Đỉnh cao của mô phỏng sinh học: 7 ứng dụng đáng kinh ngạc lấy cảm hứng từ thiên nhiên

Đôi khi giải pháp phù hợp nhất cho một vấn đề lại chẳng phải là cái phức tạp nhất, và câu trả lời đúng đắn nhất không nhất thiết phải là mới mẻ. Trong khi con người mới chỉ chân ướt chân ráo với những đột phá công nghệ để giải quyết các thách thức ngày càng đa dạng của cuộc sống, thì thế giới tự nhiên đã có đến hàng tỉ năm kinh nghiệm học hỏi bằng phương pháp thử-và-sai rồi.

Mô phỏng sinh học (Biomimicry), như đúng tên gọi của nó, là phương pháp sáng tạo ra cách giải quyết các thách thức của nhân loại bằng cách mô phỏng các thiết kế và “ý tưởng” có sẵn trong tự nhiên. Nó được ứng dụng trong mọi mặt của đời sống: xây dựng nhà cửa, phương tiện đi lại, và cả các vật liệu mới. Với triển vọng đầy hứa hẹn về khả năng thay đổi thế giới, sẽ rất thú vị khi cùng điểm qua những ví dụ đáng chú ý nhất của Mô phỏng sinh học đã được đưa vào thực tiễn. Dưới đây là bảy trong số những ứng dụng kỹ thuật đáng kinh ngạc nhất lấy cảm hứng từ thiên nhiên.

Nguồn: www.digitaltrends.com

1. TÀU SIÊU TỐC MÔ PHỎNG CHIM BÓI CÁ

1. TÀU SIÊU TỐC MÔ PHỎNG CHIM BÓI CÁ, Phần mỏ của chim bói cá có cấu trúc khí động học tuyệt vời làm giảm sức cản của không khí

Khi các kỹ sư Nhật Bản bắt tay vào nhiệm vụ “khó nhằn” là nâng cấp hệ thống tàu siêu tốc, các mẫu thiết kế của họ đã vấp phải một trở ngại. Vấn đề không nằm ở chỗ nâng tốc độ của tàu lên mức mong muốn, mà là tiếng ồn khủng khiếp gây ra bởi sự dịch chuyển đột ngột của khối không khí nơi mũi tàu. Khi con tàu vừa vào trong đường hầm, nó thường tạo ra một sóng xung kích lớn được gọi là “tiếng bom trong đường hầm”, với năng lượng thậm chí có thể gây hủy hoại cấu trúc của các đường hầm. 

Đội ngũ thiết kế đã xác định “thủ phạm” ở đây là phần chóp mũi có dạng khá tù của con tàu. Để giảm đến tối thiểu tiếng nổ trong đường hầm cũng như tăng cường các đặc tính khí động học tổng thể, họ sẽ cần một mũi tàu ít chịu lực cản hơn. Cuối cùng các kỹ sư đã nảy ra ý tưởng về thiết kế mô phỏng chiếc mỏ của chim bói cá.

, Tàu siêu tốc Nhật Bản đã mô phỏng thiết kế mỏ chim bói cá để đạt tốc độ cao mà không gây tiếng ồn

Chim bói cá sở hữu chiếc mỏ chuyên dụng cho phép chúng lao xuống nước bắt cá mà chỉ làm bắn lên thật ít nước. Với phần mũi được thiết kế kiểu mới, thế hệ tàu siêu tốc sau đó mang tên 500 Series đã đạt vận tốc cao hơn 10%, tiết kiệm 15% điện năng tiêu thụ, và quan trọng nhất là, không gây "tiếng nổ" nữa.

2. TURBINE ĐIỆN GIÓ MÔ PHỎNG VÂY CÁ VOI LƯNG GÙ

2. TURBINE ĐIỆN GIÓ MÔ PHỎNG VÂY CÁ VOI LƯNG GÙ, Vây của cá voi lưng gù có nhiều nốt sần và u cục

Nhiều thiết kế khí động học hiện đại của chúng ta được dựa trên những nguyên lý khá cơ bản: Để đạt được lực nâng tối đa và lực cản tối thiểu, thì các bờ cạnh trơn láng mượt mà và đường nét hài hòa cân đối là những yếu tố then chốt. Thế nhưng trong vương quốc động vật vẫn đầy rẫy những loài sở hữu lực nâng phi thường vượt xa chúng ta. Chẳng hạn như cá voi lưng gù sử dụng những chiếc vây gồ ghề đầy u bướu để tạo lực đẩy – nghe có vẻ hơi trái khoáy.

, Cánh quạt của turbine điện gió mô phỏng vây cá voi lưng gù

Một nhóm nghiên cứu được dẫn đầu bởi các nhà khoa học của Harvard đã xác định được rằng, những nốt sần này giúp cá voi có thể chọn một “góc tới” dốc hơn. Góc tới là góc tạo bởi dòng nước chảy và bề mặt của vây chèo. Với cá voi lưng gù, góc này có thể dốc hơn 40% so với một chiếc vây trơn láng. Nhờ có những gờ nhỏ này mà các lực cản cục bộ sẽ xảy ra ở những điểm khác nhau dọc theo vây cá. Điều đó giúp cho cá voi dễ tránh được lực cản toàn thể có cường độ lớn hơn.  

