כיצד מתורגמים שפת הטבע בטכנולוגיה ביומימטית

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


מוצר שעוצב בטכנולוגיה ביו -מימית הוא לא רק חדשני אלא גם בר -קיימא. הטבע פועל כמערכת שנותנת תוצאות אפקטיביות ובר קיימא.

"למד מהטבע" – וויליאם וורדסוורת '

המנטור הראשי בעולם – הטבע, עורר השראה ליצירות גדולות רבות החל מהסקרו וכריות טיפוס ועד לאלגוריתמים גנטיים ורובוטים מניפולטיביים שהובילו לעידן חדש של טכנולוגיה. בביו -מימיקה השיטות, המנגנונים והתהליכים הנהוגים בטבע מותאמים בתחומים רב -תחומיים של מערכות הנדסיות וטכנולוגיות לפתרון בעיות. בקיצור, רבות מהטכנולוגיות שלנו מנסות כעת לחקות את הטבע. ביו-מימטיקה מכונה גם ביוניקה, ביוגנוזה, ביו-השראה וביו-מימיקה.

התפתחות הזמן לימדה אותנו מה מסוגל, מה ישים ומה שורד. מדענים ומהנדסים מעדיפים עיצובים ביולוגיים טבעיים מכיוון שהם מעשיים ביותר, עמידים, יעילים ועמידים לאורך זמן עם פחות צריכת אנרגיה. הם מוזילים את עלויות החומרים, מגדירים מחדש ומעלים פסולת ובכך גורמים להכנסות נוספות ליצרנים.

לאונרדו דה וינצ'י, גאון אוניברסלי, כינה את הטבע כ"פילגש של כל המאסטרים ". הוא קיבל השראה מציפורים וחלם על טיסה אך לא הצליח להוציא את הרעיון שלו לפועל.

עם זאת, חלומו התגשם לאחר חמש מאות שנים באמצעות אב טיפוס של האחים רייט שדמה את הציפורים המעופפות.

בהסתמך על התהליכים הטבעיים, בני האדם פנו מזמן לצומח ולחי בכדי לקבל השראה, ותרגמו את העקרונות הטבעיים לעיצובים הנדסיים כדי להתמודד עם אתגרים בחיים האמיתיים. מוצרים ביו -מימטיים אלה מביאים לשינויים בעולם ומקלים על חיינו. הטכנולוגיה הביו -מימטית מזרזת צמיחה כלכלית מעריכית ומניעה את השוק העולמי. מאמר זה מתמקד בכמה מכשירים המשתמשים בטכנולוגיה ביומימטית.

(א) זרעי בורדוק (באדיבות: www.almanac.com), (ב) סקוטש (באדיבות: amazon.com), (c) Metafly (באדיבות: amazon.com)
איור 1: (א) זרעי בורדוק (באדיבות: www.almanac.com), (ב) סקוטש (באדיבות: amazon.com), (c) Metafly (באדיבות: amazon.com)

Smellicopter – ריח זיהוי ריח בלתי מאויש

לכולנו יש מושג כלשהו לגבי האוריתון הביו -מימי 'Metafly' (איור 1 ג) – מכשיר מרתק מובהק באוויר המתמודד עם אתגרים רבים. כעת, מחקר דומה בהשראת ביו ברובוטיקה הוביל ל'ריחליקופטר '(איור 2)-מזל"ט ביד שמשתמש באנטנת עש חיה כדי לנווט לכיוון ריחות. הוא תוכנן בשיתוף פעולה על ידי חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון (UW) וממעבדת המחקר של חיל האוויר, ארה"ב. אנטנת העש, הנקראת electroantennogram (EAG), משמשת כחיישן הכימי. גודל המזל"ט הזה הוא תשעה סנטימטרים בלבד.

אלמנטים של סמליקוטר
איור 2: אלמנטים של סמליקוטר

העש שנבחר למחקר זה, Manduca sexta, הידוע גם בשם תולעת קרן טבק, הוא מזיק רעב עלים, במיוחד בשלב הזחל שלו, וניזון מעלי טבק ומשחית את הצמח. הוא ניזון גם מפירות ירוקים בוסר ומותיר עקיצות גדולות בפירות המובילים לפתוגנים צמחיים. החקלאים רואים במין העש הזה חרקים הרסניים, ולכן הם משתמשים בשיטות שונות להרוג חרק זה.

חוקרי UW מניחים את העשים האלה במקרר או על קרח למשך 15 דקות כדי להרדים ולהסיר אנטנה אחת, שמשחקת את תפקיד החיישן במכשיר הריח הניקוי שלהם. האנטנה שהוסרה פעילה ביולוגית וכימית במשך ארבע שעות עם ירידה מתמשכת בעוצמת האות שלה.

