Những sự thích nghi của động vật đang cách mạng hóa công nghệ của nhân loại

Sự tiến hóa của động vật để thích nghi với thế giới đã tạo nên cuộc cách mạng trong công nghệ của loài người. Dưới đây là những minh chứng nổi bật nhất.

Hàng ngàn năm qua, nhân loại đã tìm đến thế giới tự nhiên không chỉ để sinh tồn hay làm đẹp, mà còn để tìm kiếm nguồn cảm hứng sâu sắc. Những giải pháp sáng tạo mà quá trình tiến hóa đã tạo ra trong thế giới động vật, được tôi luyện qua hàng triệu năm, thường vượt xa những nỗ lực kỹ thuật ban đầu của chúng ta. Phương pháp này, được gọi là mô phỏng sinh học, bao gồm việc rút ra những ý tưởng thiết kế và quy trình từ thiên nhiên để giải quyết các vấn đề phức tạp của con người. Từ cú lao xuống uyển chuyển của một chú chim đến cái bắt tay tinh vi của một con thằn lằn nhỏ bé, động vật liên tục cung cấp bản thiết kế cho các công nghệ mang tính cách mạng đang biến đổi y học, năng lượng, robot và thậm chí cả thám hiểm không gian.

Mỏ chim biến đổi cả một đoàn tàu

Khi tàu cao tốc Shinkansen tốc độ cao của Nhật Bản, cụ thể là dòng 500, lần đầu tiên ra mắt, nó đã phải đối mặt với một thách thức kỹ thuật đáng kể. Khi tàu di chuyển với tốc độ cực lớn ra khỏi đường hầm, nó tạo ra một làn sóng áp suất không khí khổng lồ, tạo ra tiếng nổ siêu thanh lớn - một tiếng ồn gây khó chịu và bất an cho cư dân gần đó. Các kỹ sư được giao nhiệm vụ loại bỏ hiện tượng này mà không ảnh hưởng đến tốc độ hoặc hiệu quả.

Kỹ sư trưởng, Eiji Nakatsu, một người đam mê quan sát chim, đã tìm thấy cảm hứng từ chim bói cá. Ông quan sát cách loài chim này có thể lao từ không khí xuống nước - một môi trường đặc hơn không khí rất nhiều - mà hầu như không bắn nước. Bí mật nằm ở chiếc mỏ dài và thon của loài chim này, được thiết kế hoàn hảo để cắt qua các mật độ khác nhau với độ nhiễu tối thiểu. Bằng cách thiết kế lại mũi tàu để mô phỏng mỏ chim bói cá, các kỹ sư đã giảm đáng kể tiếng ồn khi ra khỏi đường hầm. Các báo cáo lưu ý rằng mũi tàu được tinh chỉnh cũng cải thiện hiệu suất và cho phép tốc độ vận hành cao hơn trong khi vẫn đáp ứng những tiêu chuẩn tiếng ồn môi trường nghiêm ngặt - một trường hợp tinh tế của kỹ thuật dẫn đường tự nhiên.

Bàn chân thằn lằn và tương lai của Grip

Tắc kè có khả năng kỳ lạ, đó là bám vào hầu hết mọi bề mặt - kính thẳng đứng, lá trơn, thậm chí cả trần nhà - đã khiến các nhà khoa học say mê trong nhiều thập kỷ. Kỳ tích này không đạt được thông qua lực hút hay chất tiết dính, mà thông qua một hệ thống phức tạp gồm các cấu trúc vi mô trên bàn chân của chúng. Mỗi ngón chân được bao phủ bởi hàng triệu sợi lông nhỏ như sợi tóc gọi là lông cứng, sau đó phân nhánh thành hàng trăm thìa thậm chí còn nhỏ hơn. Những cấu trúc cực kỳ nhỏ này tương tác với các bề mặt ở cấp độ phân tử, tạo ra lực hút điện yếu được gọi là lực van der Waals. Số lượng lớn các lực này trên bàn chân của tắc kè tạo ra đủ sức mạnh tổng hợp để nâng đỡ toàn bộ trọng lượng cơ thể của nó. Điều quan trọng là tắc kè có thể dễ dàng tách các lực này bằng cách thay đổi góc của bàn chân, cho phép di chuyển nhanh chóng.

Các nhà khoa học đã sao chép thành công nguyên lý "bám dính khô" này, tạo ra "băng dính tắc kè" thử nghiệm có thể chịu được trọng lượng đáng kể mà không để lại cặn. Các ứng dụng đang được phát triển bao gồm từ rô-bốt leo trèo kiểm tra những cấu trúc khó đến các thiết bị y tế yêu cầu gắn tạm thời, chắc chắn và không có cặn.