Các thử nghiệm được tiến hành bởi Học viện Hải quân Mỹ sử dụng các mô hình vây chèo đã xác định những chiếc vây mô phỏng sinh học này làm giảm lực cản của nước tới gần một phần ba và cải thiện lực nâng tổng thể 8%. Công ty Whale Power có trụ sở tại Toronto, Canada đã tận dụng “công nghệ nốt sần” tối tân này. Theo Viện Công nghệ Massachusettes (MIT), những cánh quạt mô phỏng sinh học của Whale Power giúp “tạo ra lượng điện năng trong điều kiện gió 10 dặm một giờ bằng với lượng điện mà turbine truyền thống tạo ra trong điều kiện gió 17 dặm một giờ.”

3. MÀNG KHÁNG KHUẨN MÔ PHỎNG DA CÁ MẬP

3. MÀNG KHÁNG KHUẨN MÔ PHỎNG DA CÁ MẬP, Da cá mập có đặc tính thủy động học và kháng khuẩn rất tốt

Cá mập là một trong những kẻ săn mồi đầu bảng của biển cả. Năng lực đi săn của chúng đã được hoàn thiện qua hàng triệu năm tiến hóa. Mặc dù cá mập vốn nổi danh với khứu giác tinh nhạy và bộ răng mọc lại suốt đời, nhưng các nghiên cứu mới đã chỉ ra lớp da của chúng mới thực sự là công cụ lợi hại nhất của quá trình tiến hóa thích nghi. 

Da cá mập được bao phủ bởi các “răng da” (dermal denticles). Về cơ bản đó là những lớp răng nhỏ linh động mà khi chuyển động có thể tạo ra một vùng áp suất thấp. Những xoáy nước áp suất thấp ở phía trước hai bên thân này sẽ “kéo” cá mập tới trước, đồng thời cũng làm giảm lực cản của nước. Rõ ràng là sẽ có vô số những ứng dụng cho một thiết kế như vậy.

, Đồ bơi mô phỏng da cá mập có thể giúp nâng cao thành tích của các vận động viên

Hãng Speedo đã tích hợp triệt để da cá mập mô phỏng sinh học vào một dòng sản phẩm đồ bơi dùng trong Olympics 2008. Theo thống kê của Smithsonian, 98% số huy chương bơi lội tại Olympics 2008 thuộc về các tay bơi có sử dụng trang phục da cá mập. Kể từ đó công nghệ này đã bị cấm tại các kỳ Thế vận hội.  

Tương tự, trong khi nhiều loài động vật dưới nước khổ sở vì các loài “ăn bám” (như hàu), thì cá mập lại luôn giữ mình tương đối sạch sẽ. Những “răng da” hiển vi kia cũng giúp chúng chống lại các vi sinh vật, từ đó Hải quân Mỹ đã phát triển một loại vật liệu tên là Sharklet, được dựa trên kiểu da cá mập để ngăn chặn các loài sống bám sinh sôi trên vỏ tàu. Cũng dựa trên ý tưởng đó, nhiều bệnh viện đang sử dụng loại màng mô phỏng da cá mập trong cuộc chiến chống lây nhiễm chéo trong bệnh viện.

4. “THU HOẠCH” NƯỚC NHƯ BỌ STENOCARA

4. “THU HOẠCH” NƯỚC NHƯ BỌ STENOCARA, Bọ Stenocara có cơ chế lấy nước độc đáo và cực kỳ hiệu quả

Hiển nhiên khả năng lấy được nước là yếu tố sống còn đối với bất kì sinh vật nào, cũng như toàn bộ sự sống nói chung trên hành tinh này. Trong khi một vài khu vực trên thế giới sở hữu nguồn nước dồi dào, thì những vùng khô hạn hơn phải vật lộn trong khổ sở. Công nghệ lấy ý tưởng từ loài bọ vốn “sống khỏe” tại một trong những nơi khô cằn nhất Trái đất có thể sẽ giúp ích rất nhiều trong thời đại nước sạch khan hiếm hiện nay.

, Một loại vật liệu được mô phỏng theo cơ chế lấy nước của bọ Stenocara

Bọ Stenocara sống tại sa mạc Namib thuộc châu Phi, và đã tiến hóa để làm chủ một mẹo vặt giúp chúng “rút” nước ra khỏi không khí theo đúng nghĩa đen của từ này. Những nốt sần được sắp xếp theo kiểu mẫu đặc biệt dọc trên lưng giúp con bọ giữ được hơi ẩm trong lớp sương mù của buổi sáng sớm. Các hạt nước sau đó sẽ từ các nốt gồ này chảy dọc theo các kênh nhỏ hướng xuống miệng con bọ. Giới khoa học hiện đang nghiên cứu cơ chế này để phát triển các công nghệ mô phỏng sinh học nhằm thu gom nước từ không khí.

