بیومیمتیک (Biomimetics)

بیومیمتیک یا زیست‌تقلید، تقلید از مدلها، سیستمها و عناصر طبیعت با هدف حل مشکلات پیچیده انسان است ⁽¹⁾. ساختارها و مواد با سازگاری مناسب در موجودات زنده در طول زمان از طریق انتخاب طبیعی تکامل یافته­اند. علم زیست‌تقلید منجر به ایجاد فنآوریهای جدید با الهام از راه حلهای زیستی در اندازه­های کلان و نانو شده است. انسانها برای پاسخ به مشکلات خود به طبیعت نگاه کرده و الهام می­گیرند. طبیعت مشکلات مهندسی مانند تواناییهای ترمیمی، تحمل و مقاومت در محیط زیستهای مختلف، آبگریزی و بهره برداری از انرژی خورشیدی را حل کرده است.

امروزه همه اختراعات بشر را می‌توان به نوعی بهره گرفته از مدلهای زنده دانست. کامپیوترها و روباتهای دستیار که رفته رفته جای انسان را گرفته‌اند با توجه به مطالعه بر روی ساختارهای زیستی ساخته شده‌اند. طراحی هواپیما بر اساس ساختار بدن پرندگان، ساخت زیردریایی از روی ساختار دلفین‌ها و یا ساخت رادارها با توجه به سیستم راداری خفاش‌ها مثالهایی از علم بیوممتیک یا بیونیک (Bionic) می‌باشند ^{(۲ و ۳).}

تاریخچه:

یکی از نمونه­های اولیه زیستت­قلید، مطالعه پرندگان برای ایجاد توانایی پرواز در انسان بود. لئوناردو داوینچی (1452-1519) اگر چه هرگز در اختراع یک “ماشین پرنده” موفق نبود، اما یک ناظر زیرک در بررسی آناتومی و نحوه پرواز پرندگان بود و یادداشتها و طرحهای متعددی از مشاهدات خود و همچنین طرحهایی از “ماشین پرواز” را ساخته بود ⁽³⁾. اولین هواپیما که توسط برادران رایت ساخته شد الهام گرفته از مشاهدات کبوتران در حال پرواز بود ⁽⁴⁾.

علم زیست­ تقلید توسط فیزیکدان و دانشمند آمریکایی بنام اتو اسمیت در دهه­ ی 1950 در حین مطالعه بر روی اعصاب ماهی مرکب ابداع شد^{(۵ و ۶)} و واژه زیست­ تقلید در سال ۱۹۷۴ به لغتنامه راه یافت.

کاربرد های تجاری:

کانیسازی بیومورفیک (Biomorphic mineralization)، تکنیکی است که در آن مواد با شکل و ساختاری شبیه به موجودات زنده طبیعی با استفاده از ساختارهای زیستی (به عنوان الگو)، تولید می­شوند. در مقایسه با روشهای دیگر تولید مواد، کانیسازی بیومورفیک آسان، سازگار با محیط زیست و اقتصادی است ⁽⁷⁾.

فناوری صفحه نمایش (Mirasol) بر اساس خواص بازتابی بال پروانه مورفو توسط شرکت کوالکام در سال 2007 به صورت تجاری وارد بازار گردید. این فناوری با استفاده از تلفیق تداخل امواج (Interferometric Modulation)، نور را به صورتی بازتاب می­کند که تنها یک رنگ دلخواه در هر یک از پیکسل های صفحه نمایش قابل مشاهده باشد ⁽⁸⁾.

کاربردهای احتمالی آینده:

زیست تقلید در آینده در بسیاری از زمینه­ ها مورد استفاده قرار می­گیرد. به دلیل پیچیدگی سیستم های زیستی، تعداد پارامترهای بسیاری ممکن است مورد تقلید قرار گیرند. کاربردهای زیست تقلید در مراحل مختلف توسعه از فنآوری هایی که قادر به تجاری شدن می­باشند تا مدلهای پیش الگو و نمونه ­های اولیه را شامل می­شود ⁽⁹⁾.

