10 otroliga framsteg inom biomimikry

Biomimetik är vetenskapen om att leta efter naturen för svar på våra tekniska problem. Du använder biomimetisk teknik varje dag. Velcro, till exempel, uppfanns efter att George de Mestral noterade hur burrs använde små krokar för att hålla fast vid sin hunds päls. Och medan kardborreband är för vanligt att blåsa någons sinn, har vi under de senaste åren använt exakt samma process för att bygga tekniker som inte är så mycket otroliga.

10 UltraCane

I naturen är ultraljud mest berömd används av fladdermöss för att finna bytesdjur. Vetenskapen bakom den är ganska enkel: Du skjuter ut en ljudvåg och spelar in hur mycket tid det tar för ekot att återvända efter att ha studsat någonting. Om du vet hur snabbt sonikvågen reser, kan du mäta hur långt bort hindret är. Bats gör det naturligt. Människor gör det inte.

Så forskare vid University of Leeds i Storbritannien tittade på fladdermöss för inspiration att bygga en ultraljudsrör för blinda människor. Tanken var enkel nog, men vad de inte förutsåg var hur människans hjärna blev så mottaglig för den nya känslan. Röret fungerar genom att skicka ut ultraljudssignaler, mäta svarstid för ekonerna och omvandla den data till vibrationer i rörets handtag. När ett föremål kommer närmare blir vibrationerna starkare.

När rottan testades fann de att försökspersonernas hjärnor lätt accepterade ingången och började bygga en ny typ av rumlig medvetenhet baserad enbart på vibrationer som kommer in genom sina palmer. Över tiden slutade de medvetet att känna vibrationerna och byggde en omedelbar mental karta över omgivningen - deras sinnen skar ut den mellersta mannen för en effektivare tolkning av känslan.

9 Swarm Robotics

Harvard är inte den enda forskningsorganisationens avsikt att ge robotar möjlighet att kommunicera och lära av varandra. New Jersey Institute of Technology utvecklar också en svärm av robotar med en bikupunktion, och de har redan lyckats. Modellerad efter myrns kolonibeteende kan en robot hämta de andra robots beslut och följa sitt beteende utan programmering.

Robotarna själva ser inte ut som myror - mer som futuristiska isbitar - men var och en har två ljussensorer som fungerar som en ants antenner som plockar upp en feromonspår. Individuellt dumma kan robotarna bara gå framåt och känna ljus. Varje robot spårades av en projektor som lämnade ljusfläckar längs sin väg, som en spår av brödsmulor, och varje gång en robot snubblade över en annan robots väg blev ljusen ljusare.

I början av försöket rörde alla robotar slumpmässigt och kaotiskt. I slutet konvergerades de till ett tåg efter en enda väg. Liksom myror gör de inte ett "val" när de gör något annat. Det är allt baserat på ett kärnprogram som berättar för dem att följa en viss signal. Med myror är den signalen ett feromonspår som lämnas av andra myror. Med svärmrobotar är det lätt.

8 självrengörande färg

Inte alla framsteg inom biomimiken har att göra med robotar. Faktum är att majoriteten inte gör det; robotar är bara mer intressanta att prata om. Med det sagt, en av de mest intressanta biomimetiska uppfinningarna under de senaste åren är en färg som modelleras efter lotusblommans löv.

Lotusbladen kan se jämna ut, men på mikroskopisk nivå är de täckta i miljoner små spikar. Spikarna avvisar smuts och vatten genom att minimera ytvattnet på lövvattnet bara rullar av eftersom det inte finns tillräckligt med kontakt för att bygga en attraktion. Med det som en modell utvecklade ett tyskt företag en färg som använder en komplex mikrostruktur på utsidan för att förhindra att saker stannar vid färgen. Under ett mikroskop ser den torkade färgen ut som ett surrealistiskt landskap täckt av skulpturer.

Smutspartiklar kan fortfarande fångas på utsprången, men det minsta vattendroppen kommer att lossna dem. Med andra ord är färgen väsentligen självrenande. Och som lotusbladen glider vattnet i sig direkt. NASA använder också Lotus-idén att bygga en beläggning för rymdfärdar och rovers för att förhindra att bakterierna hyser i rymden.