Da cá mập: Lá chắn vi khuẩn của thiên nhiên

Cá mập, mặc dù có tiếng là đáng sợ, lại sở hữu một đặc điểm đáng chú ý giúp chúng giữ vệ sinh trong vùng nước giàu dinh dưỡng của đại dương: da của chúng.

Thay vì mịn màng, da cá mập được bao phủ bởi hàng triệu vảy nhỏ hình chữ V, giống như răng, được gọi là răng cưa da. Những răng cưa này tạo ra một bề mặt cực kỳ nhám, khiến vi khuẩn, tảo và các vi sinh vật khác khó bám vào và hình thành màng sinh học, một quá trình được gọi là bám bẩn sinh học. Kết cấu độc đáo của các răng cưa này phá vỡ lớp nước mỏng mà vi khuẩn cần bám vào. Nếu không có chỗ bám chắc chắn, các sinh vật dễ bị dòng nước cuốn trôi. Cơ chế phòng vệ tự nhiên này giúp cá mập tránh khỏi sự tích tụ gây ra lực cản, thường gây hại cho các loài động vật biển và tàu thuyền khác.

Các kỹ sư đã phát triển một bề mặt có hoa văn gọi là Sharklet, mô phỏng cấu trúc vi mô của da cá mập. Thay vì tiêu diệt vi khuẩn, nó làm giảm sự xâm chiếm bằng cách ngăn chặn sự bám dính. Nhiều bệnh viện đang sử dụng các bề mặt có hoa văn Sharklet trên bàn di chuột, tay nắm cửa và dụng cụ để giúp hạn chế sự phát triển của vi khuẩn - một giải pháp kháng khuẩn thụ động, không chứa hóa chất.

Vây cá voi đã tái tạo năng lượng gió

Cá voi lưng gù, mặc dù có kích thước khổng lồ, nhưng lại là những vận động viên bơi lội nhanh nhẹn đến kinh ngạc, có khả năng thực hiện những cú ngoặt gấp và những cú lao mạnh mẽ để bắt mồi. Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã băn khoăn không biết làm thế nào mà những chiếc vây khổng lồ của chúng lại có thể tạo ra khả năng cơ động như vậy. Câu trả lời nằm ở một loạt các khối u nổi bật, được gọi là nốt sần, nằm dọc theo mép trước của vây. Những khối u có vẻ phản trực giác này, thay vì tạo ra lực cản, thực sự làm tăng hiệu quả thủy động lực học. Chúng dẫn dòng nước qua vây theo cách làm chậm hiện tượng chết máy (mất lực nâng), tăng lực nâng và giảm lực cản. Điều này cho phép cá voi duy trì khả năng kiểm soát ngay cả ở các góc tấn dốc, điều này thường khiến vây trơn bị chết máy. Các kỹ sư đã áp dụng "hiệu ứng nốt sần" này vào cánh tuabin gió. Bằng cách kết hợp các khối u tương tự dọc theo mép trước, họ đã thiết kế các tuabin có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn, đặc biệt là ở tốc độ gió thấp hơn. Chúng có thể hoạt động êm hơn đồng thời giảm áp lực lên cấu trúc.

Tháp mối đánh bại cái nóng

Các ụ mối, đặc biệt là những ụ mối được tìm thấy ở những thảo nguyên khô cằn của Châu Phi, là kỳ quan kiến ​​trúc thực sự. Mặc dù nhiệt độ bên ngoài có thể dao động mạnh, đôi khi vượt quá 100°F (38°C), nhiệt độ bên trong của những ụ mối này vẫn ổn định đáng kể, tạo ra một môi trường hoàn hảo cho đàn mối và vườn nấm của chúng.

Những công trình này kiểm soát khí hậu thông qua một mạng lưới đường hầm, lỗ thông hơi và ống khói tạo điều kiện cho thông gió thụ động. Không khí nóng, tù đọng bốc lên qua các ống khói trung tâm, trong khi không khí mát hơn, trong lành hơn được hút vào qua các đường hầm gần chân tháp, được làm mát bởi đất xung quanh. Luồng không khí liên tục này hoạt động giống như một hệ thống điều hòa không khí tự nhiên mà không cần năng lượng bên ngoài. Các kiến ​​trúc sư đã nghiên cứu những ụ mối đó để thiết kế các tòa nhà tiết kiệm năng lượng. Trung tâm Eastgate ở Harare, Zimbabwe, là một ví dụ điển hình, sử dụng hệ thống làm mát thụ động lấy cảm hứng từ mối. Hệ thống lỗ thông hơi của nó hút không khí mát mẻ vào ban đêm và đẩy không khí nóng ra ngoài vào ban ngày, giảm sự phụ thuộc vào điều hòa không khí cơ học và cắt giảm mức sử dụng năng lượng.