10 Unglaubliche Fortschritte in der Biomimikry

Biomimetik ist die Wissenschaft, nach der Natur zu suchen, um Antworten auf unsere technologischen Probleme zu finden. Sie verwenden biomimetische Technologien jeden Tag. Der Klettverschluss zum Beispiel wurde erfunden, als George de Mestral bemerkte, wie Grate winzige Haken verwendete, um sich an das Fell seines Hundes zu kleben. Und obwohl Klettverschlüsse zu alltäglich sind, um jeden in den Bann zu ziehen, haben wir in den letzten Jahren genau das gleiche Verfahren verwendet, um Technologien zu entwickeln, die einfach unglaublich sind.

10 UltraCane

In der Natur wird Ultraschall am häufigsten von Fledermäusen verwendet, um Beute zu finden. Die Wissenschaft dahinter ist ziemlich einfach: Sie schießen eine Schallwelle aus und nehmen die Zeit auf, die das Echo braucht, um nach einem Abprall etwas zurückzukehren. Wenn Sie wissen, wie schnell sich die Schallwelle bewegt, können Sie messen, wie weit das Hindernis entfernt ist. Fledermäuse tun das natürlich. Menschen tun das nicht.

Daher suchten Forscher an der University of Leeds in Großbritannien Fledermäuse als Inspiration für den Bau eines Ultraschallrohrs für Blinde. Die Idee war einfach genug, aber was sie nicht vorausgesehen haben, ist die Art, wie das menschliche Gehirn für den neuen Sinn so empfänglich wurde. Der Rohrstock sendet Ultraschallsignale aus, misst die Antwortzeit der Echos und wandelt diese Daten in Schwingungen im Griff des Rohrstockes um. Wenn ein Objekt näher kommt, werden die Vibrationen stärker.

Als der Stock getestet wurde, stellten sie fest, dass die Gehirne der Testpersonen den Input bereitwillig akzeptierten und begannen, eine neue Art von räumlichem Bewusstsein aufzubauen, die ausschließlich auf Vibrationen beruhte, die durch ihre Handflächen hereinkommen. Im Laufe der Zeit hörten sie auf, die Schwingungen bewusst zu fühlen, und bauten sofort eine mentale Karte ihrer Umgebung auf - ihr Verstand schnitt den mittleren Mann für eine effizientere Interpretation der Empfindung aus.

9 Schwarmrobotik

Harvard ist nicht die einzige Forschungsorganisation, die Robotern die Fähigkeit gibt, zu kommunizieren und voneinander zu lernen. Das New Jersey Institute of Technology entwickelt auch einen Schwarm von Robotern mit Hive-Mentalität, und das ist bereits gelungen. Nach dem Verhalten der Kolonisten der Ameisen ist ein Roboter in der Lage, die Entscheidungen der anderen Roboter aufzugreifen und ihrem Verhalten zu folgen - ohne Programmierung.

Die Roboter selbst sehen nicht aus wie Ameisen - eher wie futuristische Eiswürfel -, aber jeder hat zwei Lichtsensoren, die wie die Antennen einer Ameise wirken und eine Spur von Pheromonen aufnehmen. Einzeln blöd können sich die Roboter nur vorwärts bewegen und Licht wahrnehmen. Jeder Roboter wurde von einem Projektor verfolgt, der auf seinem Weg Lichtspuren hinterließ, die wie eine Spur von Breadcrumbs waren. Jedes Mal, wenn ein Roboter über den Pfad eines anderen Roboters stolperte, wurden die Lichter heller.

Zu Beginn des Experiments bewegten sich alle Roboter zufällig und chaotisch. Am Ende konvergierten sie auf einem einzigen Weg zu einem Zug. Wie Ameisen treffen sie keine „Wahl“, wenn sie etwas anderes machen; Es basiert alles auf einem Kernprogramm, das sie auffordert, einem bestimmten Signal zu folgen. Bei Ameisen ist dieses Signal eine Pheromonspur, die andere Ameisen hinterlassen haben. Mit Schwarmrobotern ist es leicht.

