Инженеры черпают вдохновение в природе при проектировании 3D-печатных решений для фильтрации воды

Природа всегда вдохновляла инженеров, архитекторов, исследователей технологий и ученых по всему миру. Птицы вдохновили нашу летную технику. Экосистемы прерий вдохновили человечество для разработки более устойчивых и эффективных систем ведения сельского хозяйства. Спиральные потоки в цветах вдохновили на создание эффективных систем смешивания воды. Семена репейника вдохновили на создание липучек. Этот список можно продолжать и продолжать!

Теперь вышел научный отчет, в котором инженеры Массачусетского технологического института показывают, как уникальная технология фильтрования скатов-мобул и их специализированные структуры могут вдохновить на создание более эффективных промышленных фильтров для воды. 

Прежде чем углубляться в это открытие, давайте кратко рассмотрим лучи Мобулы.

Что такое мобула-лучи?

Также их называют летающими скатами за их акробатические прыжки, Скаты Мобула — существа с большими, плоскими, ромбовидными телами. и длинные плавники, которые позволяют им скользить по воде – и по воздуху. Эти рыбы регулярно собираются вместе, чтобы выпрыгнуть из моря и взмыть в воздух, часто выпрыгивая примерно на два метра из воды, прежде чем плюхнуться обратно с всплеском.

Как указывает Музей естественной истории, мобула-скаты фильтруют, то есть они вытягивают планктон из воды с помощью рта, и их косяки часто собираются вместе в огромных количествах. Но как они могут стать источником вдохновения для разработки решений по фильтрации воды, напечатанных на 3D-принтере? Мы обсудим это в следующем сегменте.

Нажмите здесь, чтобы узнать, как робототехника может взять пример с природы.

Следуя за лучами Мобулы для фильтрации воды

Фильтрующий аппарат Mobula Ray напоминает промышленные фильтры с поперечным потоком, но работает в другом режиме параметров. Чтобы преодолеть разрыв между промышленным фильтром с поперечным потоком и фильтрацией Mobula, исследователи установили универсальная структура для компромисса между проницаемостью и селективностью в текучем канале.

Исследователи утверждают, что успешно продемонстрировали, что геометрия фильтров Mobula эволюционировала, чтобы достичь баланса для обеспечения дыхания и питания и вывести принципы проектирования, которые выходят за рамки традиционных режимов фильтрации. Результатом стало создание фильтрующих устройств, вдохновленных Mobula. 

В то время как все эти может звучать подобно сложным упражнениям в области биомимикрии, проще проследить механизм, если мы посмотрим на мобула-лучи немного ближе. Скаты мобулы питаются, плавая с открытым ртом в богатых планктоном районах океана и отфильтровывая частицы планктона в свою глотку, когда вода поступает в их рот и выходит через жабры.

Дно рта мобулы с обеих сторон выстлано параллельными, гребнеобразными структурами, называемыми пластинами, которые перекачивают воду в жабры ската. Именно эти пластины являются ключом к настоящему исследованию, которое мы здесь обсуждаем.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института показала, что размеры этих пластин могут позволить входящему планктону отскакивать от пластин и далее в полость ската, а не выходить через жабры. Более того, жабры ската Мобула могут поглощать кислород из вытекающей воды, помогая одновременно дышать во время кормления.

Согласно исследованию автор Анетт «Пеко» Хосой, профессор машиностроения Паппалардо в Массачусетском технологическом институте:

«Мы (исследователи) показываем, что мобула развила геометрию этих пластин, чтобы они стали идеального размера для баланса питания и дыхания».

Исследователи разработали фильтр для воды в соответствии с функциями фильтрации планктона скатом мобула. Затем они изучили, как вода может проходить через фильтр, если он оснащен 3D-печатными пластинчатыми структурами. Результаты, полученные в ходе этих упражнений, были оформлены в проект, который проектировщики смогут использовать для оптимизации промышленных фильтров с поперечным потоком, конфигурация которых в целом схожа с конфигурацией фильтра Mobula Ray.

