لقد شكلت ملايين السنين من التطور العالم من حولنا وخلقت العديد من الأشياء الرائعة. تقليد الطبيعة هو عندما نلاحظ سمة في الطبيعة وننسخها أو أجزاء منها للتكنولوجيا والتصميم البشري. هناك العديد من الأمثلة الممتازة على محاكاة الطبيعة.
تقليد التقليد الحيوي يهتم بالعديد من قطاعات النشاط البشري. تتراوح من الطب إلى البحث والصناعة والاقتصاد والهندسة المعمارية والتخطيط الحضري والزراعة والإدارة. هذه القائمة ليست شاملة لأن التقليد الحيوي هو قبل كل شيء سؤال عن كيفية تعاملنا مع مجالات الخبرة هذه. لذلك ، قد يتم تطبيقه بشكل مباشر إلى حد ما على جميع القطاعات.
يقوم مفهوم المحاكاة الحيوية على فكرة أساسية: الطبيعة تعمل دائمًا وفقًا لمبادئ الاقتصاد والكفاءة دون إنتاج أي نفايات. هل تذكرون قول لافوار: "لا شيء يُفقد، ولا شيء يُخلق، كل شيء يتحول"؟ هذه هي الفكرة. بغض النظر عن مجال التطبيق، تُعدّ فلسفة المحاكاة الحيوية جزءًا من استراتيجية عالمية للتنمية المسؤولة والمستدامة ، تهدف إلى تحقيق التوازن في استخدام موارد الكوكب.
ما هو تقليد الطبيعة؟
تهدف محاكاة الطبيعة ، (كما يوحي الاسم ، إلى تقليد الكائنات الحية) إلى الاستلهام من الانتقاء الطبيعي والحلول التي تتبناها الطبيعة وترجمة المبادئ إلى الهندسة البشرية. إنها طريقة لإيجاد حلول للتحديات البشرية من خلال محاكاة التصاميم والأفكار الموجودة في الطبيعة. يتم استخدامه في كل مكان: في المباني والمركبات وحتى المواد.
تقليد الطبيعة كنهج هو رحلة جميلة إلى ما يمكن أن نتعلمه من الطبيعة ، وفي هذه العملية ، نعزز علاقتنا واتصالنا بالعالم الطبيعي. هذا عنصر حيوي لخلق عالم أكثر استدامة وصحة وإنصافًا لجميع البشر وجميع الأنواع. لذلك اعتقدنا أنه سيكون من الممتع جمع بعض الأمثلة الأكثر جدارة بالملاحظة.
10 أمثلة رائعة على محاكاة الطبيعة للأطفال والعلماء
تقليد الطبيعة ، كما هو مذكور ، يتطلع إلى الطبيعة والأنظمة الطبيعية للإلهام ، باستخدام استراتيجيات مستوحاة من الطبيعة لتحسين التصميم. من خلال التكيف والتطور ، تقضي الشخصية ملايين السنين في إصلاح طريقها للخروج من المشاكل ، وينتهي بها الأمر ببعض الابتكارات المحيرة للعقل. لا تدوم عدم الكفاءة وحدها ، وغالبًا ما يبحث المهندسون والمصممون عن حلول للمشكلات الحديثة.
إليك بعض الأمثلة الرائعة لمحاكاة الطبيعة في العلوم والهندسة والابتكار التي تأثرت بالتصميم المستوحى من الطبيعة للأطفال والعلماء.
- محاكاة سمك القرش لملابس السباحة
- قطارات الرصاص المستوحاة من طيور الرفراف (مثل تلك الموجودة في ديزني)
- توربينات الرياح على غرار الحيتان الحدباء
- الخنافس وزجاجات المياه ذاتية التعبئة
- ممتص صدمة مثل نقار الخشب
- تمويه رأسيات الأرجل
- أنظمة التهوية مستوحاة من النمل الأبيض
- طائرات مستوحاة من الطيور
- الأزيز والفيلكرو
- أجنحة الفراشة والطاقة الشمسية
1. ملابس السباحة التي تحاكي سمك القرش
تعد أسماك القرش من أعظم الحيوانات المفترسة في البحار. في حين أن أسماك القرش معروفة جيداً بحاسة الشم الحادة والأسنان التي تتجدد بسرعة ، فقد يشير بحث جديد إلى جلد هذا النوع باعتباره أكثر أصوله المتخصصة تطوريًا.
