Trong lĩnh vực nghiên cứu sinh học đang phát triển, trong đó các kỹ sư, nhà nghiên cứu và kiến trúc sư hướng đến thế giới sinh học để tìm câu trả lời cho các vấn đề thiết kế phổ biến, năm 2014 mở ra là một năm phong phú cho những đổi mới trong robot, công nghệ xanh và y học. Các nhà khoa học và kỹ sư đã chính thức công nhận giá trị của việc áp dụng các đặc điểm đã được chọn lọc tiến hóa vào những thách thức thiết kế khó khăn và phát triển một số lượng lớn các công nghệ mới lấy cảm hứng từ các sinh vật sống. Từ những con bạch tuộc robot đến các tế bào năng lượng mặt trời mắt bướm đêm, phép thử sinh học đã định hình cách giải quyết các thách thức kỹ thuật, báo trước một hứa hẹn to lớn cho tương lai của công nghệ.
Tìm đến thiên nhiên để lấy cảm hứng thiết kế không phải là một khái niệm mới. Trong thời kỳ Phục hưng của Ý, nhà phát minh Leonardo da Vinci đã nghiên cứu nhiều loại động vật bay trong nhiệm vụ tạo ra một cỗ máy bay chạy bằng sức người. Lấy cảm hứng từ đôi cánh màng của loài dơi và những chuyển động độc đáo của chúng, Leonardo đã tạo hình cho đôi cánh của “ornithopter” của mình bằng cách sử dụng một khung thông được phủ bằng lụa mịn; các cánh xoắn lại khi chúng vỗ. Mặc dù thiết kế không bao giờ bay, thiết kế của Leonardo rõ ràng là một nỗ lực để bắt chước những kỳ công của tự nhiên mà ông đã quan sát rất kỹ. Tương tự như vậy, kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral đã tìm thấy nguồn cảm hứng vào năm 1941 trong những đường gờ ngoan cường mắc kẹt trong áo khoác đi săn và áo khoác của chú chó của ông. Cơ chế móc nối hiệu quả của gờ cuối cùng đã dẫn đến việc ông tạo ra hệ thống dây buộc móc và vòng được gọi là Velcro.
Phép thử sinh học hiện đại được tạo ra nhờ quá trình tiến hóa - cơ chế mà thiên nhiên sắp xếp và thử nghiệm vô số nguyên mẫu để tìm ra sự thích nghi phù hợp cho một quần thể sinh vật nhất định. Các áp lực có chọn lọc đặt mỗi biến thể vào thử thách cuối cùng: sự sống còn. Nếu một tính trạng không cho phép sinh vật cạnh tranh, khai thác tài nguyên và sinh sản, thì nó sẽ bị loại khỏi quần thể. Với suy nghĩ đó, nhà sinh vật học Janine Benyus đã đặt ra thuật ngữ mô phỏng sinh họcvào năm 1997 vì ý tưởng rằng con người có thể và nên mượn các thiết kế đã được thử nghiệm do thế giới tự nhiên cung cấp. Biomimicry cho phép các kỹ sư và nhà nghiên cứu khai thác những thành công của quá trình tiến hóa và áp dụng chúng để đáp ứng nhu cầu của môi trường con người. Thay vì cố gắng giải quyết các thách thức thiết kế từ đầu, các nhà khoa học có thể nhìn vào kết quả thử nghiệm của tự nhiên để tìm kiếm ý tưởng.
Biomimicry trong Y học.
Phép thử sinh học cho phép một số phát triển hấp dẫn trong lĩnh vực y tế. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở Austin đã xem xét cơ chế nghe của loài ruồi ký sinh Ormia ochracea để phát triển một thiết bị nghe siêu nhạy nhỏ vào năm 2014. Được trang bị tai chuyên biệt, O. ochracea có thể theo dõi âm thanh của loài dế kêu để trau dồi cá thể để ký sinh. Ở người, âm thanh đến một bên tai một chút trước khi chúng đến bên kia, cho phép não bộ phân biệt hướng phát ra âm thanh. Tuy nhiên, tai của ruồi rất nhỏ và rất gần nhau, tuy nhiên, âm thanh đến cả hai tai gần như chính xác cùng một lúc. Để bù lại, màng nhĩ của O. ochraceađược kết nối bởi một cấu trúc tương tự như một teeter-lungter, giúp khuếch đại sự khác biệt nhỏ về thời gian xuất hiện của âm thanh và do đó cho phép côn trùng xác định vị trí chính xác con mồi của nó. Các nhà nghiên cứu đã sao chép cơ chế rung teeter đó để tạo ra một thiết bị nhỏ có thể được sử dụng trong thế hệ máy trợ thính tiếp theo hoặc tạo ra các micrô thích ứng tập trung vào âm thanh hoặc cuộc hội thoại cụ thể.
Ký sinh trùng cũng là nguồn cảm hứng cho các vi phẫu thuật mới được sử dụng để gắn các mảnh ghép da. Tương tự như đầu của Pomphorhynchus laevis , một loài giun ký sinh trong ruột, đầu của những chiếc kim nhỏ bé đó sưng lên khi tiếp xúc với nước. Đặc điểm đó cho phép cả giun và kim dính vào mô mềm với mức độ tổn thương tối thiểu và ít gây chấn thương cho mô khi chúng xẹp xuống và tách khỏi nó. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng những chiếc kim nhỏ đó có thể dễ dàng đảo ngược và chúng cung cấp độ bám dính mạnh hơn gấp ba lần so với kim bấm phẫu thuật thông thường.
