Biomimetic Design

Biomimetic Design

What has fins like a whale, skin like a lizard, and eyes like a moth? The future of engineering. Andrew Parker, an evolutionary biologist, knelt in the baking red sand of the Australian out back just south of Alice Springs and eased the right hind leg of a thorny devil into a dish of water.

A      “Its back is completely drenched!” Sure enough, after 30 seconds, water from the dish had wicked up the lizard’s leg and was glistening all over its prickly hide. In a few seconds more the water reached its mouth, and the lizard began to smack its jaws with evident satisfaction. It was, in essence, drinking through its foot. Given more time, the thorny devil can perform this same conjuring trick on a patch of damp sand—a vital competitive advantage in the desert. Parker had come here to discover precisely how it does this, not from purely biological interest, but with a concrete purpose in mind: to make a thorny-devil-inspired device that will help people collect lifesaving water in the desert. “The water’s spreading out incredibly fast!” he said, as drops from his eyedropper fell onto the lizard’s back and vanished, like magic. “Its skin is far more hydrophobic than I thought. There may well be hidden capillaries, channeling the water into the mouth.”

B       Parker’s work is only a small part of an increasingly vigorous, global biomimetics movement. Engineers in Bath, England, and West Chester, Pennsylvania, are pondering the bumps on the leading edges of humpback whale flukes to learn how to make airplane wings for more agile flight. In Berlin, Germany, the fingerlike primary feathers of raptors are inspiring engineers to develop wings that change shape aloft to reduce drag and increase fuel efficiency. Architects in Zimbabwe are studying how termites regulate temperature, humidity, and airflow in their mounds in order to build more comfortable buildings, while Japanese medical researchers are reducing the pain of an injection by using hypodermic needles edged with tiny serrations, like those on a mosquito’s proboscis, minimizing nerve stimulation.

C       Ronald Fearing, a professor of electrical engineering at the University of California, Berkeley, has taken on one of the biggest challenges of all: to create a miniature robotic fly that is swift, small, and maneuverable enough for use in surveillance or search-and-rescue operations. Fearing made his own, one of which he held up with tweezers for me to see, a gossamer wand some 11 millimeters long and not much thicker than a cat’s whisker. Fearing has been forced to manufacture many of the other minute components of his fly in the same way, using a micromachining laser and a rapid prototyping system that allows him to design his minuscule parts in a computer, automatically cut and cure them overnight, and assemble them by hand the next day under a microscope.

D         With the microlaser he cuts the fly’s wings out of a two-micron polyester sheet so delicate that it crumples if you breathe on it and must be reinforced with carbon-fiber spars. The wings on his current model flap at 275 times per second~faster than the insect’s own wings—and make the blowfly’s signature buzz. “Carbon fiber outperforms fly chitin,” he said, with a trace of self-satisfaction. He pointed out a protective plastic box on the lab bench, which contained the fly-bot itself, a delicate, origami-like framework of black carbon-fiber struts and hairlike wires that, not surprisingly, looks nothing like a real fly. A month later it achieved liftoff in a controlled flight on a boom. Fearing expects the fly-bot to hover in two or three years, and eventually to bank and dive with flylike virtuosity.

E          Stanford University roboticist Mark Cutkosky designed a gecko-inspired climber that he christened Stickybot. In reality, gecko feet aren’t sticky—they’re dry and smooth to the touch—and owe their remarkable adhesion to some two billion spatula-tipped filaments per square centimeter

Thiết kế phỏng sinh học

Cái gì có vây giống cá voi, da như thằn lằn, và mắt như bướm đêm? Tương lai của kỹ thuật, Andrew Parker, một nhà sinh vật học tiến hóa, quỳ gối trên bãi cát đỏ nóng rát ở Australia, ngay phía nam Alice Springs và thả chân phải sau của một con thằn lằn quỷ gai vào một đĩa nước.