جلد سمك القرش مغطى بمقاييس متداخلة لا حصر لها تُعرف باسم "الأسنان الجلدية". عند الحركة ، تخلق هذه الأسنان الجلدية منطقة ذات ضغط منخفض. هذه الدوامة الأمامية "تسحب" القرش للأمام وتساعد أيضًا على تقليل السحب. وغني عن القول ، أن هناك الكثير من التطبيقات لمثل هذا التصميم.
نجح العلماء في محاكاة الحراشف الجلدية في ملابس السباحة (المحظورة الآن في المسابقات الكبرى) وفي قاع القوارب. وقد حظيت ملابس السباحة المستوحاة من جلد القرش باهتمام إعلامي واسع خلال دورة الألعاب الأولمبية الصيفية لعام 2008، عندما كان مايكل فيلبس محط الأنظار.
أدرجت "سبيدو" بشكل مشهور جلد سمك القرش المحاكي الحيوي في مجموعة من ملابس السباحة لدورة الألعاب الأولمبية لعام 2008. وفقًا لمؤسسة سميثسونيان ، فإن 98 بالمائة من الميداليات في أولمبياد 2008 فاز بها سباحون يرتدون ملابس سباحة من جلد سمك القرش. منذ ذلك الحين ، تم حظر التكنولوجيا من المسابقات الأولمبية.
وبالمثل، فبينما تُعرف العديد من الكائنات المائية باستضافة أنواع بحرية أخرى على أجسامها (مثل البرنقيل)، تبقى أسماك القرش "نظيفة" نسبيًا، إن صح التعبير. كما تساعد هذه الحراشف الجلدية المجهرية أسماك القرش على صدّ الكائنات الدقيقة مثل الطحالب والبرنقيل. وقد طوّرت البحرية الأمريكية لاحقًا مادة تُعرف باسم "شاركليت" (Sharklet)، استنادًا إلى هذا النمط الجلدي، للمساعدة في منع نمو الكائنات البحرية على السفن.
2. قطارات رصاصة مستوحاة من طيور الرفراف (مثل تلك الموجودة في ديزني)
طيور الرفراف لديها مناقير متخصصة تسمح لها بالغوص في الماء للصيد مع تقليل تناثرها. باستخدام هذا الأنف الجديد ، كان الجيل التالي من القطارات 500 أسرع بنسبة 10 في المائة ، واستهلك 15 في المائة أقل من الكهرباء ، والأهم من ذلك ، لم يعد لديه "ازدهار".
عندما تولى المهندسون اليابانيون المهمة الشاقة المتمثلة في ترقية قطاراتهم عالية السرعة ، واجه تصميمهم عقبة مؤسفة. لم تكن المشكلة في وصول هذه القطارات إلى السرعات المرغوبة ، بل في الكم الهائل من الضوضاء الناتجة عن إزاحة الهواء أمام القطارات. مع دخول القطارات إلى الأنفاق ، غالبًا ما أحدثت المركبات موجة صدمة عالية تُعرف باسم "طفرة الأنفاق".
حتى أن قوة موجات الصدمة تسببت في أضرار هيكلية لعدة أنفاق. لتقليل هذا الازدهار ، قام المهندسون اليابانيون بتقليد منقار الطيور Kingfisher الذي يتسبب في الحد الأدنى من تناثره عند دخوله المياه. من خلال إنشاء شكل الأنف الجديد هذا ، كانت القطارات أسرع بنسبة 10 في المائة ، واستهلكت 15 في المائة أقل من الكهرباء ، والأهم من ذلك ، لم تعد هناك "طفرة".
يُطلق على هذا النوع من العمليات المبتكرة اسم التمثيل الضوئي الاصطناعي ، حيث تخلق الورقة الإلكترونية وقودًا هيدروجينًا من ضوء الشمس. يأمل هذا في أن يكون اختراقًا عالميًا محتملاً في مجال الطاقة عن طريق فصل المياه باستخدام الكهرباء عن الشمس.