Biomimicry cũng được sử dụng để chống lại sự gia tăng của vi khuẩn kháng thuốc trong bệnh viện và các cơ sở y tế khác. Quan sát thấy rằng cá mập ít bị gai và tảo hơn nhiều sinh vật biển khác, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy các kết cấu cực nhỏ trên da cá mập có tác dụng ức chế đáng kể sự phát triển của những sinh vật đó và đáng ngạc nhiên là các vi khuẩn khác nhau gây ra các bệnh nhiễm trùng bệnh viện. Các nhà nghiên cứu đã sao chép những kết cấu đó để tạo ra da cá mập tổng hợp có thể dán lên nhiều loại bề mặt, từ thiết bị y tế đến bàn phím máy tính, nhằm ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn có hại.
Biomimicry trong Robotics.
Phép thử sinh học dẫn đến sự phát triển của một số dạng robot sáng tạo. Vào năm 2014, một nhóm các nhà nghiên cứu người Ý đã bắt đầu quá trình cấp bằng sáng chế cho một robot nhiều người linh hoạt lấy cảm hứng từ những con bạch tuộc. Theo truyền thống, robot bị giới hạn bởi hình dạng góc cạnh và thân cứng, những yếu tố làm giảm chức năng của chúng. Con bạch tuộc robot, có thể bơi và trườn qua các chướng ngại vật, có thân mềm và có sáu cánh tay linh hoạt để cầm nắm và điều khiển các đồ vật. Để bơi, một số phần phụ linh hoạt của nó cung cấp lực đẩy trong khi những phần khác trang bị sự ổn định. Với sự phát triển hơn nữa, những con robot như vậy có thể được sử dụng trong thám hiểm biển sâu và các hoạt động tìm kiếm và cứu nạn.
Tương tự, các kỹ sư tại Đại học Virginia đang chế tạo “Mantabot”, một robot bơi thân mềm lấy cảm hứng từ cá đuối gai độc và cá đuối. Rays là những vận động viên bơi lội mạnh mẽ và có thể lướt đi trong khoảng cách dài để tiết kiệm năng lượng. Mantabot, được trang bị các vây giống như cánh linh hoạt làm bằng silicon và nhựa, được đúc từ một con cá đuối gai độc thực tế. Khả năng bơi lội hiệu quả của nó bắt chước cách bơi của tia thật và có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu biển cho các nhà khoa học hoặc tiến hành giám sát dưới nước cho quân đội.
Biomimicry trong Công nghệ xanh.
Công nghệ xanh cũng được hưởng lợi từ sự gia tăng các ứng dụng biomicry. Vào năm 2014, các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ đã công bố một bài báo công bố một loại pin mặt trời mới được lấy cảm hứng từ đôi mắt của loài bướm đêm trong vườn. Để nhìn vào ban đêm và tránh sự chú ý của những kẻ săn mồi, mắt bướm đêm có khả năng hấp thụ ánh sáng rất hiệu quả. Sử dụng các hạt oxit vonfram được bao phủ bởi oxit sắt, các nhà khoa học có thể bắt chước cách mà mắt bướm đêm hấp thụ gần như tất cả ánh sáng tới và do đó tạo ra pin mặt trời hiệu quả cao. Bằng cách hấp thụ ánh sáng mà các tế bào năng lượng mặt trời khác phản xạ đi, những tế bào năng lượng mặt trời lấy cảm hứng từ loài bướm đêm đó có tiềm năng to lớn để phát triển công nghệ năng lượng mặt trời.
Trong nỗ lực giảm thiểu số lượng đáng kể các loài chim bị giết do va chạm với cửa sổ phản chiếu bầu trời rộng mở, các nhà khoa học đo lường sinh học đã tìm kiếm cảm hứng từ mạng nhện. Tơ nhện có khả năng phản xạ tia cực tím (UV), và mặc dù tính năng đó gần như không thể nhận thấy đối với con người và nhiều loài côn trùng, nó hoạt động như một biện pháp ngăn chặn hiệu quả đối với các loài chim và do đó bảo vệ mạng nhện khỏi bị phá hủy. Các nhà khoa học đã bắt chước đặc điểm đó để tạo ra loại kính an toàn cho chim được nhúng các dải vật liệu phản xạ tia cực tím trong các hoa văn giống như mạng nhện. Với ước tính khoảng 100 triệu đến một tỷ con gia cầm chết mỗi năm ở Hoa Kỳ do va chạm với cửa sổ, khả năng của kính an toàn cho chim giúp giảm đáng kể số ca tử vong do chim như vậy hứa hẹn sẽ là một bước đột phá thân thiện với môi trường.
Với sự đa dạng đáng kinh ngạc của sự sống, các nhà nghiên cứu về biomimicry đã có một nguồn cung cấp sinh vật và khả năng thích nghi dường như vô tận để lấy cảm hứng từ đó. Biomimicry đã dẫn đến một bộ sưu tập tiến bộ công nghệ đáng kinh ngạc, từ những chai nước tự làm đầy bắt chước bọ sa mạc đến sơn tự làm sạch lấy cảm hứng từ lá sen kỵ nước. Giả định rằng nhân loại có thể bảo tồn sự đa dạng sinh học thúc đẩy quá trình thử nghiệm sinh học, lĩnh vực này hứa hẹn sẽ tiếp tục tạo ra các giải pháp sáng tạo. Để tìm ra các đặc điểm, sự tiến hóa đã được kiểm tra nghiêm ngặt qua hàng thiên niên kỷ, phép đo sinh học cho phép các kỹ sư và nhà khoa học “học hỏi từ những người lớn tuổi của chúng ta” và sử dụng những thành công của tự nhiên để cung cấp thông tin về thiết kế và công nghệ.
Melissa Petruzzello