A      “Lưng của nó đã hoàn toàn ướt đẫm!” Chắc chắn rồi, sau 30 giây, nước từ chiếc đĩa đã ngấm vào chân của con thằn lằn và lấp lánh khắp bộ da đầy gai của nó. Trong vài giây nữa, nước tràn đến miệng và con thằn lằn bắt đầu đập hàm tỏ vẻ hài lòng. Về bản chất, nó uống nước thông qua chân của mình. Nếu có thêm thời gian, con thằn lằn quỷ gai góc có thể thực hiện trò ảo thuật tương tự này trên một bãi cát ẩm – một lợi thế cạnh tranh quan trọng trong sa mạc. Parker đã đến đây để khám phá chính xác cách nó thực hiện điều này, không phải vì lợi ích sinh học thuần túy, mà với mục đích cụ thể trong đầu: chế tạo một thiết bị lấy cảm hứng từ thằn lằn quỷ gai sẽ giúp mọi người thu thập nước cứu sinh trong sa mạc. “Nước đang lan ra cực kỳ nhanh chóng!” anh ta nói, khi những giọt nước từ lọ thuốc nhỏ mắt của anh ta rơi xuống lưng của con thằn lằn và biến mất, như một phép thuật. “Da của nó không bám nước nhiều hơn tôi tưởng. Rất có thể có các mao mạch ẩn, dẫn nước vào miệng ”.

B        Công việc của Parker chỉ là một phần nhỏ trong phong trào phỏng sinh học toàn cầu ngày càng mạnh mẽ. Các kỹ sư ở Bath, Anh và West Chester, Pennsylvania, đang xem xét những cái bướu trên mép trước của đuôi cá voi lưng gù nhằm học cách chế tạo cánh máy bay để bay nhanh hơn. Ở Berlin, Đức, những chiếc lông nguyên thủy giống như ngón tay của chim ăn thịt là nguồn cảm hứng cho các kỹ sư phát triển đôi cánh có thể thay đổi hình dạng trên cao để giảm lực cản và tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Các kiến trúc sư ở Zimbabwe đang nghiên cứu cách các con mối điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và luồng không khí trong tổ của chúng để xây dựng các tòa nhà tiện nghi hơn, trong khi các nhà nghiên cứu y học Nhật Bản sử dụng kim tiêm dưới da có răng cưa nhỏ, giống như vòi của loài muỗi, giảm thiểu kích thích lên dây thần kinh từ đó giảm đau khi tiêm.

C       Ronald Fearing, giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học California, Berkeley, đã thực hiện một trong những thách thức lớn nhất: tạo ra một con ruồi robot tí hon đủ nhanh, nhỏ và dễ di chuyển để sử dụng trong các hoạt động giám sát hoặc tìm kiếm và cứu nạn. Frearing đã tự thực hiện, anh ấy giơ nhíp lên cho tôi xem một thứ trong số đó, một cây đũa thử dài khoảng 11 mm và chỉ dày hơn râu mèo một chút. Fearing đã buộc phải sản xuất nhiều bộ phận nhỏ khác trên con ruồi của mình theo cách tương tự, sử dụng tia laser vi cơ điện tử và hệ thống tạo mẫu nhanh cho phép anh ta thiết kế các bộ phận nhỏ bằng máy tính, tự động cắt và sửa chữa chúng vào ban đêm và lắp ráp chúng bằng tay vào ngày hôm sau dưới kính hiển vi.

D       Với microlaser, ông cắt đôi cánh con ruồi ra khỏi một tấm polyester có kích thước hai micron, mỏng đến nỗi nó sẽ bị nhàu nát nếu bị thở vào và phải được gia cố bằng các trụ sợi carbon. Đôi cánh hiện tại của ông vỗ với tốc độ 275 lần mỗi giây ~ nhanh hơn so với cánh của côn trùng — và tạo nên tiếng vo ve đặc trưng của ruồi xanh. Ông nói với một chút hài lòng: “Sợi carbon tốt hơn chitin của ruồi”, Ông chỉ vào một hộp nhựa bảo vệ trên bàn thí nghiệm chứa ruồi máy bên trong, một bộ khung mỏng giống kiểu gấp origami gồm các thanh chống bằng sợi carbon đen và dây dạng tóc, không ngạc nhiên là trông chẳng giống một con ruồi thật. Một tháng sau, nó đã có thể cất cánh thực hiện một chuyến bay có điều khiển. Fearing hy vọng ruồi máy sẽ bay lượn trong vòng hai hoặc ba năm, và cuối cùng chao liệng và nhào xuống với kỹ thuật điêu luyện như ruồi.

E         Nhà robot học Mark Cutkosky của Đại học Stanford đã thiết kế một nhà leo núi lấy cảm hứng từ tắc kè được ông đặt tên là Stickybot. Trên thực tế, bàn chân tắc kè không dính –  khi chạm vào