© ROOT-NATION.com - บทความนี้ได้รับการแปลโดย AI โดยอัตโนมัติ เราขออภัยในความไม่ถูกต้องใดๆ หากต้องการอ่านบทความต้นฉบับ ให้เลือก English ในตัวสลับภาษาข้างบน
ธรรมชาติมีวิวัฒนาการมาเป็นเวลา 3.8 พันล้านปี จนกระทั่งถึงกระบวนการเอาชีวิตรอดที่สมบูรณ์แบบ ตั้งแต่การออกแบบปีกนกไปจนถึงวิธีการผสมเกสรดอกไม้ ในทางตรงกันข้าม มนุษย์ดำรงอยู่ได้เพียงเสี้ยวหนึ่งของอายุขัยของโลก แต่เราแสวงหาแรงบันดาลใจจากธรรมชาติอยู่ตลอดเวลา ตลอดเวลานี้ ธรรมชาติได้สร้างพิมพ์เขียวให้มนุษยชาติได้ปฏิบัติตาม
ธรรมชาติมีความสมบูรณ์แบบในด้านเอกลักษณ์ มีประสิทธิภาพ การอนุรักษ์ทรัพยากร และการดำรงอยู่ได้ด้วยตนเอง การออกแบบและกระบวนการที่พัฒนาขึ้นนั้นได้รับการทดสอบมาเป็นเวลาหลายล้านปี ซึ่งพิสูจน์ถึงประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย
ตัวอย่างเช่น โครงสร้างหกเหลี่ยมที่ผึ้งใช้ในการสร้างลมพิษ รูปทรงที่มีความแข็งแรงและเสถียรภาพสูงทำให้เหมาะสำหรับผึ้ง ขณะเดียวกันก็ใช้วัสดุในปริมาณน้อยที่สุดอย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบัน มนุษย์นำโครงสร้างนี้ไปประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ ตั้งแต่เครื่องบินและยานอวกาศไปจนถึงการก่อสร้างและบรรจุภัณฑ์ การเลียนแบบทางชีวภาพหมายถึงการศึกษาและการเลียนแบบการออกแบบและกระบวนการทางธรรมชาติเพื่อการใช้งานจริง ในบทความนี้ เราจะสำรวจการออกแบบและกระบวนการบางอย่างที่ธรรมชาตินำเสนอ และวิธีการปรับใช้เพื่อสร้างโครงสร้างที่มนุษย์สร้างขึ้นอย่างยั่งยืนมากขึ้น
เครื่องบิน
ตัวอย่างการเลียนแบบทางชีวภาพที่มีชื่อเสียงและเก่าแก่ที่สุดคือเครื่องบิน เชื่อกันว่าการบินของนกพิราบเป็นแรงบันดาลใจให้พี่น้องตระกูลไรท์สร้างเครื่องบินลำแรก ซึ่งพวกเขาเปิดตัวในปี 1903 ตั้งแต่รูปทรงของนกและวิธีการทำงานของปีก ไปจนถึงวิธีที่นกเหินไปในอากาศ องค์ประกอบทั้งหมดนี้ทำหน้าที่ เป็นพิมพ์เขียวสำหรับเครื่องบินสมัยใหม่ คุณลักษณะเหล่านี้ได้รับการศึกษาอย่างรอบคอบ และนักวิทยาศาสตร์มุ่งมั่นที่จะทำซ้ำ
นักออกแบบเครื่องบินสร้างปีกเพื่อเลียนแบบพื้นผิวโค้งของปีกนก ทำให้เกิดความกดอากาศด้านบนและด้านล่างปีกที่แตกต่างกันเพื่อสร้างแรงยก หางเสือที่ส่วนท้ายของเครื่องบินเลียนแบบขนหางของนกเพื่อให้เกิดความสมดุลและการควบคุมทิศทาง ด้วยการใช้หลักการออกแบบตามธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างเครื่องจักรที่หนักกว่าอากาศที่สามารถเดินทางผ่านท้องฟ้าได้ นอกจากเครื่องบินพาณิชย์แล้ว ยังมีการศึกษาการก่อตัวของนกรูปตัว V เช่นห่านด้วย