По словам ведущего автора и постдокторанта Массачусетского технологического института Синью Мао:

«Мы хотим расширить возможности проектирования традиционной фильтрации с поперечным потоком, используя новые знания, полученные в ходе исследований мант».

Объясняя природу расширения, исследователь сказал:

«Люди могут выбирать режим параметров мобула-луча, чтобы потенциально улучшить общую производительность фильтра».

В своей собственной конструкции фильтра, вдохновленной мобулой, исследовательская группа создала простой фильтр. Конструкция, известная как «протекающий канал», напоминает трубу с отверстиями по бокам. Чтобы подробнее рассказать о природе «канала», он состоял из двух плоских акриловых пластин с небольшим зазором между ними, позволяющим жидкости протекать через них. На одном конце канала исследователи разместили 3D-печатные структуры, которые имитировали рифленые пластины внутри рта мобулы.

Они протестировали установку, прокачивая воду через канал с разной скоростью. Они добавили цветной краситель, чтобы добиться эффективной визуализации потока. Когда скорость потока увеличивалась, вода создавала вихри в устье каждой канавки, не давая частицам проходить через нее и вместо этого проталкивая их вниз по каналам.

Обычно скаты мобулы плавают с нужной скоростью, чтобы создавать вихри, которые захватывают даже самые мелкие частицы планктона, позволяя остальной воде вытекать через жабры. Это понимание становится ключом к идеальному плану оптимизации промышленных фильтров с поперечным потоком, предлагая практическое руководство по улучшению конструкции фильтра.

1. Брод (F + 0.09%)

Один из самых почитаемых автомобильных брендов в мире – Ford – привлек Вдохновение от пчел при разработке легкой, но прочной ячеистой грузовой полки для своего совершенно нового внедорожника Ecosport. Ford EcoSport имел регулируемый пол багажника, изготовленный из высокопрочной сотовой структуры, на 100 процентов состоящей из переработанной бумаги, что помогло владельцам компактных внедорожников делать больше с меньшими затратами.

Изготовленная из полностью натуральной бумаги и клея на водной основе, шестифунтовая сотовая доска пола была и экологичной, и достаточно прочной, чтобы выдержать почти 700 фунтов груза. Первоначально полученная от медоносных пчел, технология биомимикрии была впервые внедрена в производство бытовых дверей 50 лет назад. 

Говоря о вдохновленном природой дизайне своих автомобилей, Майк Максзелла, помощник главного инженера Ford EcoSport, сказал:

«Шестиугольный дизайн сот — свидетельство изобретательности природы. Он не только прочный, но и очень легкий. Клиенты могут вставлять полку в несколько разных слотов, как решетку для духовки, и даже хранить ее на спинке сидений. Это помогает сделать EcoSport сверхгибким в повседневном использовании». 

Полка EcoSport весила всего шесть фунтов. Тем не менее, она была рассчитана на нагрузку около 700 фунтов на поверхности размером 38.5 на 25.25 дюйма. Другими словами, эта полка могла вместить бесчисленное количество комбинаций тяжелых предметов, например, пять мешков бетонной смеси (по 94 фунта каждый), четыре больших мешка верхнего слоя почвы (по 40 фунтов каждый) и восемь отдельных галлонов воды (чуть больше восьми фунтов каждый).

Ford всегда была компанией, которая всегда обращалась к функциям природы, чтобы понять, как ее продукты могут быть сделаны лучше, эффективнее и надежнее. Почти десятилетие назад, в 2015 году, компания начала изучать биомимикрию организованным образом. Она объявила о Научно-исследовательское партнерство с Procter and Gamble по созданию новых клеев при содействии Института биомимикрии, некоммерческая организация, которая выступал за принятие решений, вдохновленных природой.

Говоря о важности такого партнерства, Бет Раттнер, исполнительный директор Института биомимикрии, сказала следующее:

«Я думаю, крайне важно, чтобы кто-то вроде Форда сказал: «Мы вкладываем в это усилия не только потому, что считаем, что это лучший, более экологичный дизайн, но и для того, чтобы люди уделяли больше внимания естественному организму в этом процессе»».