لا توجد انبعاثات من هذا النوع من الوقود المتجدد
3. توربينات الرياح على غرار الحيتان الحدباء
على سبيل المثال ، يستخدم الحوت الأحدب زعانف درنة وعرة للدفع ، وهو ما يبدو غير منطقي إلى حد ما. أثرت هذه الحيتان على نماذج جديدة من توربينات الرياح.
تسبح الحيتان ، المعروفة باسم أكبر الأسماك في العالم ، حول المحيط لفترة طويلة ، وقد جعلها التطور شكلًا فائق الكفاءة للحياة. يمكنهم الغوص مئات الأقدام تحت السطح والبقاء هناك لساعات. إنها تحافظ على حجمها الهائل من خلال إطعامها على حيوانات أصغر مما يمكن للعين أن تراه ، وتقوم بتحريك حركتها بزعانف وذيل فعالين. أصبحت هذه ممكنة بسبب وجود الحدباء.
تؤثر الحواف الموجودة على الزعانف الأمامية للحوت الأحدب ، والتي تسمى الدرنات ، على كيفية تدفق المياه فوق الزعانف. يخلق تدفق ديناميكي هوائي في الماء. تسمح لهم الدرنات بالسباحة بسرعات عالية على الرغم من حجمها الكبير.
تعتمد العديد من تصميمات الديناميكا الهوائية الحديثة لدينا على مبادئ أساسية إلى حد ما. للحصول على الرفع الأمثل والحد الأدنى من السحب ، فإن الحواف الأنيقة والخطوط النظيفة هي المفتاح. ومع ذلك ، في جميع أنحاء المملكة الحيوانية ، العديد من الأنواع قادرة على رفع استثنائي.
اكتشف العلماء في جامعة ديوك وجامعة ويست تشيستر والأكاديمية البحرية الأمريكية أن النتوءات الموجودة على الحافة الأمامية لزعنفة الحوت تزيد من كفاءتها بشكل كبير ، مما يقلل السحب بنسبة 32 في المائة ويزيد الرفع بنسبة 8 في المائة. تساعد هذه الشفرات المعدلة أيضًا في توليد نفس القدر من الطاقة بمعدل 10 أميال في الساعة مثل التوربينات التقليدية التي تولد 17 ميلًا في الساعة.
تطبق الشركات الفكرة على شفرات توربينات الرياح ومراوح التبريد وأجنحة الطائرات والمراوح.
4. الخنافس وزجاجات المياه ذاتية التعبئة
ليس سراً في هذه المرحلة أن الحصول على الماء أمرٌ محوري لأي حضارة مستدامة وللحياة على هذا الكوكب عموماً. فبينما تتمتع بعض المناطق في العالم بموارد مائية وفيرة كالبحيرات والأنهار، تضطر المناطق ذات المناخ الجاف إلى الاكتفاء بكميات محدودة من الأمطار.
قد تساعد التكنولوجيا المستمدة من خنفساء تعيش في واحدة من أقسى البيئات على وجه الأرض في بدء الجيل القادم من حصاد المياه النظيفة.
تعيش الخنافس (خنافس Stenocara) الأصلية في صحراء ناميبيا على قيد الحياة في البيئة الجافة والقاسية من خلال جمع المياه على ظهورها نتيجة لتصميمها الفريد من نوعه. يُعرفون أيضًا باسم "جامعي المياه الرئيسيين". يوجهون أجنحتهم نحو نسيم المحيط ، والنتوءات على ظهورهم توجه قطرات الماء نحو أفواههم.
ابتكر المهندسون زجاجة ماء بها نتوءات مماثلة لجمع المياه وصد المياه. يمكن أن يساعد هذا المشروع في جهود الحفاظ على المياه وجعل الوصول إلى المياه أكثر سهولة للمجتمعات في المناطق الجافة.
قد يشارك المحترفون في مهن الحفظ أو التخطيط المجتمعي في العديد من مشاريع الحفاظ على المياه التي تتضمن طريقة هندسة المحاكاة الحيوية هذه. تستخدم حوالي 22 دولة حول العالم الشباك لجمع المياه من الهواء ، لذا فإن مثل هذا التعزيز في الكفاءة يمكن أن يكون له تأثير كبير.