8 selbstreinigende Farbe

Nicht alle Fortschritte in der Biomimikry haben mit Robotern zu tun. Tatsächlich tut die Mehrheit nicht; Roboter sind einfach interessanter, um darüber zu sprechen. Eine der interessantesten biomimetischen Erfindungen der letzten Jahre ist eine Farbe, die den Blättern der Lotusblume nachempfunden ist.

Lotusblätter mögen glatt aussehen, aber auf der mikroskopischen Ebene sind sie mit Millionen winziger Spitzen bedeckt. Die Spikes stoßen Schmutz und Wasser ab, indem sie die Oberfläche des Blattwassers minimieren, da es nicht genug Kontakt gibt, um eine Attraktion aufzubauen. Mit diesem Modell entwickelte eine deutsche Firma einen Lack, der außen eine komplexe Mikrostruktur verwendet, um zu verhindern, dass Gegenstände am Lack haften. Unter einem Mikroskop wirkt die getrocknete Farbe wie eine surreale Landschaft, die mit Skulpturen bedeckt ist.

Schmutzpartikel können sich immer noch an den Vorsprüngen verfangen, aber der kleinste Wasserspritzer löst sie aus. Mit anderen Worten ist der Lack im Wesentlichen selbstreinigend. Und wie die Lotusblätter gleitet das Wasser selbst ab. Die NASA nutzt die Lotosidee auch, um eine Beschichtung für Raumanzüge und Rover aufzubauen, um das Trampeln von Bakterien im Weltraum zu verhindern.

7 Vielfältige Kameras

Wenn Sie ein Mikroskop hatten, viel Zeit und eine faule Fliege, könnten Sie alle einzelnen Facetten im Auge einer Stubenfliege zählen. Es gibt ungefähr 28.000 mit jeweils einer eigenen Linse und einem lichtempfindlichen Nerv. Facettenaugen sind eines der Wunder der Natur: Sie lassen Insekten bis zu 180 Grad um sich herum sehen und vermitteln ein Gefühl von Tiefe, von dem Menschen nur träumen können.

Mit dieser Idee bauten Forscher der University of Illinois eine vielseitige Kamera, die aus 180 Objektiven besteht, die jeweils mit einem einzelnen Fotodetektor verbunden sind. Die Anordnung wurde auf einer flexiblen Gummimatte aufgebaut, die dann in eine Halbkugelform gebogen wurde. Die Eingabe aller Objektive wird in einem einzigen Bild zusammengefasst. Sie betrachten also ein normales Bild im Gegensatz zu einer Reihe von Monitoren. Und das Ganze - einschließlich Linsen und Elektronik - hat einen Durchmesser von nur einem Zentimeter.

Das Ziel des Teams ist es, die Kameras zur Luftüberwachung von Roboterdrohnen einzusetzen. Aber selbst eine stationäre Kamera wäre eine deutliche Verbesserung gegenüber aktuellen Kameras. Setzen Sie zwei dieser "Bug-Augen" Rücken an Rücken, und Sie haben eine 360-Grad-Ansicht. Derzeit arbeiten sie an einem neuen Modell, das die Anzahl der Objektive verdoppelt.

6 Haifischhautbeschichtungen

Als Michael Phelps bei den Olympischen Spielen 2004 sechs Goldmedaillen gewann, trug er einen von Speedo entwickelten Badeanzug namens Fastskin. Fastskin ist mit winzigen Unebenheiten bedeckt, die die Haut eines Hais nachahmen. Obwohl die Badeanzüge gleichzeitig verboten und für unwirksam erklärt wurden, ist die Idee, Hai-Haut als Modell für High-Tech-Materialien zu verwenden, noch lange nicht tot.

Die Haut eines Hais ist mit einer Schicht aus überlappenden Teilen, den sogenannten Dentikeln, bedeckt. Sie sehen aus wie mikroskopisch kleine Zähne und zeigen auf den hinteren Teil des Hais. Wenn ein Hai schwimmt, entstehen an den Vorderkanten der Dentikel Mikrowirbel, die den Hai im Wesentlichen nach vorne ziehen und ihn schneller schwimmen lassen. Und aufgrund der Art und Weise, wie sie sich verbiegen, können andere Organismen, wie Algen und Seepocken, nicht daran greifen. Deshalb werden Wale oft mit Seepocken überzogen, Haie jedoch niemals.