В 2015 году компания попыталась получить новые клеи, изучая подушечки пальцев ног токайского геккона, которые позволяют ящерице бегать по потолкам и стеклянным окнам. Ford увидел в этом возможность повысить уровень переработки своих автомобилей на целых 10%, поскольку клей, вдохновленный пальцами ног геккона, мог позволить автопроизводителю лучше разделять мешанину из пластика и пены, остающуюся после автомобиля раздет его металлических внутренностей.

По словам Дебби Мелевски, тогдашнего старшего технического руководителя по исследованиям в области пластмасс и устойчивого развития в Ford:

«Если бы мы могли разделить это, Если бы мы могли идентифицировать в нем различные потоки, у нас было бы гораздо больше шансов использовать их для более сложных приложений».

Пока Ford продолжает черпать вдохновение из природы, он продолжает показывать хорошие результаты в финансовом и доходном отношении. Компания зарегистрировала выручку в размере $46.20 млрд в квартале, закончившемся 30 сентября 2024 года, с ростом на 5.47%, в результате чего выручка компании за последние двенадцать месяцев составила $182.74 млрд, что на 4.89% больше по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. В 2023 году годовая выручка Ford Motor Company составила $176.19 млрд с ростом на 11.47%.

2.  Компания Проктер энд Гэмбл (PG -0.33%)

Еще одна крупная корпоративная организация, которая находится на переднем крае изучения принципов разработки лучших продуктов у природы, — это Procter and Gamble. В 2024 году Procter and Gamble сформировала партнерство с Basecamp Research, картограф генетического биоразнообразия для проектирования белков на основе ИИ, чтобы ускорить разработку высокоэффективных очищающих ферментов для условий холодной воды.

Партнерство было нацелено на изучение организмов, адаптированных к холодной среде, для разработки новых ферментов с улучшенными показателями холодной стирки с использованием ИИ. Говоря о цели партнерства и ценности, которую P&G хочет извлечь из него, доктор Филип Саутер, OBE, старший директор по исследованиям и разработкам в области прачечных в P&G, сказал следующее:

«Мы рады сотрудничать с Basecamp Research в рамках этой инициативы, совместно разрабатывая новые решения, объединяя их уникальный взгляд на природу и возможности искусственного интеллекта с нашим обширным опытом инноваций, чтобы обеспечить непревзойденный потребительский опыт».

У P&G были конкретные планы по использованию возможностей Basecamp Research для изучения генетического биоразнообразия миллионов организмов в холодных условиях и использования его для повышения эффективности при более низких температурах стирки, чтобы сократить потребность в горячей воде, что лучше для окружающей среды и счетов за отопление.

Компания Procter and Gamble также была вдохновлена ​​исследованием Biomimicry 3.8, в котором использовались идеи из Змеи и пиявки разработают лучшие моющие средства. Biomimicry 3.8 — ведущая в мире консалтинговая и профессиональная обучающая компания, специализирующаяся на природосберегающем дизайне и инновациях.

Одно из исследований Biomimicry 3.8 было направлено на повышение эффективности удаления пятен средствами для стирки. Сосредоточившись на глубоких закономерностях в биологическом мире, Biomimicry 3.8 выявила 30 уникальных биологических стратегий, которые потенциально могут решить сложную задачу удаления пятен крови с ткани. Исследование изучало, как функционируют змеи и пиявки, поскольку они входят в число многих организмов, способных переваривать кровь, и считаются одними из самых стойких пятновыводителей.

Эти организмы, наряду со многими другими, предложили ценные уроки дизайна для решения с потенциалом ограничить использование хлора, сточных вод и энергии при удалении пятен. Благодаря этому исследованию отдел исследований и разработок P&G полностью переключил свои исследовательские усилия. Главный научный сотрудник Юсеф Ауад сказал, что работа дала команде модель пятна крови с концептуальным пониманием последовательных шагов по избавлению от пятен крови.

«Но самое главное, что теперь эта модель также объясняет, оглядываясь назад: почему наши нынешние ферменты не справляются со своей задачей по удалению пятен крови?»