5. امتصاص الصدمات مثل نقار الخشب
تشتهر نقار الخشب بقدرتها الاستثنائية على الحفر. تستخدم المخلوقات مناقيرها للبحث عن الحشرات وأيضًا لإنشاء زوايا لنفسها دون التعرض لإصابات في الرأس من النقر السريع والقوي.
عندما حفر نقار الخشب هذه الثقوب ، فإنهم يعانون من تباطؤ 1200 شد جاذبية (Gs) ما يقرب من 22 مرة في الثانية. لوضع ذلك في المنظور الصحيح ، فإن وقوع حادث سيارة حاد سيؤدي إلى ما يعادل 120 جي إس على راكب.
اكتشفت الأبحاث التي أجريت باستخدام الأشعة المقطعية في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، أن نقار الخشب لديهم أربعة هياكل مصممة لامتصاص الصدمات الميكانيكية. يعمل المنقار شبه المرن للطائر ، وهو منطقة من مادة "العظام الإسفنجية" خلف الجمجمة ، والسائل الدماغي الشوكي في انسجام تام لإطالة الوقت الذي يحدث خلاله هذا الارتجاج وبالتالي منع الاهتزاز.
بناءً على هذه الهياكل ، غالبًا ما يستخدم مهندسو الطيران هذه الهياكل لتصميم مركبات فضائية مقاومة للنيازك وصناديق سوداء للطائرات يمكنها امتصاص المزيد من القوة قبل حدوث خلل. يمكن أن يساعد هذا التصميم الطبيعي أيضًا مهندسي الطائرات والطيران على تطوير المزيد من التقنيات عالية الجودة في المستقبل.
6. تمويه رأسيات الأرجل
الحبار ، مثل جميع رأسيات الأرجل ، قادرة على التوهج (تلألؤ بيولوجي) وكذلك تغيير لون بشرتها. هذه القدرة على التمويه تجعلهم يختبئون من الحيوانات المفترسة ، في حين أن التلألؤ البيولوجي يسمح لهم بالتواصل مع رفيقهم و / أو جذبهم. ينتج هذا السلوك المعقد عن طريق شبكة من خلايا الجلد والعضلات المتخصصة.
صمم باحثون في جامعة هيوستن جهازًا مشابهًا قادرًا على اكتشاف محيطه ومطابقته في ثوانٍ معدودة. يستخدم هذا النموذج الأولي المبكر شبكة مرنة ومقسمة باستخدام المشغلات وأجهزة استشعار الضوء والعاكسات. عندما تكتشف مستشعرات الضوء حدوث تغيير في البيئة المحيطة ، يتم إرسال إشارة إلى الصمام الثنائي المقابل.
ينتج عن هذا حرارة في المنطقة ثم يتغير لون الشبكة الحرارية اللونية. يمكن أن يكون لهذا "الجلد" من صنع الإنسان تطبيقات عسكرية وتجارية في المستقبل.
7. أنظمة التهوية مستوحاة من النمل الأبيض
غالبًا ما يحصل النمل الأبيض على سمعة سيئة بسبب خصائصه المدمرة. ومع ذلك ، فإن النمل الأبيض سيئ السمعة لأنه يخلق بعض أنظمة التهوية الأكثر تفصيلاً للتبريد على هذا الكوكب. حتى في بعض الأماكن الأكثر سخونة ، تظل أكوام النمل الأبيض باردة بشكل استثنائي في الداخل. في حين أن درجة الحرارة في الخارج تتأرجح بشكل كبير على مدار اليوم من درجة حرارة منخفضة إلى عالية ، فإن الجزء الداخلي من عرين النمل الأبيض يظل ثابتًا عند درجة حرارة مريحة.
تُنشئ هذه التلال، من خلال شبكة معقدة من جيوب الهواء المصممة خصيصًا، نظام تهوية طبيعيًا يعتمد على الحمل الحراري. وهذا مثال على كيفية استخدام مهندسي البناء والهندسة المعمارية للعناصر الطبيعية والمواد المستدامة لتعزيز سلامة وجودة مشاريع البناء في المناطق ذات المناخ الحار.
