211service.com
Jak sierść zwierzęca może zainspirować czystszą technologię
Twój pies śmierdzi i śledzi błoto w domu, ale czy to nie dziwne, że pan Barks nie jest chodzącym kłębkiem śmieci? A co z tymi maleńkimi muszkami owocowymi — czy kilka drobinek kurzu nie powinno wystarczyć, aby zrujnować ich aerodynamikę?
Pszczoła ma mniej więcej tyle włosów, co wiewiórka.
Oto pytania zadawane przez fizyków-biologów Davida Hu z Georgia Tech i jego absolwenta Guillermo Amadora z Instytutu Maxa Plancka. Dwóch ostatnio opublikował recenzję w Dziennik eksperymentalny Biologia i artykuł uzupełniający w Odkryć . Ich badania są nie tylko fascynujące same w sobie (poczekaj, aż usłyszysz coś o szynszylach i SUV-ach), ale mają pewne genialne implikacje dla projektowania technologii wrażliwych na brud, takich jak soczewki i panele słoneczne.
Włosy wydają się koszmarem higienistki. Sprowadza się to do powierzchni — im większą powierzchnię ma obiekt, tym więcej miejsca na gromadzenie się kurzu i innych cząstek. (Moi czytelnicy mogą pamiętać, że owłosione łapy gekonów i ich stosunkowo duża powierzchnia umożliwiają jaszczurkom przyczepianie się do nawet gładkich powierzchni.)
Pod tym względem wygląda na to, że mamy szczęście, że jesteśmy bezwłosą małpą. Ale nawet najbardziej owłosiona małpa nie ma nic na sobie Pszczoła (tj. pszczół miodnych) w czystej włochatości. Według naukowców Odkryć artykuł:
My ludzie mamy około 100 000 włosów na naszej głowie . Liczba sierści na innych zwierzętach jest stosunkowo oszałamiająca. Motyl ma 100 miliardów włosów, ponad 10 razy więcej niż bobr. Pszczoła ma 3 miliony włosów, tyle samo co wiewiórka.
Kiedy naukowcy dokonali ekstrapolacji z włosów na powierzchnię, wyniki stają się wręcz oszałamiające:
Odkryliśmy, że sierść zwiększa widoczną powierzchnię zwierzęcia średnio sto razy. Tak więc kot ma powierzchnię stołu do ping-ponga. (To wyjaśnia, dlaczego jego [ sic ] tak trudno wyczyścić zwierzęta.) Szynszyla ma powierzchnię SUV-a. A wydra morska ma powierzchnię lodowiska hokejowego.
Oznacza to, że higiena jest potencjalnie ogromnym pochłaniaczem energii dla zwierząt – zwierząt, które wolą, w sensie ewolucyjnym, wykorzystywać tę energię do znajdowania pożywienia lub partnerów. Istnieje silna selektywna siła kształtująca zwierzęta, aby były czyste w najbardziej efektywny sposób. Naukowcy zauważają, że skuteczne czyszczenie polega w równym stopniu na zaprojektowaniu powierzchni, która jest gotowa do ułatwienia [sprzątania], co na zaprojektowaniu dobrego narzędzia do czyszczenia.
Sedno: zwierzę oczyszcza się za darmo, jeśli ma odpowiednią powierzchnię. Jeśli mamy takie nastawienie, być może będziemy mogli zaprojektować nowe urządzenia, które również będą czyste za darmo.
Wyróżniają panele słoneczne i pszczoły. Oba muszą wpuszczać światło. Panele słoneczne nie wytwarzają tyle energii, ile mogą każdego roku z powodu gromadzenia się kurzu. Oglądane przez skaningowy mikroskop elektronowy oko pszczoły wygląda jak poduszeczka do szpilek; dla Hu i Amadora wygląda to na inspirację:
Wyobraź sobie panele słoneczne zaprojektowane jak owadzie oczy. Cienkie włókna mogą być umieszczane okresowo w celu zawieszenia kurzu nad panelem, ale nadal umożliwiają przenikanie światła. Czyszczenie panelu sprowadzałoby się do prostego przeciągnięcia go innym pędzlem. Podobnie jak owady, panel można wyczyścić bez użycia wody lub chemikaliów. Podobnie, kamery wideo, oczy robotów mogą być otoczone rzęsami, aby zmniejszyć osadzanie. Budowa syntetycznych systemów włochatych jest przedmiotem naszego grantu National Science Foundation, Inżynieria Owadów .
Pożyczanie pomysłów z natury to dumna tradycja inżynierii. Czemu nie? Dobór naturalny kształtuje organizmy od co najmniej 3,5 miliarda lat. Kiedy jego cele i nasze własna zbieżność, jak to miało miejsce w przypadku zadziorów roślin łopianowych i wspólnego pragnienia szwajcarskiego inżyniera George'a de Mestrala, aby połączyć jeden przedmiot z drugim, rodzą się wynalazki .
Inne naturalne zastosowania włosów wykraczają daleko poza kurz – nanoskalowe poduszeczki na skrzydłach cykad są tak małe i ostre, że rozbijają bakterie jak balony z wodą. Futro wydry morskiej jest niezwykle gęste, odpycha wodę i zapewnia doskonałą izolację. Wąsy kotów i gryzoni to znakomite urządzenia sensoryczne. Długi krótki, lniany lub woskowy , włosy są niezaprzeczalnie głównym celem biomimikry.
Kończąc, Hu i Amador rzucają wyzwanie panującemu paradygmatowi iFuture i zamiast tego proponują znacznie bardziej zadziorną wizję technoutopii:
Zazwyczaj wyobrażamy sobie przyszłe roboty pokryte gładkimi, błyszczącymi powierzchniami, jak samochód polerowany chromem. Ale w naturze gładkie powierzchnie nie są normą. Przyszłe blaty mogą mieć słupki w rozmiarze nano, które rozciągają się i zabijają bakterie w kontakcie. Zrobotyzowane łaziki mogą być pokryte włoskami, które wyczuwają ich otoczenie, zawieszają cząsteczki i umożliwiają łatwe czyszczenie. Rzeczywiście, przyszłość może wyglądać dość kusząco.