– Юсеф Ауад

Учиться у природы и постоянно черпать из нее вдохновение означало все больший рост предложений компании и разнообразия в ее ассортименте. Доход компании стал свидетелем устойчивый рост чистых продаж. Он вырос с 71 млрд долларов США в 2020 году до 84 млрд долларов США в 2024 году. Операционный доход также вырос с 15.7 млрд долларов США до 18.5 млрд долларов США.

Нажмите здесь, чтобы узнать, как цикадки могут научить нас управлять светом.

Будущее дизайна, вдохновленного природой

Компании все больше интересуются черпанием вдохновения из природы, поскольку их проекты являются устойчивыми, экологически чистыми, способны оптимизировать имеющиеся ресурсы и достаточно гибкими, чтобы адаптироваться к различным климатическим условиям. 

Одним из последних и очень популярных примеров имитации природы в дизайне и инженерии было Mercedes Benz разработал бионический автомобиль, черпая вдохновение из большой прочности конструкции и малой массы рыбы-кузовка. Автомобиль Сообщалось снизить сопротивление, демонстрируя при этом значительную жесткость, малый вес и значительно меньший расход топлива по сравнению с традиционными автомобилями. 

В Японии дизайн сверхскоростных поездов был вдохновлен от Kingfisher. Мастера путешествий между воздухом и водой, с очень небольшим количеством брызг, эти поезда вдохновили Скоростной поезд Синкансэн конструкция с длинным носом в форме клюва. Конструкция значительно снизила уровень шума, производимого поездом, а также потребляла на 15 процентов меньше электроэнергии и двигалась на 10 процентов быстрее, чем раньше.

Почти два десятилетия назад другая группа исследователей Массачусетского технологического института создала новый материал, который может захватывать и контролировать мельчайшие количества воды. Дизайн был вдохновлен жуками размером с десятицентовую монету. Материал сочетает в себе супергидрофобную (водоотталкивающую) поверхность с супергидрофильными (водопритягивающими) выступами, которые улавливают капли воды и контролируют ее поток. 

Потенциальные области применения нового материала включают сбор воды, создание лаборатории на чипе (для диагностики и ДНК-скрининга), а также создание микрофлюидных устройств и охлаждающих устройств.

История биомимикрии так же стара, как и сама человеческая цивилизация. Примеры этого есть не только в инженерии, но и в архитектуре. В архитектуре биомимикрия выражается в проектировании более устойчивых и эффективных зданий, которые находятся в гармонии с природой. Часто называемые биомиметической архитектурой, эти здания черпают вдохновение из природы, чтобы стать энергоэффективными, биоклиматическими, устойчивыми, адаптивными, стойкими и устойчивыми. 

Однако, чтобы сделать биомиметику более эффективным процессом, инструменты должны стать более эффективными. По словам дизайнеров, хотя нет недостатка в инструментах биомиметики, из которых можно выбирать, большинство биомиметических инструментов помогают дизайнерам генерировать концепции и сопоставлять эти концепции из области биомиметики с потенциальными приложениями, Но эти инструменты предлагают мало практических рекомендаций по воплощению биологических концепций в пригодные для производства прототипы.

Однако наблюдается заметный рост инвестиций в технологии, которые помогают нам адаптировать природные разработки к нашим повседневным приложениям. По оценкам, глобальный рынок биомиметических технологий может вырасти с С 6.8 млрд долларов США в 2017 году до 18.5 млрд долларов США в 2028 году. 

Раньше целью технологий и машин было упростить нашу жизнь, автоматизировав повторяющиеся и итеративные задачи. Сегодня технологии должны быть ориентированы на устойчивое развитие, чтобы они разумно использовали имеющиеся ресурсы и оказывали минимально возможное воздействие на нашу планету с точки зрения выбросов углерода.

Дизайн, вдохновленный природой, может стать отличным способом сделать технологию более эффективной. Эта особенность дизайна, вдохновленного природой, поможет привлечь больше внимания и инвестиций в будущем.

Нажмите здесь, чтобы ознакомиться со списком ведущих технологий с пугающим потенциалом.