7 mångfacetterade kameror

Om du hade ett mikroskop, mycket tid och en lat flyga, kunde du räkna alla enskilda fasetter i en husflyts öga. Det finns cirka 28 000-var och en med sin egen lins och ljusavkännande nerv. Sammansatta ögon är en av naturens förunderligheter: De tillåter insekter att se upp till 180 grader runt dem och erbjuda djupet som människor bara kan drömma om.

Med hjälp av den ideen byggde forskare vid University of Illinois en mångfacetterad kamera som består av 180 linser, vilka var och en är ansluten till en enskild fotodetektor. Arrayet byggdes på en flexibel gummimatta som sedan krökades i en halvkärlsform. Ingången från alla linser kombineras i en enda bild, så du tittar på en vanlig bild i motsats till, säg en bank av bildskärmar. Och hela grejen-linser och elektronik ingår - är bara en centimeter (0,4 tum) i diameter.

Lagets mål är att använda kamerorna för luftövervakning på robotdroner. Men även en stationär kamera skulle vara en enorm förbättring över nuvarande kameror. Sätt två av dessa "bug-ögon" bakåt, och du har en 360 graders vy. För närvarande arbetar de på en ny modell som dubblar antalet linser.

6 Shark Skin Coatings

När Michael Phelps vann sex guldmedaljer i OS 2004, hade han en baddräkt, kallad Fastskin, utvecklad av Speedo. Fastskin är täckt av små humpar som efterliknar en hajs hud. Trots att baddräkterna har blivit bannade samtidigt och deklarerats ineffektiva, är tanken att använda hajhud som modell för högteknologiska material långt ifrån död.

En hajs hud är täckt av ett lager av överlappande bitar som kallas dentiklar. De ser ut som mikroskopiska tänder och pekar mot hajens baksida. När en haj simmar, skapar de främre kanterna av dentiklarna mikrovorter som väsentligen drar hajen framåt, så att den kan simma snabbare. Och på grund av det sätt de böjer, kan andra organismer som alger och kalkar inte ta sig in på den. Det är därför som valar ofta förekommer i kullar, men hajar är aldrig.

US Navy undersöker applikationer för att använda haj-hudinspirerade beläggningar på utsidan av sina ubåtar, vilket både skulle göra dem snabbare och förhindra musslor och kalkar från att hälla upp på sina skrov, vars uppvärmning är 50 miljoner dollar per år jobb. Sjukhusen kommer också in på spelet: Ett material som kallas Sharklet används redan på dörrhandtag på Kaliforniens sjukhus för att stoppa patogener som E. coli från att bilda kolonier. Det bästa är att det inte finns något sätt för bakterier att bygga ett motstånd eftersom det inte är en kemisk repellant.

5 SCRATCHBot

Sökandet efter nya sätt att uppleva världen har alltid varit förankrad i djurvärlden. Genom att bygga en robot som ser ut och fungerar som en råtta, har forskarna vid Sheffield University fördjupats i ett sätt att känna att människor aldrig kommer att uppleva: whiskers. Dubbat SCRATCHBot, robotens enda syfte är att fungera som ett fordon för state-of-the-art syntetiska whiskers - och en hjärna som kan tolka data och använda den.

Eftersom råttor för det mesta är nattliga, använder de ofta sina whiskers för att navigera mer än deras syn. Vid återskapande av en uppsättning funktionella whiskers använde forskarna glasfiberstänger som innehöll Hall-effektgivare (sensorer som mäter skillnader i spänning baserat på en ström och ett magnetfält). Små magneter i whiskersna ger magnetfältet, och när piskarna borstar mot något, tar sensorerna spänningsändringen från magneterna. Detta gör det möjligt för SCRATCHBot att "se" objekt genom whiskers.

Råttens hjärna är en PC-baserad neuralmodell som tar emot information från whiskers, bearbetar den och skickar ett kommando till benen (sväng vänster, sväng höger, etc.). Hela designen är baserad på en otroligt dum råtta. Den har ingen hög cortex men kan fortfarande använda grundläggande motorfunktioner.

4 organiska solceller

Färgkänsliga solceller är en typ av solcell som använder en speciell form av färgämne för att fånga solenergi. När solljuset träffar färgämnet, reagerar molekylerna och producerar el. Dessa solceller är billigare än sina kiselkomponenter, men de har ett problem: Färgen tenderar att bryta ner efter en kort tid, vilket väsentligen lämnar dig med en värdelös plastplatta.

Men färgens mekanism skiljer sig inte mycket från vad man finner i naturlig fotosyntes när en växt omvandlar solljus till energi. Så började forskare vid North Carolina State University titta på krukväxter för att se vad som gjorde dem olika. Resultatet var en solcell med ett inre kärlsystem som cyklar färgas genom ett förgrenat nätverk av vener. När färgämnet bryts ner till den punkt som det inte längre producerar någon el, cyklas den ut och ersätts med en ny ström av färgämne, som en växt som levererar näringsämnen till bladen.

3 T8 SpiderBot

Om spindlar är de saker som mardrömmar är födda, är T8 Octopod Robot en mardröm med en prislapp. Robotiker har försökt i åratal för att efterlikna en spindels arkitektur. Med åtta ben får du en oöverträffad stabilitet, som är perfekt för sök- och räddningsrobotar i katastrofområden. Och medan vi har haft andra versioner av spindelliknande robotar har det alltid varit svårt att designa en med tillräckligt med intern kontroll för att alla åtta benen ska kunna förflyttas samtidigt som de behåller förmågan att flytta separat när det behövs.

T8 Octopod Robot använder en unik rörelsesmotor utformad speciellt för att övervinna det hindret. Det är fjärrstyrt, och med ett enkelt kommando kommer beräkningsprocessorn att beräkna benbanan, motorstyrningen och invers kinematik för att samordna sina 26 enskilda motorer. Resultatet är nästan för levande.

2 Självläkningskretsar

Integrerade kretschips används i praktiskt taget alla elektroniska enheter som skapats idag, och trots sin lilla storlek har de flesta marker miljontals transistorer spredt över en yta som inte är bredare än en nagels huvud. Om ett litet stycke raster blir hela grejen värdelös. Men vad händer om din mobiltelefon eller din dator kan reparera sig som ett immunförsvar som bekämpar en infektion? Det kan vara en mycket verklig möjlighet inom en snar framtid.

Ingenjörer vid California Institute of Technology har skapat det som de kallar "oförstörbara kretsar". För att demonstrera, fastnade de en under ett mikroskop, smälte det med en laser och såg ut att det var ett sätt att fortsätta arbeta. Flisorna är mikroskopiska; Det skulle ta ca 75 att täcka ansiktet på ett öre. Förutom alla kretsar som behövs för chipets huvudsyfte innehåller varje chip också en mängd olika sensorer och en inbyggd centralprocessor som upptäcker skador och räknar ut det mest effektiva sättet att få allt tillbaka och springa igen.

De har testat dussintals chips utrustade med självläkande förmåga, och oavsett vilken del av chipet som förstörs, hittar det alltid en väg att omdirigera kretsens processer på mindre än en sekund. Och det är inte förprogrammerat för några specifika hot, som kroppens immunsystem, det bedömer skadan i sig och redogör för vilka åtgärder den behöver ta. Det enda som finns kvar för oss att göra är att hitta John Connor.

1 Parasitic Skin Grafts

Det finns en parasit som heter Pomphorhynchus laevis som använder spikar i huvudet för att riva ett hål i ett djurs tarmar, varefter det skjuter huvudet inuti och blåser upp sin kropp för att hålla sig på plats. Det är denna osannolika monstrosity som har inspirerat medicinska forskare att utveckla en ny typ av hudtransplantat. Hudtransplantat är hudplåster som transplanteras från en del av kroppen till en annan, vanligtvis för att täcka en allvarlig brännskada.

Hittills hölls hudtransplantat normalt på plats med häftklamrar, vilket medför stor risk för infektion. Detta nya biomimetiska hudtransplantat kopierar däremot nästan allt från den mest skrämmande parasiten som du sannolikt kommer att läsa om idag. Graften har ett kluster av mikronedlar som sväller när de utsätts för vatten. Nålarna går ganska lätt in i huden, och en gång inuti puffar de ut som en ballong för att hålla transplantatet på plats. En annan fördel jämfört med häftklamrar, som faktiskt hamnar i vävnaden runt dem, är att micronedlesna tryck vävnad till sidan, snarare än att skada den.