллиметрового масштаба. Усилия также принимаются до имитируют дизайн перламутра в искусственных композиционных материалах с использованием моделирования метода наплавления и геликоидальная структуру stomatopod клубов в изготовлении высококачественных углеродных волокон -эпокси композитов.

Различные устоявшиеся и новые технологии аддитивного производства, такие как печать PolyJet, прямое письмо чернилами, 3D-магнитная печать, 3D-печать с использованием магнитного поля из нескольких материалов и литье шликера с помощью магнита , также использовались для имитации сложной микромасштабной архитектуры природных материалов и обеспечения огромных размеров. Возможности для будущих исследований.

Паутинный шелк прочнее, чем кевлар, используемый в пуленепробиваемых жилетах . Инженеры в принципе могли бы использовать такой материал, если бы его можно было модернизировать, чтобы он имел достаточно долгий срок службы, для парашютных строп, тросов подвесного моста, искусственных связок для медицины и других целей. Самозатачивающиеся зубы многих животных были скопированы для создания лучших режущих инструментов.

Также была реализована новая керамика с гигантским электретным гистерезисом.

Нейронные компьютеры

Нейроморфные компьютеры и сенсоры - это электрические устройства, которые копируют структуру и функции биологических нейронов для вычислений. Одним из примеров этого является камера событий, в которой только пиксели, которые получают новый сигнал, обновляются до нового состояния. Все остальные пиксели не обновляются до получения сигнала.

Самовосстанавливающиеся материалы

В некоторых биологических системах самовосстановление происходит за счет высвобождения химических веществ в месте перелома, которые инициируют системную реакцию на транспортировку восстанавливающих агентов к месту перелома. Это способствует автономному исцелению. Чтобы продемонстрировать использование микрососудистых сетей для автономного исцеления, исследователи разработали архитектуру микрососудистого покрытия и субстрата, имитирующую человеческую кожу. Были разработаны самовосстанавливающиеся структурные цветные гидрогели на основе биологических материалов, которые поддерживают стабильность структуры перевернутого опала и получаемых в результате структурных цветов. Самовосстанавливающаяся мембрана, вдохновленная быстрыми процессами самоуплотнения на заводах, была разработана для надувных легких конструкций, таких как резиновые лодки или конструкции Tensairity. Исследователи нанесли тонкое покрытие из мягкой ячеистой полиуретановой пены на внутреннюю часть тканевой подложки, которая закрывает трещину, если мембрана прокалывается шипом. На основе биологических материалов созданы самовосстанавливающиеся материалы , полимеры и композиционные материалы, способные заделывать трещины.

Свойства самовосстановления также могут быть достигнуты за счет разрыва и преобразования водородных связей при циклических нагрузках на материал.

Поверхности

Поверхности , воссоздающие свойства кожи акулы , предназначены для более эффективного передвижения в воде. Были предприняты усилия для производства ткани, имитирующей кожу акулы.

Биомиметики поверхностного натяжения исследуются для таких технологий, как гидрофобные или гидрофильные покрытия и микроактюаторы.

Адгезия

Мокрая адгезия

Некоторые земноводные, такие как древесные и ручьиные лягушки и древесные саламандры , могут прикрепляться и перемещаться по влажной или даже затопленной среде, не падая. У таких организмов подушечки пальцев ног постоянно смачиваются слизью, выделяемой железами, открывающимися в каналы между эпидермальными клетками. Они прикрепляются к сопрягаемым поверхностям за счет мокрой адгезии, и они способны лазить по мокрым камням, даже когда по поверхности течет вода. Протекторы шин также были вдохновлены подушечками пальцев древесных лягушек .

Морские мидии могут легко и эффективно прилипать к поверхности под водой в суровых условиях океана. Мидии используют прочные волокна для прикрепления к скалам в приливных зонах пляжей, охваченных волнами, и предотвращают их унос сильными морскими течениями. Белки лапок мидий прикрепляют волокна к камням, лодкам и практически к любой поверхности в природе, включая других мидий. Эти белки содержат смесь аминокислотных остатков, специально адаптированную для адгезионных целей. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре заимствовали и упростили химический состав, который использует ножка мидии для решения этой инженерной проблемы мокрой адгезии для создания сополиамфолитов и однокомпонентных адгезивных систем, которые могут быть использованы в протоколах нанофабрикаций . Другое исследование предложило клей из мидий .

Сухая адгезия

Подушечки для прикрепления ног нескольких животных, включая многих насекомых (например, жуков и мух ), пауков и ящериц (например, гекконов ), способны прикрепляться к различным поверхностям и используются для передвижения, даже по вертикальным стенам или потолкам. Системы прикрепления у этих организмов имеют сходные структуры на конечных элементах контакта, известных как щетинки . Такие биологические примеры послужили источником вдохновения для создания скалолазных роботов, ботинок и лент. Синтетические щетинки также были разработаны для производства сухих клеев.

Оптика

Биомиметические материалы привлекают все большее внимание в области оптики и фотоники . До сих пор мало что известно о биоинспирированных или биомиметических продуктах, связанных с фотонными свойствами растений или животных. Однако понимание того, как природа создала такие оптические материалы из биологических ресурсов, является актуальной областью исследований.

Макроскопическое изображение пленки суспензии нанокристаллов целлюлозы, отлитой на чашке Петри (диаметр: 3,5 см)

Вдохновение от фруктов и растений

Например, хиральная самосборка целлюлозы, вдохновленная ягодами Polliadensata , была использована для создания оптически активных пленок. Такие пленки изготавливаются из целлюлозы, которая является биоразлагаемым и биоразлагаемым ресурсом, получаемым из дерева или хлопка. Структурные цвета потенциально могут быть вечными и иметь более яркий цвет, чем цвета, полученные в результате химического поглощения света. Polliadensata - не единственный плод со структурно окрашенной кожицей; радужность также присутствует в ягодах других видов, таких как Margaritaria nobilis . Эти плоды имеют переливающиеся цвета в сине-зеленой области видимого спектра, что придает фруктам сильный металлический и блестящий внешний вид. Структурные цвета происходят из-за организации цепочек целлюлозы в эпикарпе плода , части кожуры плода. Каждая клетка эпикарпа состоит из многослойной оболочки, которая ведет себя как брэгговский отражатель . Однако свет, который отражается от кожуры этих фруктов, не поляризован, в отличие от света, возникающего от искусственных копий, полученных в результате самосборки нанокристаллов целлюлозы в геликоиды, которые отражают только свет с левой круговой поляризацией .

Плоды Elaeocarpus angustifolius также имеют структурную окраску, которая возникает из-за наличия специализированных клеток, называемых иридосомами, которые имеют слоистую структуру. Подобные иридосомы также были обнаружены в плодах Delarbrea michieana .

У растений многослойные структуры можно найти либо на поверхности листьев (поверх эпидермиса), как у Selaginella willdenowii, либо внутри специализированных внутриклеточных органелл , так называемых иридопластов, которые расположены внутри клеток верхний эпидермис. Например, у растений тропического леса Begonia pavonina есть иридопласты, расположенные внутри клеток эпидермиса.

Структурные цвета также были обнаружены у некоторых водорослей, таких как красная водоросль Chondrus crispus (ирландский мох).

Вдохновение от животных

Морфо-бабочка.
Яркий синий цвет бабочки Морфо из-за структурной окраски был воспроизведен с помощью различных технологий.

Структурная окраска дает цвета радуги мыльных пузырей , крыльев бабочек и многих чешуек жуков. Фазовое разделение было использовано для изготовления ультра- белого рассеяния мембраны из полиметилметакрилата , имитируя жук Cyphochilus . Светодиодные фонари могут быть сконструированы так, чтобы имитировать узор чешуек на брюшке светлячков , повышая их эффективность.

Крылья бабочки Морфо окрашены в яркий синий цвет, который не меняется в зависимости от угла. Этот эффект можно воспроизвести с помощью множества технологий. Lotus Cars утверждает, что разработала краску, имитирующуюструктурный синий цвет бабочки Морфо . В 2007 году Qualcomm коммерциализировалатехнологию отображения интерферометрических модуляторов "Mirasol", использующую морфо- подобные оптические помехи. В 2010 году портниха Донна Sgro сделал платье от Тейджин Файберс ' Morphotex , с неокрашенной тканисотканной из структурно окрашенных волокон, имитируя микроструктуры MORPHO крыла бабочки весов.

В покрытии субволновой структуры Canon Inc. используются клиновидные структуры размером с длину волны видимого света. Клиновидные структуры вызывают непрерывно изменяющийся показатель преломления при прохождении света через покрытие, что значительно снижает блики линз . Это имитирует структуру глаза мотылька. Известные личности, такие как братья Райт и Леонардо да Винчи, пытались воспроизвести полет, наблюдаемый у птиц. Стремясь снизить уровень авиационного шума, исследователи обратили внимание на передний край совиных перьев, которые имеют множество маленьких плавников или рахисов, приспособленных для рассеивания аэродинамического давления и обеспечения почти бесшумного полета птицы.

Сельскохозяйственные системы

Целостный запланированный выпас с использованием ограждений и / или пастухов направлен на восстановление пастбищ путем тщательного планирования перемещений больших стад скота, чтобы имитировать огромные стада, встречающиеся в природе. Естественная система, имитируемая и используемая в качестве шаблона, - это выпас животных, сконцентрированный на стайных хищниках, которые должны двигаться дальше после еды, вытаптывания и навоза на территории и возвращаться только после того, как она полностью выздоровеет. Разработанный Алланом Сэвори , который, в свою очередь, был вдохновлен работами Андре Вуазена , этот метод выпаса скота обладает огромным потенциалом в создании почвы, увеличении биоразнообразия, обращении вспять опустынивания и смягчении последствий глобального потепления, аналогично тому, что происходило в течение последних 40 миллионов лет. расширение травяных экосистем создало глубокие пастбищные почвы , улавливая углерод и охлаждая планету.

Пермакультура - это набор принципов проектирования, в основе которых лежит системное мышление в целом, моделирование или прямое использование шаблонов и устойчивых характеристик, наблюдаемых в природных экосистемах. Он использует эти принципы во все большем числе областей , включая регенеративное сельское хозяйство , восстановление лесов, сообщества, а также организационное проектирование и развитие.

Другое использование

Некоторые системы кондиционирования воздуха используют биомимикрию в своих вентиляторах для увеличения потока воздуха при одновременном снижении энергопотребления.

Такие технологи, как Джас Джол , предположили, что функциональность вакуольных ячеек может быть использована для разработки легко адаптируемых систем безопасности. «Функциональность вакуоли, биологической структуры, которая защищает и способствует росту, подчеркивает ценность адаптируемости как руководящего принципа безопасности». Функции и значение вакуолей по своей природе фрактальны, органелла не имеет основной формы и размера; его структура меняется в зависимости от требований клетки. Вакуоли не только изолируют угрозы, содержат все необходимое, вывозят отходы, поддерживают давление - они также помогают клеткам увеличиваться в размерах и увеличиваться. Джол утверждает, что эти функции необходимы для любой системы безопасности. В « Синкансэн» серии 500 использовалась биомимикрия для снижения энергопотребления и уровня шума при одновременном повышении комфорта пассажиров. Что касается космических путешествий, то НАСА и другие фирмы стремились разработать космические дроны роя, вдохновленные моделями поведения пчел, и наземных беспилотных летучих мышей, спроектированных со ссылкой на пустынных пауков.

Прочие технологии

Сворачивание белка было использовано для контроля образования материала для самособирающихся функциональных наноструктур . Мех белого медведя послужил источником вдохновения для создания тепловых коллекторов и одежды. Светоотражающие свойства глаза бабочки были изучены для снижения отражательной способности солнечных панелей.

В жуке - бомбардира мощного репеллент спрей «сек вдохновил шведскую компанию по разработке„микро тумана“спрейте технологии, которая , как утверждается, имеет низкое влияние углерода ( по сравнению с аэрозольными распылителями). Жук смешивает химические вещества и выпускает свои брызги через управляемую насадку на конце живота, жаля и сбивая жертву с толку.

Большинство вирусов имеют внешнюю капсулу диаметром от 20 до 300 нм. Капсулы вируса необычайно прочные и способны выдерживать температуры до 60 ° C; они стабильны в диапазоне pH 2-10. Вирусные капсулы можно использовать для создания компонентов наноустройств, таких как нанопроволоки, нанотрубки и квантовые точки. Трубчатые вирусные частицы, такие как вирус табачной мозаики (TMV), можно использовать в качестве матрицы для создания нановолокон и нанотрубок, поскольку как внутренний, так и внешний слои вируса являются заряженными поверхностями, которые могут вызывать зарождение кристаллов. Это было продемонстрировано путем производства платиновых и золотых нанотрубок с использованием TMV в качестве шаблона. Было показано, что минерализованные вирусные частицы выдерживают различные значения pH за счет минерализации вирусов с помощью различных материалов, таких как кремний, PbS и CdS, и поэтому могут служить полезными носителями материала. Сферический вирус растения, называемый вирусом хлоротической крапчатости вигны (CCMV), обладает интересными расширяющимися свойствами при воздействии сред с pH выше 6,5. Выше этого значения pH 60 независимых пор диаметром около 2 нм начинают обмениваться веществом с окружающей средой. Структурный переход вирусного капсида может быть использован в биоморфной минерализации для избирательного поглощения и отложения минералов путем регулирования pH раствора. Возможные применения включают использование вирусной клетки для получения полупроводниковых наночастиц с квантовыми точками одинаковой формы и размера посредством серии промывок pH. Это альтернатива методике апоферритиновой клетки, которая в настоящее время используется для синтеза однородных наночастиц CdSe. Такие материалы также можно использовать для направленной доставки лекарств, поскольку частицы высвобождают содержимое при воздействии определенных уровней pH.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Бенюс, JM (2001). Пришел паук . Сьерра, 86 (4), 46-47.
  • Харгроувз, К. Д. и Смит, М. Х. (2006). Инновации, вдохновленные природой Биомимикрия . Экос, (129), 27-28.
  • Маршалл, А. (2009). Wild Design: The Ecomimicry Project , North Atlantic Books: Беркли.
  • Пассино, Кевин М. (2004). Биомимикрия для оптимизации, контроля и автоматизации. Springer.
  • Пайпер, В. (2006). Подражание природе: рост промышленной экологии . Экос, (129), 22-26.
  • Смит, Дж. (2007). Это естественно . Эколог, 37 (8), 52-55.
  • Томпсон, Д'Арси В. , О росте и форме . Dover 1992 г. переиздание 1942 г. 2-е изд. (1-е изд., 1917).
  • Фогель, С. (2000). Кошачьи лапы и катапульты: механические миры природы и людей . Нортон.

внешние ссылки