รูปแบบรูปตัว V ช่วยประหยัดพลังงานโดยจับกระแสลมจากนกที่อยู่ข้างหน้า ช่วยลดปริมาณพลังงานที่นกที่อยู่ข้างหลังต้องใช้เพื่อให้ลอยอยู่ในอากาศ ฝูงบินทหารใช้หลักการนี้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานให้สูงสุด
อ่าน: 8 เทคโนโลยีทางการทหารแห่งอนาคตที่ต้องให้ความสนใจในปัจจุบัน
velcro
George de Mestral วิศวกรชาวสวิสได้ประดิษฐ์ Velcro ขึ้นในปี 1941 หลังจากกลับจากการเดินเล่นในป่า และสังเกตเห็นเสี้ยนจากต้นหญ้าเจ้าชู้ที่ติดอยู่กับเสื้อผ้าและขนสุนัขของเขา เมื่อตรวจดูพวกมันด้วยกล้องจุลทรรศน์ เดอ เมสทรัลก็เห็นว่าเสี้ยนนั้นมีตะขอเล็กๆ บนเมล็ดของมัน ซึ่งทำให้พวกมันไปเกาะติดกับเสื้อผ้าและขนสัตว์
ได้รับแรงบันดาลใจจากการออกแบบตะขอ de Mestral ได้สร้าง Velcro ซึ่งเป็นระบบที่ประกอบด้วยสองส่วน ด้านหนึ่งมีตะขอเล็กๆ อีกด้านมีห่วงเล็กๆ เมื่อทั้งสองด้านถูกกดเข้าด้วยกัน ตะขอจะเกี่ยวเข้ากับห่วง ทำให้เกิดความผูกพันอันแน่นแฟ้น อย่างไรก็ตามการเชื่อมต่อได้รับการออกแบบให้แข็งแรงพอที่จะจับแต่ง่ายพอที่จะแยกออกด้วยแรงที่เพียงพอ
ปัจจุบัน Velcro ถูกนำมาใช้กับสินค้าหลายประเภท ตั้งแต่เสื้อผ้าและกระเป๋าไปจนถึงผ้าพันแผลทางการแพทย์และที่เก็บสายเคเบิล ในความเป็นจริง, NASA ยังใช้ Velcro เพื่อยึดวัตถุในสภาวะแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์ ด้วยแรงบันดาลใจจากการออกแบบการกระจายเมล็ดที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ ตีนตุ๊กแกจึงกลายเป็นองค์ประกอบที่แพร่หลายในชีวิตประจำวัน มันทำหน้าที่เป็นทางเลือกแทนกระดุมและซิป โดยมีข้อดีต่างๆ เช่น ใช้งานง่าย สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ และประสิทธิภาพ
อ่าน: รถไฟโดยสารในอนาคตจะมีลักษณะอย่างไร
ปลวก
กองปลวกเป็นโครงสร้างที่โดดเด่นซึ่งสร้างขึ้นโดยปลวกเพื่อเป็นที่พักพิงและควบคุมสภาพแวดล้อมในการดำรงชีวิตสำหรับอาณานิคมของพวกมัน เนินดินเหล่านี้ทำจากดิน ไม้เคี้ยว สิ่งสกปรก และน้ำลาย มีโครงสร้างระบายอากาศตรงกลางคล้ายควันที่เชื่อมต่อกับอุโมงค์และห้องใต้ดิน การออกแบบนี้ช่วยรักษาสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมภายในพื้นที่ใต้ดิน
อากาศร้อนลอยขึ้นผ่านโครงสร้างส่วนกลาง ช่วยให้อากาศเย็นไหลผ่านช่องเปิดด้านล่างได้ สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าสภาพแวดล้อมภายในเนินดินจะยังคงอยู่ โดยไม่คำนึงถึงสภาพภายนอก การออกแบบยังอำนวยความสะดวกในการระบายอากาศและการแลกเปลี่ยนก๊าซ โครงสร้างเหล่านี้มีความสูงถึง 9 เมตรและยืนหยัดมานานหลายทศวรรษ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความทนทาน
สถาปนิกได้ออกแบบอาคารที่เลียนแบบโครงสร้างนี้โดยได้รับแรงบันดาลใจจากกองปลวก หนึ่งในตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดคือ Eastgate Center ในประเทศซิมบับเว Eastgate Centre ออกแบบโดย Mike Pearce มีเป้าหมายเพื่อรักษาสภาพอากาศที่ควบคุมได้สำหรับผู้อยู่อาศัยในสภาพอากาศร้อน ในขณะเดียวกันก็ลดการใช้พลังงานเพื่อความเย็นด้วย
อ่าน: ทำไม Cryptocurrencies ถึงเพิ่มขึ้นหลังจากชัยชนะของ Trump: อธิบาย
พื้นผิวทำความสะอาดตัวเอง
แม้จะมีอยู่ในน้ำขุ่น แต่ดอกบัวก็ยังคงสะอาดอยู่เนื่องมาจากใบของมันที่ไม่ชอบน้ำเป็นพิเศษ ตุ่มเล็กๆ ที่ปกคลุมไปด้วยขี้ผึ้งปกคลุมพื้นผิวของใบบัว ทำให้หยดน้ำกลิ้งออกไป และนำสิ่งสกปรกและเศษต่างๆ ติดตัวไปด้วย โครงสร้างนาโนบนพื้นผิวของใบไม้ (ปุ่มเล็กๆ เหล่านี้) ลดการเกาะตัวของหยดน้ำ ทำให้สามารถดักจับฝุ่นละอองได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “เอฟเฟกต์ดอกบัว” ซึ่งเป็นคำที่บาร์ธล็อตต์และเอห์เลอร์นำมาใช้ครั้งแรกในปี 1977 ซึ่งบรรยายถึงคุณสมบัติในการทำความสะอาดตัวเองของใบบัว
ตั้งแต่นั้นมา นักวิทยาศาสตร์ได้สำรวจสารเคลือบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากใบบัวซึ่งสามารถทำความสะอาดตัวเองได้ บริษัท Sto Corp. ของอเมริกา พัฒนาสีที่ได้แรงบันดาลใจจากเอฟเฟกต์ดอกบัว ซึ่งช่วยขจัดสิ่งสกปรกและสิ่งสกปรก
นอกเหนือจากสี ผ้า และสารเคลือบที่ทำความสะอาดตัวเองได้ วิธีการนี้ยังใช้ในการพัฒนาวัสดุสำหรับตัวสะสมความร้อนจากแสงอาทิตย์ เซ็นเซอร์ควบคุมการจราจร และกันสาด
อ่าน: เครื่องบินโดยสารแห่งอนาคตจะมีหน้าตาเป็นอย่างไร
รถไฟความเร็วสูงของญี่ปุ่น
นกกระเต็นเป็นนกที่ว่องไวและว่องไวอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งโฉบเข้าหาเหยื่อเพื่อจับมัน พวกมันเข้าใกล้อย่างเงียบๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งใกล้กับแหล่งน้ำ เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้พวกมันจับได้จนน่าตกใจ การออกแบบจงอยปากของนกกระเต็นที่เป็นเอกลักษณ์ทำให้ได้เปรียบในด้านนี้ ลักษณะจะงอยปากแคบ ยาว และแหลม โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้นจากปลายถึงฐาน การออกแบบนี้ช่วยกระจายแรงกดที่เกิดขึ้นเมื่อกระทบน้ำ ลดเสียงรบกวนที่กระเซ็น และรับประกันการดำน้ำที่มีประสิทธิภาพ เงียบ และมั่นคง
วิศวกรชาวญี่ปุ่นที่พัฒนารถไฟความเร็วสูงชินคันเซ็น ในตอนแรกประสบปัญหาอุโมงค์บูมเสียงดังซึ่งเกิดจากความกดอากาศที่สร้างขึ้นที่ด้านหน้ารถไฟ