5. HẤP THỤ XUNG CHẤN NHƯ CHIM GÕ KIẾN

5. HẤP THỤ XUNG CHẤN NHƯ CHIM GÕ KIẾN, Cấu trúc cơ thể của chim gõ kiến cho phép nó chịu được xung chấn khủng khiếp khi đục vỏ cây

Chim gõ kiến vốn nổi tiếng với khả năng xuyên phá phi thường. Loài vật này dùng mỏ để tìm kiếm côn trùng làm thức ăn cũng như tạo ra chiếc tổ trú ẩn cho mình. Khi miệt mài đục lỗ, chúng phải chịu lực giảm tốc bằng 1200 lần trọng lực Trái đất (1200 G) và gần 22 lần như vậy mỗi giây. Để dễ hình dung, một vụ va chạm xe hơi sẽ gây ra cho hành khách một xung chấn "chỉ" tương đương 120 G. Vậy làm thế nào chim gõ kiến có thể chịu đựng được những cú giật kinh hoàng đó?  

Câu trả lời nằm ở "bộ giảm xóc tự nhiên" của chúng. Bằng những thước phim video và hình ảnh chụp cắt lớp điện toán (CT scan), các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley, đã khám phá ra rằng chim gõ kiến sở hữu các cấu trúc giúp hấp thụ xung chấn cơ học. Đó là chiếc mỏ bán đàn hồi, một vùng xương xốp phía sau hộp sọ, và dịch não tủy; tất cả phối hợp với nhau làm kéo dài thời gian mà lực va chạm tác động và nhờ đó ngăn chặn sự rung lắc tần số cao. Dựa theo thiết kế toàn diện này, nhóm nghiên cứu đang cố gắng tạo ra một loạt các ứng dụng, từ những “hộp đen” máy bay chịu lực tốt hơn, đến các tàu vũ trụ chịu được sự va đập của các vi thiên thạch.

6. NGỤY TRANG NHƯ MỰC VÀ BẠCH TUỘC

6. NGỤY TRANG NHƯ MỰC VÀ BẠCH TUỘC, Mực và bạch tuộc có khả năng thay đổi màu sắc tài tình để ngụy trang

Các loài mực và bạch tuộc, cũng như tất cả các loài thuộc lớp Chân đầu (Cephalopod), có khả năng phát quang sinh học và thay đổi màu sắc da. Khả năng ngụy trang này giúp chúng ẩn mình trước kẻ săn mồi, trong khi phát quang sinh học cho phép chúng giao tiếp với đồng loại và hấp dẫn bạn tình. Những hành vi phức tạp này có được là nhờ một mạng lưới các tế bào da và cơ với cấu tạo đặc biệt.

, Loại vải thay đổi màu sắc được tạo ra nhờ mô phỏng da bạch tuộc

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Houston đã phát triển một thiết bị tương tự có khả năng nhận biết môi trường xung quanh và tự biến đổi mình cho phù hợp chỉ trong vài giây. Nguyên mẫu ban đầu này sử dụng một mạng lưới các điểm ảnh (pixel) linh hoạt, được cấu tạo bởi các bộ truyền động, cảm biến ánh sáng và bộ phản xạ ánh sáng. Khi các cảm biến nhận ra sự thay đổi của môi trường xung quanh, một tín hiệu sẽ được gửi đến diode tương ứng, làm nóng vùng đó và khiến mạng lưới sắc tố phụ thuộc nhiệt độ (thermochromatic) đổi màu. Loại “da” nhân tạo này có thể được ứng dụng cả trong quân sự lẫn thương mại trong tương lai.

7. HỆ THỐNG THÔNG KHÍ MÔ PHỎNG TỔ MỐI

7. HỆ THỐNG THÔNG KHÍ MÔ PHỎNG TỔ MỐI, Cấu trúc bên trong tổ mối có khả năng điều hòa nhiệt độ tuyệt vời

Mô phỏng sinh học không chỉ đơn giản là bắt chước các đặc điểm giải phẫu của động vật, mà đôi khi chúng ta còn có thể lấy cảm hứng từ các cấu trúc mà những loài này xây dựng nên để tạo ra những hệ thống cơ sở hạ tầng tốt hơn cho mình. 

Loài mối thường phải chịu tiếng xấu bởi đặc tính phá hoại nhà cửa. Tuy nhiên chúng cũng cực kỳ nổi tiếng với khả năng tạo ra một trong những hệ thống thông khí làm mát phức tạp và hiệu quả nhất hành tinh. Kể cả ở những vùng khí hậu nóng bức nhất, những ụ mối vẫn duy trì được nhiệt độ mát mẻ đến lạ thường ở bên trong.

, Trung tâm mua sắm Eastgate tại Zimbabwe được thiết kế hệ thống thông khí giống như tổ mối

Sử dụng một mạng lưới tinh vi các khoang khí được tạo ra có chủ ý, tổ mối trở thành một hệ thống thông khí tự nhiên bằng phương pháp đối lưu. Công ty kỹ thuật Arup đã xây dựng hẳn một trung tâm mua sắm tại Zimbabwe dựa trên hệ thống đối lưu tự nhiên này. Hiện tại hệ thống đang tiết kiệm được 10% năng lượng so với một cơ sở được điều hòa không khí theo kiểu truyền thống.