مهندسی زیستالهام: وقتی طبیعت معلم مهندسان میشود
مهندسی زیستالهام چیست و چگونه کار میکند؟
تصور کن برای اولین بار میخواهی یک دوچرخهی خیلی سریع و سبک طراحی کنی. بهترین کار این است که به موجوداتی که میلیونها سال است سریع و سبک حرکت میکنند، نگاه کنی؛ مانند شاهین یا کوسه! مهندسی زیستالهام دقیقاً همین است: یادگیری از طبیعت، نه کپیبرداری کورکورانه از آن. در این علم، دانشمندان بهجای آنکه بخواهند ساختار پیچیدهی یک موجود زنده را دقیقاً بازسازی کنند، اصل کلیدی پشت عملکرد آن را کشف کرده و از آن برای طراحی محصولات جدید استفاده میکنند.
برای نمونه، نیلوفر آبی در برکهای کثیف زندگی میکند، اما برگهایش همیشه تمیزند. دانشمندان با میکروسکوپ قوی متوجه شدند سطح برگ از برجستگیهای ریز و مومیشکل پوشیده شده که باعث میشود قطرات آب مانند مهرههای گرد روی آن بغلتد و همهی گردوغبارها را با خود بشوید. حالا این اصل در ساخت رنگهای ضدلک، پارچههای ضدآب و حتی پوشش صفحهنمایش تلفنهای همراه به کار رفته است.
مقایسهٔ مواد طبیعی و مصنوعی: کی قویتر است؟
یکی از جالبترین بخشهای مهندسی زیستالهام، مقایسهی مواد موجود در طبیعت با چیزهایی است که خودمان ساختهایم. این مقایسه به ما نشان میدهد که طبیعت چقدر در طراحی مقرون به صرفه و کارآمد است. در جدول زیر میتوانی چند نمونه از این مقایسهها را ببینی:
| مواد طبیعی (الهامبخش) | خواص کلیدی | ماده مصنوعی (ساخته انسان) | کاربردهای مبتنی بر الهام |
|---|---|---|---|
| تار عنکبوت | استحکام بیشتر از فولاد (گرم به گرم)، خاصیت ارتجاعی بالا | فیبر مصنوعی Kevlar | جلیقههای ضدگلوله، تایرهای مقاوم، نخ بخیه |
| پوست کوسه | دارای ریزشیارهایی که اصطکاک با آب را کم میکند | پوششهای ضدجلبک و کماصطکاک | لباسهای شنا سریعتر، بدنهی قایقها و هواپیماها |
| استخوان انسان | سبک ولی بسیار قوی، ساختار لانهزنبوری داخلی | فومهای فلزی و مواد کامپوزیت سبک | ساخت بدنهی خودرو و هواپیما برای صرفهجویی در سوخت |
| لانهی موریانه | سیستم تهویهی طبیعی و خودکار برای حفظ دما | ساختمانهای با طراحی هوشمند | ساخت ساختمانهایی که بدون دستگاه خنککننده، خنک میمانند |
برای درک بهتر استحکام تار عنکبوت، میتوانیم یک مقایسهی ریاضی ساده انجام دهیم. فرض کنید یک تار عنکبوت به قطر یک مداد معمولی داشته باشیم. استحکام کششی3 آن را میتوانیم با این فرمول ساده نشان دهیم:
از آزمایشگاه تا زندگی: کاربردهای شگفتانگیز در اطراف ما
شاید فکر کنی این کشفیات فقط در آزمایشگاههای پیشرفته کاربرد دارد. اما جالب است بدانی که ایدههای زیستالهام همین حالا هم در وسایل اطراف ما حضور دارند!
مثال ۱: بند کفش و چسب ولکروولکرو از خارهای ریز گیاه بابا آدم الهام گرفته شده است. هر تکهی ولکرو از قلابهای ریز (مثل خار گیاه) و حلقههای ریز (مثل کرک لباس) تشکیل شده که به هم گیر میکنند. یک مهندس سوئیسی پس از پیادهروی و مشاهدهی چسبیدن خارهای بابا آدم به لباس و موی سگش، این ایده را توسعه داد.
مثال ۲: شیشههای ضدبازتاب و چشم پروانه سطح چشم برخی پروانهها از ریزساختارهایی پوشیده که بازتاب نور را به حداقل میرساند. این اصل در طراحی پوششهای ضدبازتاب برای صفحهنمایش گوشیهای هوشمند، عینکها و سلولهای خورشیدی استفاده میشود تا نور زننده و خیرهکننده کمتری داشته باشند.
مثال ۳: ساخت و ساز با الهام از استخوانهای پرنده استخوانهای پرندگان بسیار سبک و در عین حال محکم هستند، زیرا داخل آنها ساختار لانهزنبوری دارد. مهندسان عمران از همین ایده برای ساخت پلها و سقفهای بزرگ استفاده میکنند. آنها با مواد سبکوزنی مثل فوم یا سازههای مشبک، استحکام زیادی ایجاد میکنند، درست مثل استخوان.
سوالات رایج درباره مهندسی زیستالهام
پاورقی
1 طبیعت (Nature): بهطور کلی به جهان فیزیکی، پدیدهها و موجودات زنده اشاره دارد که خارج از ساختههای انسان وجود دارند.
2 تار عنکبوت (Spider Silk): پروتئینی است که توسط عنکبوتها تنیده میشود و بهطور قابلتوجهی از نظر استحکام کششی و انعطافپذیری برتر از بسیاری از مواد مهندسیشده است.
3 استحکام کششی (Tensile Strength): حداکثر تنش کششی که یک ماده میتواند قبل از گسیختگی تحمل کند. واحد آن پاسکال (Pa) یا نیوتن بر مترمربع (N/m²) است.
4 نیروی برا (Lift Force): نیرویی است که در سیالات (مانند هوا یا آب) بهوسیلهی حرکت یک جسم ایجاد میشود و در جهت عمود بر جریان سیال عمل میکند. این نیرو عامل اصلی پرواز پرندگان و هواپیماهاست.