เพื่อแก้ปัญหานี้ วิศวกรจึงพิจารณาการออกแบบจะงอยปากของนกกระเต็น พวกเขาออกแบบด้านหน้ารถไฟใหม่เพื่อเลียนแบบรูปร่างของจะงอยปาก ช่วยลดความบูมของอุโมงค์ การออกแบบนี้ยังช่วยให้รถไฟเคลื่อนที่เร็วขึ้น 10% และใช้ไฟฟ้าน้อยลง 15%
อ่าน: Europa Clipper: ทุกสิ่งที่คุณต้องรู้ก่อนการปล่อยยานอวกาศที่ใหญ่ที่สุด
นวัตกรรมที่ได้แรงบันดาลใจจากหนังฉลาม
ฉลามขึ้นชื่อในด้านความเร็วและความเชี่ยวชาญในการว่ายน้ำใต้น้ำ ไม่น่าแปลกใจเลยที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามจำลองหนังฉลามเพื่อการใช้งานต่างๆ รวมถึงการผลิตชุดว่ายน้ำและสารเคลือบต้านเชื้อแบคทีเรีย หนังฉลามประกอบด้วยโครงสร้างคล้ายฟันเล็กๆ ที่เรียกว่า dermal denticles ซึ่งให้ความรู้สึกเรียบไปในทิศทางหนึ่งและอีกด้านก็มีลักษณะเป็นฟันปลา เนื้อฟันเหล่านี้ทำหน้าที่สองประการ: ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันและเพิ่มการเคลื่อนไหวผ่านน้ำ
ระยะ ผิวหนังชั้นนอก ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับฉลาม ด้วยการขัดขวางการไหลของน้ำด้วยขอบหยัก ฟันของฉลามจะช่วยลดแรงลากของฉลามขณะเคลื่อนที่ผ่านน้ำ ทำให้สามารถว่ายได้อย่างรวดเร็ว มีประสิทธิภาพ และเงียบเชียบ โครงสร้างเหล่านี้ยังป้องกันไม่ให้จุลินทรีย์เกาะติดกับผิวหนังของฉลามอีกด้วย สันเล็กๆ ตามแนวผิวหนังช่วยป้องกันไม่ให้นักโบกรถที่ไม่ต้องการขึ้นรถฟรี
นักวิทยาศาสตร์ได้รับแรงบันดาลใจจากพื้นผิวพิเศษนี้และนำไปทำชุดว่ายน้ำเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการว่ายน้ำ ชุดว่ายน้ำเหล่านี้ประสบความสำเร็จอย่างมากในการแข่งขันกีฬาโอลิมปิก จนกระทั่งหนึ่งในชุดว่ายน้ำที่มีชื่อว่า Speedo LZR Racer ถูกสหพันธ์ว่ายน้ำนานาชาติสั่งห้ามใช้
อย่างไรก็ตาม นักวิจัยบางคนแย้งว่าชุดว่ายน้ำที่ได้แรงบันดาลใจจากหนังปลาฉลามช่วยเพิ่มแรงต้านมากกว่าลดความมันลง ร่างกายของฉลามมีความยืดหยุ่นมากกว่ามนุษย์มาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมผิวหนังถึงช่วยลดความต้านทานได้ ในขณะที่ชุดว่ายน้ำได้รับการพัฒนาโดยการสังเกตผิวหนังฉลาม ความสำเร็จของพวกเขาอาจเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการลองผิดลองถูก แทนที่จะเป็นการจำลองโดยตรงของข้อดีทางอุทกพลศาสตร์ของฉลาม
หนังฉลามยังได้รับการศึกษาเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีทางการแพทย์ เช่น แผ่นพลาสติกที่ติดผนังโรงพยาบาล แผ่นเหล่านี้ช่วยป้องกันการแพร่กระจายของแบคทีเรียและจุลินทรีย์ที่เป็นอันตรายอื่นๆ เนื่องจากไม่สามารถยึดติดกับผนังได้