على سبيل المثال ، مركز تسوق East Gate في هراري ، زيمبابوي ، الذي يبلغ ارتفاعه 333,000 قدم مربع ، يستخدم طاقة أقل بنسبة 90 في المائة للتدفئة والتبريد من المباني التقليدية ، ويحتوي على مداخن كبيرة تسحب الهواء البارد بشكل طبيعي في الليل لخفض درجة حرارة الجو. ألواح أرضية ، مثل أوكار النمل الأبيض.
8. الطيور مستوحاة الطائرات
يمكن للطيور زيادة مسافة طيرانها بأكثر من 70 في المائة باستخدام شكل V. اكتشف العلماء أنه عندما يتخذ سرب الشكل المألوف على شكل V عندما يرفرف طائر واحد بجناحيه ، فإنه يخلق تيارًا صاعدًا صغيرًا يرفع الطائر إلى الخلف.
مع مرور كل طائر ، يضيفون طاقتهم إلى السكتة الدماغية ، مما يساعد جميع الطيور على الحفاظ على الطيران. من خلال تدوير ترتيبهم من خلال المكدس ، قاموا بنشر الجهد.
تعتقد مجموعة من الباحثين في جامعة ستانفورد أن شركات الطيران يمكن أن تحقق وفورات في الوقود من خلال اتباع نفس التكتيك. يتصور الفريق ، بقيادة البروفيسور إيلان كرو ، سيناريوهات حيث تلتقي الطائرات من مطارات الساحل الغربي وتطير في تشكيل في طريقها إلى وجهاتها على الساحل الشرقي.
من خلال السفر على شكل حرف V مع تناوب الطائرات في المقدمة كما تفعل الطيور ، يعتقد كرو وباحثوه أن الطائرات يمكن أن تستخدم وقودًا أقل بنسبة 15 في المائة مقارنة بالطيران الفردي.
9. الأزيز والفيلكرو
الفيلكرو هو مثال معروف على نطاق واسع لتقليد الطبيعة. ربما تكون قد ارتديت أحذية بأشرطة فيلكرو عندما كنت صغيرًا ، ويمكنك بالتأكيد التطلع إلى ارتداء نفس النوع من الأحذية عند التقاعد.
اخترع المهندس السويسري جورج دي ميسترال الفيلكرو في عام 1941 بعد أن أزال النتوءات من كلبه وقرر إلقاء نظرة فاحصة على كيفية عملها.
ألهمته الخطافات الصغيرة التي تم العثور عليها في نهاية الإبر الدوارة لإنشاء الفيلكرو في كل مكان الآن. فكر في الأمر: بدون هذه المادة ، لن يعرف العالم أن الفيلكرو يقفز رياضة يحاول فيها الأشخاص الذين يرتدون بدلات كاملة من الفيلكرو رمي أجسادهم عالياً على الحائط قدر الإمكان.
10. اجنحة الفراشة والطاقة الشمسية
تقوم فراشة "الوردة العادية" بتسخين جسدها عن طريق امتصاص أشعة الشمس بجناحيها. من خلال دراسة أجنحتها تحت المجهر الإلكتروني ، اكتشف الباحثون ثقوبًا في أجسامهم تعمل على تشتيت ضوء الشمس والحفاظ عليها دافئة.
باستخدام هذه الآلية، ابتكر الباحثون غشاءً رقيقًا من السيليكون يُحاكي نموذجًا ثلاثي الأبعاد لجناح فراشة، وطبّقوه على خلية طاقة شمسية، مما حسّن تصميمها بشكل عام. تستطيع هذه الخلية الجديدة امتصاص كمية أكبر من ضوء الشمس في ظروف الإضاءة المنخفضة. وباستخدام هذه التقنية في قطاع الطاقة الشمسية، يُمكن للمهندسين مساعدة المجتمعات والشركات المحلية على زيادة استخدامها للطاقة المستدامة.
خاتمة
آمل أنه كلما نظر العلماء أكثر إلى العالم الطبيعي للإجابة على الأسئلة البشرية ، بدأوا يرون ، أكثر فأكثر ، أن فكرة التطور الخاطئة بشدة مستحيلة. الآن حان دورك لإنشاء ابتكار يعتمد على شيء موجود في الطبيعة! كن مبدعًا كما تريد وبإذن من والديك