Die US-Navy erforscht Anwendungen für die Verwendung von Haihaut-inspirierten Beschichtungen auf der Außenseite ihrer U-Boote, was sie sowohl schneller machen würde als auch verhindern würde, dass sich Muscheln und Seepocken auf den Rümpfen ansammeln. Die jährliche Reinigung beläuft sich auf 50 Millionen US-Dollar Job. Auch Krankenhäuser spielen mit: In den kalifornischen Krankenhäusern wird ein Material namens Sharklet bereits an Türgriffen verwendet, um Krankheitserreger wie E. coli daran zu hindern, Kolonien zu bilden. Der beste Teil ist, da es kein chemisches Repelliermittel ist, können Bakterien keine Resistenzen aufbauen.

5 SCRATCHBot

Die Suche nach neuen Wegen, die Welt zu erfahren, war schon immer in der Tierwelt verwurzelt. Durch den Bau eines Roboters, der wie eine Ratte aussieht und sich verhält, haben die Wissenschaftler der University of Sheffield nach Mitteln gesucht, die der Mensch nie erfahren wird: Schnurrhaare. SCRATCHBot, der einzige Zweck des Roboters, dient als Träger für synthetische Whisker auf dem neuesten Stand der Technik - und ein Gehirn, das die Daten interpretieren und verwenden kann.

Da Ratten meistens nachtaktiv sind, benutzen sie oft ihre Schnurrhaare, um mehr zu navigieren als ihr Sehvermögen. Bei der Erstellung eines Satzes funktioneller Whisker verwendeten die Forscher Glasfaserstäbe, die Hall-Effekt-Sensoren enthielten (Sensoren, die Spannungsunterschiede basierend auf einem Strom und einem Magnetfeld messen). Kleine Magneten in den Whiskern sorgen für das Magnetfeld, und wenn die Whisker gegen etwas streichen, erfassen die Sensoren die Spannungsänderung durch die Bewegung der Magnete. Dadurch kann der SCRATCHBot Objekte durch die Whisker "sehen".

Das „Gehirn“ der Ratte ist ein PC-basiertes neuronales Modell, das Informationen von den Whiskern empfängt, verarbeitet und einen Befehl an die Beine sendet (links abbiegen, rechts abbiegen usw.). Das gesamte Design basiert auf einer unglaublich dummen Ratio - es hat keinen Kortex mit hohem Niveau, kann aber dennoch grundlegende Motorfunktionen ausführen.

4 organische Solarzellen

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen sind eine Art Solarzelle, die eine spezielle Form von Farbstoff verwendet, um Sonnenenergie einzufangen. Wenn Sonnenlicht auf den Farbstoff trifft, reagieren seine Moleküle und produzieren Elektrizität. Diese Solarzellen sind billiger als ihre Gegenstücke aus Silizium, haben jedoch ein Problem: Der Farbstoff neigt nach kurzer Zeit zum Zerfall, wodurch im Wesentlichen ein nutzloses Quadrat aus Kunststoff entsteht.

Der Mechanismus des Farbstoffs unterscheidet sich jedoch nicht wesentlich von dem, was man bei der natürlichen Photosynthese findet, wenn eine Pflanze Sonnenlicht in Energie umwandelt. Daher begannen Forscher an der North Carolina State University nach Zimmerpflanzen zu suchen, um herauszufinden, warum sie anders waren. Das Ergebnis war eine Solarzelle mit einem internen Gefäßsystem, das den Farbstoff durch ein verzweigtes Netzwerk von Adern zyklisch durchläuft. Wenn sich der Farbstoff so weit abgebaut hat, dass er keinen Strom mehr produziert, wird er abgebrochen und durch einen frischen Farbstoffstrom ersetzt, wie eine Pflanze, die ihren Blättern Nährstoffe zuführt.