מל"טים מעופפים משמשים לשירותים צבאיים, במחקר חלל, בחיפוש וחילוץ של אנשים אבודים, באיתור דליפת גז בסביבה, במעקב אחר אוכלוסיות חיות בר ועוד. צוות המחקר של UW השווה את הרחיפה שלהם עם שאר המזל"טים הזעירים שמשתמשים בחיישנים מוליכים למחצה לחישה כימית, ודיווחו כי מכשיר הננו הביולוגי ההיברידי שלהם יכול לזהות את עקבותיו של כימיקל אורגני נדיף תוך דקה ואילו שאר המכשירים הדומים דורשים כעשר דקות. .

חוטי נירוסטה המוכנסים לבסיס האנטנה ולמעגל ה- EAG יכולים לייצר מתח הנע בין 10µV ל- 1mV בתגובה לכל גירוי כימי. חיישן ה- EAG נמצא בממשק עם הננו -הדרון האוטונומי הקטן Crazyflie 2.0, המשתרע על שטח של 85 סנטימטר בלבד. Crazyflie מגיע עם חיישן חיצוני משלו המשתמש במצלמת זרימה אופטית ובממצא טווח לייזר אינפרא אדום המסייע למכשיר למדידת המהירות, ריחוף ללא GPS ומבלי להיסחף. אף על פי שחרקים יכולים לבצע מעקב תלת-ממדי, הצוות ניסה אלגוריתם דו-מימדי של יצוק-נחשול הדורש טיסה מהרוח כדי לבדוק את מיומנות לוקליזציית הריח, ואסטרטגיות רבות אחרות טרם נבדקו בעבודתן בעתיד.

ברוח עקבית למדי המריח מסלק בגובה 40 ס"מ ומרחף במשך עשר שניות, זורק שמאל וימין לרוחב רוחב, ונמנע ממכשולים שיוצאים לדרכו. כשיש פלומה כימית, המכשיר יעלה 25 ס"מ כלפי מעלה ואז ימשיך את היציקה.

הצוות הוסיף שני שבבי פלסטיק דקים הפונים כל הזמן כלפי הרוח. בזמנים בהם המכשיר אינו פונה כלפי מעלה, כוח הרוח על השבבים יסובב את הרכב כלפי הפנים כלפי הרוח. הצוות שואף לפתח מכשיר ריח מסוכן שיכול לזהות פחמן דו חמצני ועקבות כימיות ממכשיר שלא התפוצץ.

(א) Pufferfish (באדיבות: starkrusher, flickr), (b) כרית אוויר לרכב (באדיבות: Vereshchagin Dmitry, Shutterstock), (c) Pufferbot
איור 3: (א) Pufferfish (באדיבות: starkrusher, flickr), (b) כרית אוויר לרכב (באדיבות: Vereshchagin Dmitry, Shutterstock), (c) Pufferbot

Pufferbot – רובוט אוויר המתרחב להגנה על מדחפים

אנו יודעים כיצד הדגים מתרחבים לגודל עצום כאשר הם מאוימים, כך שהטורף לא יצליח לשים עליו את הפה, ואת ההתנפחות המיידית של כריות האוויר במקרה של תאונה. הרעיון של הגדלת גודל הדג והרעיון של כריות אוויר לרכב שמתנפחות במהלך תאונות הופעלו בפופרבוט (ראו איור 4 עד איור 6).

חלקים של Pufferbot
איור 4: חלקי Pufferbot

Pufferbot הוא עבודת צוות של חוקרים משתי אוניברסיטאות – מכון אטלס, אוניברסיטת קולורדו ואוניברסיטת קלגרי. זהו מזל"ט רובוטי אווירי המתרחב כדי להגן על מדחפי המזל"ט כשהוא קרוב למכשולים, או כשהרובוט נופל על הקרקע, או כשהוא מנווט בין חללים עמוסים. חישוקי הפלסטיק על גבי מסגרת ה- DJI Flame F450 שלה משמשת כמגן ומונעת מגע מיותר עם הסביבה הסובבת. מנגנון המתלה והאחיזה בעל דרגה אחת של הפעלת חופש משמש להפעלת החישוקים.

הרכבה של ה- Pufferbot
איור 5: הרכבת הפאפרבוט

הצוות השתמש בבקר נגזר אינטגרלי יחסי (PID) כדי לשמור על המיקום והגובה של המזל"ט האווירי. ה- PID מסייע לשלוט במזל"ט ובמבנה ההרחבה שלו בנפרד על ידי מחשב מרכזי או על ידי טלופרטור. זוכת פרס האוסקר מערכת לכידת תנועה Vicon משובצת במכשיר למעקב ולתקשורת אלחוטית להודיע ​​לבקר המיקרו לשלוט בגודל המבנה הניתן להרחבה. אם המכשיר מטופל באופן ידני, הטלפון מפעיל את השליטה ברובוט והמבנה הניתן להרחבה. סגולה אחת חשובה בעיצוב המבנה הניתן להרחבה היא, שהוא יכול לשנות את צורתו בהתאם לסביבה הסובבת ולעשות ניווט טוב יותר.