อ่าน: การเข้ารหัสตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทาง: คืออะไรและทำงานอย่างไร
โครงสร้างรังผึ้ง
ตามที่กล่าวไว้ในบทนำ โครงสร้างรังผึ้งที่ผึ้งใช้นั้นเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่มีประสิทธิภาพสูง เหตุผลที่ผึ้งเลือกรูปทรงหกเหลี่ยมเป็นหัวข้อที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์มาตั้งแต่สมัยของชาร์ลส์ ดาร์วิน ผู้ตั้งสมมติฐานว่ารูปทรงนี้ได้รับการดัดแปลงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตขี้ผึ้ง แบบฟอร์มนี้ช่วยเพิ่มพื้นที่จัดเก็บที่มีอยู่ให้สูงสุดในขณะที่ใช้แว็กซ์ในปริมาณน้อยที่สุด
ในปี 1999 นักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกัน โทมัส เฮลส์ พิสูจน์ว่ารูปหกเหลี่ยมทำให้พื้นที่เส้นรอบวงเล็กลง และเพิ่มพื้นที่ให้สูงสุดในขณะที่ใช้วัสดุในปริมาณน้อยที่สุด สิ่งนี้เรียกว่า “การคาดเดาแบบรวงผึ้ง” นอกจากการเก็บแว็กซ์แล้ว เซลล์หกเหลี่ยมยังช่วยปกป้องและกักเก็บตัวอ่อนอีกด้วย ทำให้มั่นใจได้ว่าแว็กซ์จะไม่ละลายในสภาพอากาศร้อน
นักวิทยาศาสตร์ได้รับแรงบันดาลใจจากผึ้งและนำรูปทรงเรขาคณิตมาประยุกต์ใช้กับกระจกเครื่องบิน วัสดุก่อสร้าง และใบพัดกังหันลม การออกแบบเน้นที่การใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ ลดน้ำหนัก และต้นทุนวัสดุ
โดยเฉพาะกระจกของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) ประกอบด้วยส่วนหกเหลี่ยม 18 ส่วนเรียงกันเป็นรูปรวงผึ้ง รูปทรงเรขาคณิตนี้จะเพิ่มพื้นที่ผิวให้สูงสุดเพื่อการจับแสง ในขณะเดียวกันก็รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างและลดน้ำหนัก ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับภารกิจในอวกาศ
นี่เป็นเพียงตัวอย่างเล็กๆ น้อยๆ ของการเลียนแบบทางชีวภาพ และวิธีที่ธรรมชาติเป็นแรงบันดาลใจให้กับการออกแบบและนวัตกรรมที่มีประสิทธิภาพ รายการนี้ไม่ได้ครอบคลุมทั้งหมดและกล่าวถึงเฉพาะการปรับปรุงที่เกิดขึ้นในโครงสร้างและกระบวนการเท่านั้น ปัจจุบันมีระบบและกระบวนการทางธรรมชาติมากมายที่นักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาเพื่อปรับปรุงเทคโนโลยีที่มีอยู่
ธรรมชาติยังคงพัฒนาและเพิ่มประสิทธิภาพของระบบอย่างต่อเนื่อง โดยไม่เพียงสร้างประโยชน์ให้กับโลกธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังสร้างแรงบันดาลใจให้ผู้คนสร้างนวัตกรรมที่พวกเขาสามารถดึงแรงบันดาลใจออกมาได้
หากคุณสนใจบทความและข่าวสารเกี่ยวกับเทคโนโลยีการบินและอวกาศ เราขอเชิญคุณเข้าร่วมโครงการใหม่ของเรา AERONAUT.media.
อ่าน:
