الهام از طبیعت: چگونه دانشمندان از گیاهان و جانوران فناوری میآموزند
تعریف زیستالهام و تفاوت آن با تقلید ساده
زیستالهام یا الهام از طبیعت به فرایندی گفته میشود که در آن مهندسان، معماران و طراحان با دقت به ویژگیهای ساختاری یا رفتاری یک جاندار نگاه میکنند و از آن ایده میگیرند تا یک مسئلهٔ انسانی را حل کنند. این رویکرد با «تقلید صرف» تفاوت دارد: در تقلید، ما شکل ظاهری را کپی میکنیم، اما در الهام، اصل عملکرد و سازوکار اصلی مورد بررسی قرار میگیرد. برای نمونه، هواپیماهای امروزی دقیقاً شکل پرنده را تکرار نمیکنند، اما از اصل آیرودینامیک4 بال پرندگان الهام گرفتهاند.
یکی از معروفترین نمونهها، نوار چسب (ولکرو5) است. در سال 1941، مهندس سوئیسی «جرج دِ مسترال»6 پس از پیادهروی در طبیعت متوجه چسبیدن سخت میوهٔ گیاه بیدمِسک به لباسش شد. او زیر میکروسکوپ دید که سطح میوه پوشیده از قلابهای ریز است. همین ایده منجر به ساخت نوار چسبی شد که یک روی آن قلابهای ریز و روی دیگر آن حلقههای نرم دارد.
چهار نمونهٔ برجسته از فناوریهای الهامگرفته از جانوران
در جدول زیر چهار نمونهٔ کلیدی از الهام از طبیعت در فناوریهای روزمره و صنعتی مقایسه شده است:
| موجود زنده | ویژگی الهامبخش | اختراع یا فناوری | سال تقریبی |
|---|---|---|---|
| بیدمِسک | قلابهای میکروسکوپی میوه | نوار چسب (ولکرو) | 1941 |
| دارکوب | ساختار ضربهگیر جمجمه و نوک تیز | قطار سریعالسیر شینکانسن (کاهش صدای تونل) | 1990 |
| کوسه | فلسهای ریز با شیارهای موازی (دندانههای پوستی) | لباسهای شنا با کاهش اصطکاک (مانند فستاسکین) | 2000 |
| لوتوس (نیلوفر آبی) | ساختار دانهدار برگ (خودتمیزشوندگی) | رنگها و سطوح ضدآب و خودتمیزشونده | 1970 |
از بال پروانه تا صفحهنمایش: الهام از حشرات
یکی از جذابترین زمینههای زیستالهام، استفاده از ساختارهای نوری حشرات است. بال پروانهٔ Morpho9 دارای فلسهایی با لایههای نازک است که نور را به گونهای بازتاب میدهد که رنگ آبی متالیک دیده میشود، بدون اینکه هیچ رنگدانهٔ آبی در آن وجود داشته باشد. این پدیده «رنگساختاری»10 نام دارد. شرکتهای سازندهٔ صفحهنمایش از این ایده برای تولید نمایشگرهای کممصرف و با وضوح بالا الهام گرفتهاند. در این فناوری، به جای استفاده از فیلترهای رنگی که انرژی زیادی مصرف میکنند، از لایههای نازک با ضخامتهای متفاوت استفاده میشود.
مثال عملیشرکت Qualcomm فناوری «میرازول»11 را بر اساس الهام از بال پروانه ساخت که در نور روز بدون نیاز به نور پسزمینه قابل مشاهده است و تا 70 درصد انرژی کمتری مصرف میکند.
کاربرد عملی: معماری پایدار و ساختمانهای الهامگرفته از طبیعت
معماران نیز از الهام از طبیعت برای طراحی ساختمانهای کممصرف استفاده میکنند. یکی از مشهورترین نمونهها «مرکز ایست»12 در زیمبابوه است که از ساختار تپههای موریانه الهام گرفته شده است. موریانهها برای تهویهٔ هوای کندوی زیرزمینی خود، دودکشهای طبیعی میسازند: هوای گرم به سمت بالا حرکت میکند و هوای خنک از منافذ پایینی وارد میشود. معماران با الگوگیری از این سازوکار، سیستم تهویهٔ طبیعی ساختمان را طراحی کردند که 90 درصد کمتر از ساختمانهای مشابه انرژی مصرف میکند.
مثال دیگر، «اثر لوتوس» است. برگ نیلوفر آبی با داشتن برجستگیهای میکروسکوپی، قطرات آب را به شکل گوی درآورده و آنها را با خود بردن گردوغبار از سطح برگ جدا میکند. امروزه از این ایده در تولید رنگهای نمای ساختمان و شیشههای خودتمیزشونده استفاده میشود.
چالشهای مفهومی در الهام از طبیعت
پاسخ: نه لزوماً. طبیعت پاسخهای تکاملی به محیط خود داده که ممکن است برای مسئلهٔ انسانی بهینه نباشد. برای نمونه، پرندگان برای پرواز نیاز به استخوانهای توخالی دارند، اما هواپیماهای مسافربری برای تحمل فشار کابین نمیتوانند بدنهٔ توخالی با همان ساختار داشته باشند. مهندسان باید ایدهٔ طبیعی را با مواد و قیود انسانی تطبیق دهند.
پاسخ: بسیاری از سازوکارهای طبیعی در مقیاس نانو و با فرایندهای شیمیایی پیچیده ساخته میشوند که ساخت آنها در آزمایشگاه بسیار دشوار و هزینهبر است. به عنوان مثال، چسب پای مارمولک گکو از میلیونها موی نانومتری تشکیل شده که ساخت مصنوعی آن با همان دقت و استحکام هنوز به مرحلهٔ تولید انبوه نرسیده است.
پاسخ: این یک نگرانی اخلاقی معتبر است. برخی شرکتها برای بررسی دقیق ساختار یک جاندار، نمونههای زیادی از طبیعت جمعآوری میکنند که ممکن است به جمعیت آن گونه آسیب بزند. راه حل، استفاده از تصویربرداری غیرتماسی، نمونهبرداری محدود و شبیهسازی کامپیوتری پیش از ساخت فیزیکی است.
الهام از طبیعت نشان میدهد که بسیاری از مسائل فنی و مهندسی بشر قبلاً توسط تکامل حل شده است. از نوار چسب گرفته تا قطارهای سریعالسیر و نمایشگرهای کممصرف، طبیعت یک کتابخانهٔ عظیم از ایدههای اثباتشده است. برای دانشآموزان و جوانان، مطالعهٔ زیستالهام نه تنها درک بهتری از زیستشناسی و فیزیک ایجاد میکند، بلکه راهی برای نوآوری پایدار و دوستدار محیط زیست باز میکند. تشویق به مشاهدهٔ دقیق طبیعت، سادهترین و در عین حال قدرتمندترین ابزار خلاقیت است.
پاورقی
- 1 زیستالهام (Biomimicry): رویکردی در طراحی و مهندسی که از الگوها و استراتژیهای طبیعت برای حل مسائل انسانی استفاده میکند.
- 2 بیدمِسک (Burdock): گیاهی علفی با میوهٔ قلابدار که الهامبخش نوار چسب بود.
- 3 دارکوب (Woodpecker): پرندهای که با ضربه زدن به درختان حشرات را شکار میکند و ساختار جمجمهاش ضربهگیر طبیعی دارد.
- 4 آیرودینامیک (Aerodynamics): مطالعهٔ حرکت هوا و نیروهای وارد بر اجسام در حال حرکت در هوا.
- 5 ولکرو (Velcro): نام تجاری نوار چسب که از واژههای فرانسوی velours (مخمل) و crochet (قلاب) ساخته شده است.
- 6 جرج دِ مسترال (George de Mestral): مهندس برق سوئیسی و مخترع نوار چسب.
- 7 نیروهای واندروالسی (Van der Waals forces): نیروهای ضعیف جاذبه بین مولکولها که در فواصل بسیار کم ظاهر میشوند.
- 8 گکو (Gecko): نوعی مارمولک کوچک که توانایی راه رفتن روی سطوح صاف و حتی سقف را دارد.
- 9 پروانهٔ Morpho: جنسی از پروانههای مناطق گرمسیری با بالهای آبی درخشان.
- 10 رنگساختاری (Structural color): رنگی که از تداخل و پراش نور در ساختارهای فیزیکی سطح ایجاد میشود، نه از رنگدانه.
- 11 میرازول (Mirasol): فناوری نمایشگر شرکت کوالکام بر پایهٔ تداخل نور در میکروکاویتیها.
- 12 مرکز ایست (Eastgate Centre): مجتمع تجاری و اداری در هراره، زیمبابوه که با الهام از لانهٔ موریانه طراحی شده است.