3 Der T8 SpiderBot

Wenn Spinnen das Zeug zur Entstehung von Albträumen sind, ist der T8 Octopod Robot ein Alptraum mit einem Preisschild. Robotiker versuchen seit Jahren, die Architektur einer Spinne nachzuahmen. Mit acht Beinen erhalten Sie eine beispiellose Stabilität, die sich ideal für Such- und Rettungsroboter in Katastrophengebieten eignet. Während wir bereits andere Versionen von spinnenähnlichen Robotern hatten, war es immer schwierig, einen zu entwickeln, der über genügend interne Kontrolle für alle acht Beine verfügt, um sich gleichzeitig zu bewegen, während er weiterhin die Möglichkeit hat, sich bei Bedarf separat zu bewegen.

Der T8 Octopod Robot verwendet eine einzigartige Bewegungsmaschine, die speziell dafür entwickelt wurde, dieses Hindernis zu überwinden. Es ist ferngesteuert und mit einem einfachen Befehl berechnet der integrierte Prozessor die Flugbahn, die Motorsteuerung und die inverse Kinematik, um die 26 einzelnen Motoren zu koordinieren. Das Ergebnis ist fast auch lebensecht.

2 selbstheilende Schaltungen

In praktisch allen heute hergestellten elektronischen Geräten werden Chips mit integrierten Schaltkreisen verwendet. Trotz ihrer geringen Größe verfügen die meisten Chips über Millionen von Transistoren, die sich über eine Oberfläche erstrecken, die nicht breiter als der Kopf eines Nagels ist. Wenn ein winziges Stück bricht, wird das Ganze unbrauchbar. Aber was wäre, wenn sich Ihr Handy oder Ihr Computer wie ein Immunsystem gegen Infektionen reparieren könnte? Dies könnte in naher Zukunft eine sehr reale Möglichkeit sein.

Ingenieure des California Institute of Technology haben so genannte "unzerstörbare Schaltungen" geschaffen. Um dies zu demonstrieren, steckten sie eine unter das Mikroskop, schmolzen sie mit einem Laser und beobachteten, wie sie weiterarbeiten konnten. Die Chips sind mikroskopisch klein; Es würde ungefähr 75 dauern, um das Gesicht eines Pennys zu bedecken. Neben den für den Hauptzweck des Chips erforderlichen Schaltungen enthält jeder Chip eine Vielzahl von Sensoren und einen integrierten Zentralprozessor, der Schäden erkennt und herausfindet, wie er alles effizient wieder herstellen kann.

Sie haben Dutzende von Chips getestet, die mit der Selbstheilungsfunktion ausgestattet sind. Unabhängig davon, welcher Teil des Chips zerstört wird, findet er immer einen Weg, die Prozesse der Schaltung in weniger als einer Sekunde umzuleiten. Und es ist nicht für bestimmte Bedrohungen wie das Immunsystem des Körpers vorprogrammiert. Es bewertet den Schaden selbst und ermittelt, welche Maßnahmen er ergreifen muss. Jetzt müssen wir nur noch John Connor finden.

1 Parasitäre Hauttransplantate

Es gibt einen Parasiten namens Pomphorhynchus laevis das verwendet Spitzen in seinem Kopf, um ein Loch in den Darm eines Tieres zu reißen, wonach es seinen Kopf nach innen schiebt und seinen Körper aufbläst, um sich an Ort und Stelle zu halten. Es ist diese unwahrscheinliche Monstrosität, die medizinische Forscher dazu inspiriert hat, eine neue Art von Hauttransplantat zu entwickeln. Hauttransplantate sind Hautflecken, die von einem Körperteil in einen anderen transplantiert werden, normalerweise um eine schwere Verbrennung abzudecken.

Bisher wurden Hauttransplantate in der Regel mit Klammern gehalten, die ein hohes Infektionsrisiko bergen. Diese neue biomimetische Hauttransplantation kopiert dagegen fast alles vom furchterregendsten Parasiten, über den Sie heute wahrscheinlich lesen werden. Das Transplantat hat eine Ansammlung von Mikronadeln, die anschwellen, wenn sie Wasser ausgesetzt sind. Die Nadeln dringen ziemlich leicht in die Haut ein, und sobald sie sich darin befinden, stoßen sie wie ein Ballon aus, um das Implantat zu fixieren. Ein weiterer Vorteil gegenüber Heftklammern, bei denen das Gewebe um sie herum reißt, ist die Mikronadel drücken Gewebe zur Seite, anstatt es zu beschädigen.