به عنوان مثال محققان با الهام از ساختار تپه­ ی موریانه ­های آفریقایی توانستند ساختمانی را طراحی نموده که تنها با استفاده از ده درصد انرژی معمول، فعالیت تهویه و خنک نگهداشتن ساختمان را به درستی انجام دهد.

صدف های دریایی با استفاده از پروتئین های موجود در پاهای رشته مانند خود در هنگام جذر و مد به سنگهای دریا متصل باقی می­مانند. این پروتئین ها دارای ترکیب خاصی از آمینواسیدهای مختلف می­باشند که برای چسبندگی انطباق یافته­ اند. مهندسان با شناسایی و استفاده از این پروتئین ها قادر به تولید چسب ضد آب خواهند شد ⁽¹⁰⁾.

مهندسین همچنین به فکر استفاده از ابریشم تار عنکبوت به منظور طراحی چتر نجات، کابل پل های معلق و رباط مصنوعی با کاربرد پزشکی هستند ⁽¹¹⁾. تحقیقات دیگر مطرح شده شامل تولید و ساخت سلول های خورشیدی الهام گرفته از ساختار برگ، تولید پارچه ­های شبیه­ سازی شده از پوست کوسه و برداشت آب از مه مانند یک سوسک (سوسک سیاه نامیب) می­باشد ⁽¹²⁾.

 رنگ آبی با طراوت و شاداب پروانه مورفو بدلیل رنگ آمیزی ساختاری آن است. بال های پروانه های مورفو دارای میکروساختارهایی هستند که پدیده­ ی رنگی خود را از طریق رنگ آمیزی ساختاری و نه از طریق رنگدانه ها خلق می­کنند. امواج نوری ورودی در طول موجهای خاصی بازتاب می­شوند تا رنگهای شادی را براساس تداخل چند لایه­ ای ایجاد کنند.

منابع:

1. Vincent, Julian F. V.; et al. (22 August 2006). “Biomimetics: its practice and theory”. doi:1098/rsif.2006.0127. Retrieved 7 April 2015.
2. Mary McCarty. “Life of bionics founder a fine adventure”. Dayton Daily News, 29 January 2009.
3. Romei, Francesca (2008). Leonardo Da Vinci. The Oliver Press. p. 56. ISBN978-1-934545-00-3.
4. Howard, Fred (1998). Wilbur and Orville: A Biography of the Wright Brothers. Dober Publications. p. 33. ISBN978-0-486-40297-0.
5. Vincent, Julian F.V.; Bogatyreva, Olga A.; Bogatyrev, Nikolaj R.; Bowyer, Adrian; Pahl, Anja-Karina (21 August 2006). “Biomimetics: its practice and theory”. Journal of The Royal Society Interface. 3 (9): 471–482. doi:1098/rsif.2006.0127. PMC1664643. PMID 16849244.
6. “Otto H. Schmitt, Como People of the Past”. Connie Sullivan, Como History Article.
7. Tong-Xiang, Suk-Kwun, Di Zhang. “Biomorphic Mineralization: From biology to materials.” State Key Lab of Metal Matrix Composites. Shanghai: Shanghai Jiaotong University , n.d. 545-1000.
8. Cathey, Jim (7 January 2010). “Nature Knows Best: What Burrs, Geckos and Termites Teach Us About Design”. Qualcomm. Retrieved 24 August 2015.
9. Bharat Bhushan (15 March 2009) Biomimetics: lessons from nature–an overview http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/367/1893/1445.
10. Seo, Sungbaek; Das, Saurabh; Zalicki, Piotr J.; Mirshafian, Razieh; Eisenbach, Claus D.; Israelachvili, Jacob N.; Waite, J. Herbert; Ahn, B. Kollbe (2015-07-29). “Microphase Behavior and Enhanced Wet-Cohesion of Synthetic Copolyampholytes Inspired by a Mussel Foot Protein”. Journal of the American Chemical Society. 137 (29): 9214–9217. doi:1021/jacs.5b03827. ISSN0002-7863.
11. Benyus, Janine (1997). Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. New York, USA: William Morrow & Company. ISBN978-0-688-16099-9.

Biomimicry Examples — Biomimicry Institute