Pufferbot וצורותיו השונות (באדיבות: Hooman Hedayati, Ryo Suzuki, Daniel Leithinger, Daniel J. Saffir)
איור 6: Pufferbot וצורותיו השונות (באדיבות: Hooman Hedayati, Ryo Suzuki, Daniel Leithinger, Daniel J. Saffir)

הידרופוביה בהשראת חרקים

בתכנון מבנים הנדסיים, מיקרו מבנה החומרים הוא תכונה חיונית מכיוון שאפיון מיקרו מסייע בבניית חוזק העייפות ומעלה את מחזור חיי החומר. 'אפקט הלוטוס' התגלה בשנת 1970 על ידי הבוטנאי הגרמני פרופ 'ד"ר וילהלם ברת'לו, שהשתמש בננוטכנולוגיה כדי לחקות את הנכס במשטחים מלאכותיים כדי להדוף נוזלים, הממצא יישומים שימושיים בפלטפורמות מדעיות, תעשייתיות ומעשיות. משטחים דוחי נוזלים מלאכותיים הם משמעותיים לניקוי עצמי, טכנולוגיות נגד קרח ואנטי-השתקפות, קצירת מים ומניפולציה של טיפות.

מלבד שיטה מסורתית זו, חוקרי אוניברסיטת פנסילבניה סטייט, לין וואנג ואחרים, צברו מידע על שערות ננוסקופיות על חרקים. מאפייני הננו על עור החרקים מעניקים להם את המאפיין החיוני להישרדות.

לדוגמא, עינו של יתוש (איור 7 ואיור 8) מוקפת בשערות ננוסקופיות צפופות המכונות 'מרקמי שברים מוצקים' בהנדסה. מרקמים חלקיים מוצקים של חרקים נעים בין 100 ננומטר ל -300 ננומטר, מה שמוסיף יותר יתרונות דוחי מים מאשר אפקט הלוטוס ממבנה הצמחים. רעיון זה גרם לצוות לעצב את המשטח הדוחה מים מהדור הבא שיכול לעמוד בפני טיפות מהירות יותר והשפעה גבוהה.

עין יתושים (באדיבות: תמונות WCFTO Nano SEM)
איור 7: עין יתושים (באדיבות: תמונות WCFTO Nano SEM)
חרקים דוחים מים עם מרקם משטח ננו-סלקטיבי של חלקיק מוצק (באדיבות: לין וואנג, רוקסי וואנג, ג'ינג וואנג, טאק-סינג וונג, אוניברסיטת פנסילבניה)
איור 8: חרקים דוחים מים עם מרקם משטח ננו בקנה מידה גבוה של חלקיק מוצק (באדיבות: לין וואנג, רוקסי וואנג, ג'ינג וואנג, טאק סינג וונג, אוניברסיטת פנסילבניה)

לין וואנג ואחרים השתמשו בפלקי סיליקון שחורים סופר -הידרופוביים עם שכבת תחמוצת שגדלה תרמית; הוואפלים נחשפים לאחר מכן ל perfluorooctyltriethoxysilane (כלומר, FAS-17) על ידי בתצהיר שלב אדי כימי. הצוות מציע כי ניתן ליישם את העיקרון של מרקם ננו -קומפקטי הנגזר ממשטחי חרקים במספר שדות, ממל"טים קטנים רובוטיים מעופפים ועד מטוסים מסחריים. מכיוון שזמן המגע של כל טיפות מים במהירות או הקפצה על משטחים בעלי מרקם ננו-נמוך הוא נמוך במיוחד, הצוות ממליץ לחוקרים ליישם עקרון זה על ציוד מגן אישי (PPE)-שהוא כיום הלבוש החיוני ביותר עבור כל האנשים בחזית בגלל המגפה העולמית של קוביד -19.

לפני Lin Wang et al, Pallab Sinha Mahapatra et al, חוקרים מהאקדמיה הלאומית להנדסה הלאומית ההודית, השתמשו בדיטניום דו חמצני (TiO2) על בדי כותנה. חלקיקי TiO2 מספקים תכונות פוטוקטלטיות מעולות ותכונות אנטי מיקרוביאליות מצוינות, ובכך משפרים את הפונקציונליות של PPE. חוקרים יכולים לקחת את המחקרים האלה לשלב הבא ולהביא חידושים נוספים בכל המגזרים.

רובוט ביו-מימי MiRo-E בפיתוח …



קישור לכתבת המקור – 2021-08-11 13:49:46

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר