طبیعت الهام‌بخش فناوری‌های آینده

اینجا صحرای سوزان نامیبیا در جنوب غرب آفریقاست. در صبح هنگام مه بتدریج منطقه وسیعی از این صحرای شنی را می‌پوشاند. در گوشه‌ای از این صحرا یک سوسک نامیبیایی در حال حمل قلوه سنگ کوچکی است. با وزش باد ملایم سوسک بال‌های خود را باز می‌کند و این درحالی است که مه بتدریج غلیظ‌تر می‌شود. در نتیجه قطرات کوچک آب روی بال‌هایش نمایان می‌شود و طولی نمی‌کشد که سوسک با مهارتی خاص همان چند قطره را راهی دهانش می‌کند. همین چند قطره در این صحرای سوزان برای سوسک حکم مایع نجات را دارد، چون سوسک در طول روز جز گرمای سوزان ناشی از تابش آفتاب هیچ چیز به دست نمی‌آورد.

در جریان شکل‌گیری مه در صحراهایی از این دست قطرات آبی که روی سطوح شکل می‌گیرند تنها 25 هزارم میلی‌متر قطر دارند که براحتی با جریان ملایم باد در هوا جابه‌جا می‌شوند. اما سوسک نامیبیایی از مهارت غریزی خاصی در جذب این ریز قطرات برخوردار بوده به طوری‌که آب مورد نیاز بدن خود را از این راه تأمین می‌کند. همه توانایی سوسک در استفاده از این آب به غلافی باز می‌گردد که بدن حشره را می‌پوشاند و دانشمندان زیادی نیز به دنبال کشف رازهای متنوع سوسک در زنده ماندن در چنین شرایط سخت آب و هوایی هستند. دکتر اندرو پارکر، جانور‌شناسی است که سال‌ها در دانشگاه آکسفورد مشغول مطالعه توانایی حیوانات در تطبیق دادن خود با شرایط سخت محیطی بوده است. وی می‌گوید: ابزاری که سوسک نامیبیایی مورد استفاده قرار می‌دهد، حقیقتا زیبا و استثنایی است. قطرات بزرگ‌ آب بتدریج روی سطح ناهموار بدنش شکل گرفته و او می‌تواند از آنها استفاده کند. در حقیقت بدن سوسک مجموعه‌ای پیچیده و خارق‌العاده از سطوح ناهموار و برخی کانال کشی‌های هنرمندانه است که حرکت قطرات ریز آب روی آنها تداعی‌کننده جریان یافتن روی بدنه خودرو هنگام بارش باران است و البته بهترین نکته این است که انسان می‌تواند از این فرآیند تقلید کند.

دکتر پارکر، بتازگی به تحقیقاتی در زمینه تقلید از ساختار پیچیده سطح خارجی بدن این سوسک دست زده تا از آن برای کمک به انسان‌ها استفاده کند. وی برای این کار سراغ مواد ترکیبی رفته و امیدوار است با الهام گرفتن از همان اصولی که در بدن سوسک دیده می‌شود برای طراحی و ساخت سطوح خودکار تمیزشو و از همه مهم‌تر کمک به مقابله با کم آبی در خشک‌ترین کشورهای جهان کارهای متفاوتی انجام دهد. وی می‌گوید: اکنون در مرحله‌ای قرار داریم که می‌توانیم براحتی از این ویژگی‌ها استفاده کرده و با آن از موادی که از خاصیت آنها اطلاع قابل توجهی داریم ساختارهای مورد نظر را ارائه کنیم. با این حال حتی این فکر را به ذهن هم راه نمی‌دهیم که بدون در نظر گرفتن طبیعت و دانش زیست‌شناسی گام‌های استواری به جلو برداریم.

طبیعت، منبع گسترده‌ای از ایده‌هاست و دکتر پارکر تنها کسی نیست که این ظرفیت عظیم را درک کرده است. در دنیای جذاب تقلید از طبیعت طیف گسترده‌ای از مهندسان، زیست‌شناسان و شیمیدان‌ها در حال به‌کارگیری دانش توسعه یافته خود از طبیعت برای ارائه ابتکاراتی نوین و به دنبال آن فناوری‌های برتر هستند.

پروفسور جورج جرونیمیدیس، مدیر یک مرکز زیستی در دانشگاه ردینگ می‌گوید: تقلید از ساختارهای زیستی در حقیقت جستجو در زیست‌شناسی برای یافتن راه حل‌های فنی است. این فرآیند را می‌توان به نوعی ربودن طرح‌های عالی از طبیعت دانست، طرح‌هایی که می‌توان از آنها جهت پیدا کردن پاسخ‌های مناسب برای برخی از بزرگ‌ترین مشکلاتی عنوان کرد که بشر با آنها روبه‌روست.

اندرو پارکر بتازگی به الهام‌گیری در این زمینه پرداخته است. وی از چشمان نوعی مگس الهام گرفته تا نوعی ماده جاذب نور تولید کند تا از آن بتوان برای طراحی نسل جدیدی از صفحات خورشیدی با بازدهی قابل توجهی استفاده کرد. در نقطه دیگری از جهان روش منحصربه‌فردی برای برقراری ارتباطات زیر آبی ارائه می‌شود که از روی دلفین‌ها و نحوه برقراری رابطه میان آنها الگوبرداری شده است. این سیستم نوین برای اعلام هشدار بموقع درخصوص وقوع سونامی‌های احتمالی طراحی شده است. دستاورد جالب توجه دیگر به الهام گرفتن از پای نوعی مارمولک موسوم به جکو مربوط می‌شود. ساختار نانویی مویی‌شکل این پاها دانشمندان را به وجد آورده است به‌طوری‌که به تقلید از آن پرداخته و ربات‌های بالارونده از سطوح را طراحی کرده‌اند. تولید نوعی چسب تجزیه‌پذیر برای استفاده در امور پزشکی نیز از جمله فناوری‌هایی است که با تقلید از ساختار پای این حیوان صورت گرفته است. با این نوع کپی‌برداری از دنیای پرندگان دانشمندان توانسته‌اند از توانایی نوعی پرنده تند و سریع که می‌تواند در کسری از ثانیه شکل بال‌های خود را تغییر داده و سرعت بیشتری پیدا کند برای طراحی هواپیماهای سریع‌تر و کم سر و صداتر استفاده کنند. آنها حتی روی حشرات نیز متمرکز شده‌اند. این داستان آنقدر طولانی است که نمی‌توان پایانی برای آن متصور شد. کرم‌های درخشانی وجود دارند که تقریبا بدون از دست دادن انرژی، از خود نور منتشر می‌کنند. سوسک‌هایی نیز شناخته شده‌اند که مواد شیمیایی بسیار داغ و در حال جوشش را به سوی شکارچیان‌شان پرتاب می‌کنند و...

الهام گرفتن از طبیعت برای ارائه فناوری‌های نوین ایده چندان جدیدی نیست. لئوناردو داوینچی هواپیماهای اولیه‌ای را طراحی می‌کرد که بال پرندگان منبع اصلی ایده‌هایش بودند. اما در آن دوران دانش بشر به پیشرفت قابل توجهی برای عملی ساختن این ایده‌ها دست نیافته بود. در حقیقت می‌توان قابلیت‌های فنی را کلید اصلی باز کردن این قفل دانست. از این رو می‌توان گفت در عصر حاضر و با توجه به پیشرفت‌های چشمگیر در زمینه فناوری‌های نوین، کپی‌برداری از طبیعت برای حل مشکلات مختلف بشر کار ناممکنی نیست. به لطف توسعه فناوری نانو و ابداع فناوری‌های دیگری نظیر میکروسکوپ‌های اتمی و الکترونی، رازهای نهفته در طبیعت یک به یک برملا می‌شوند. به عقیده جرونیمیدیس بشر در سال‌های اخیر به پیشرفت‌های مهمی در زمینه علم اندازه‌گیری دست یافته که این موفقیت‌ها به او امکان می‌دهد تا تجزیه و تحلیل زیست‌شناسی در پیچیده‌ترین و حساس‌ترین سطوح نیز عملی شود. ابزار و امکاناتی که هم‌اکنون وجود دارند، فرصت مناسبی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد تا به درک بهتر و رمزگشایی از ویژگی‌های غیرعادی نهفته در طبیعت بپردازند.

البته درک این ویژگی‌های غیرعادی یک چیز است و تقلید از آن چیزی دیگر. اگر نگاهی کامل به جزئیات طبیعت داشته باشیم، متوجه می‌شویم ملکول به ملکول حساس‌ترین بافت‌ها و عناصر سازنده در کنار هم قرار گرفته و میان آنها پیچیده‌ترین روابط برقرار شده است تا در نهایت ساختاری منحصربه‌فرد ارائه شود. البته دانشمندان در سال‌های گذشته به موفقیت‌هایی نیز در این زمینه دست یافته‌اند. عمده این موفقیت‌ها به تقلید هنرمندانه و فناورانه از اشکال موجود در طبیعت باز می‌گردد.

شاه ماهی و ماهی جعبه‌ای از جمله حیوانات آبزی هستند که دانشمندان از آنها برای طراحی خودروهای آیرودینامیک‌ الهام گرفته‌اند. این خودروها با بازدهی به مراتب بهتر مصرف سوخت و با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند. اما این نوع تقلید را باید ساده‌ترین مورد در نوع خود دانست. زمانی که صحبت از موتورهای نانویی می‌شود، قضیه بسیار پیچیده‌تر می‌شود.

تجزیه و تحلیل فرآیند جمع‌آوری ریزقطرات آب توسط سوسک نامیبیایی نشان از پیچیدگی ماجرا دارد. رابرت کوهن از مهندسان شیمی دانشگاه MIT برای تولید ماده ترکیبی مشابه ساختار بال این سوسک ابتدا از لایه‌های مختلفی از پلیمر باردار جهت ساخت ورقه‌های شیشه‌ای جاذب استفاده کرد. وی در ادامه نانوذرات سیلیکا را به این مجموعه اضافه کرد تا بافت مناسبی برای به دام انداختن ریز قطرات آب ارائه کند. این سطح با ماده تفلون شکل و ضد آبی پوشیده می‌شود. البته پس از آن کل مجموعه با لایه جاذب آبی پوشیده می‌شود که در برگیرنده ملکول‌های پلیمری باردار است.

نتیجه کار در نوع خود هیجان‌انگیز است. سطح به دست آمده قابلیت جذب و هدایت آب به مسیر مورد نظر را دارد.

کوهن می‌گوید: می‌توان از تکنیک‌های چاپ جوهری برای ترسیم هر نوع الگویی جهت هدایت آب استفاده کرد. او هم‌اکنون در حال ارائه فناوری جدیدی در قالب ماده‌ای است که بر این اساس تولید شده و در عین حال ویژگی مهمی همچون مه شکنندگی داشته باشد. او این فناوری نوین را برای باند فرودگاه‌ها ارائه می‌کند. کوهن با هیجان می‌گوید: هر چه به جلوتر گام برمی‌داریم با قابلیت‌های جدیدی از این فناوری نوین روبه‌رو می‌شویم که تاکنون فکرش را هم نمی‌کردیم.

برخی از ابتکاراتی که دانشمندان فکر می‌کنند می‌توانند با الهام گرفتن از طبیعت انجام دهند در نوع خود چالش برانگیز هستند زیرا در تمامی موارد نمی‌توان از پیچیدگی نهفته در ساختار ملکولی طبیعت تقلید کرد. به عنوان مثال حلزون دریایی پوسته خود را از کربنات کلسیم که قائدتا نباید چندان سفت و سخت باشد، تهیه می‌کند، اما با دستکاری برخی پروتئین‌ها و افزودن آنها به هزاران لایه نامنظم از تکه‌های کربنات کلسیم، پوسته مستحکم خود را می‌سازد. این تکه‌ها به وسیله چسب پروتئینی باردار مثبتی به یکدیگر متصل شده‌اند.

ارتش آمریکا و چند کشور دیگر می‌خواهند براین مبنا سپرهای محافظتی تولید کنند اما حتی محققانی که در این زمینه پیشگام بوده‌اند نیز دستاوردی در این زمینه نداشته‌اند.

داستان تارعنکبوت از این هم پیچیده‌تر و چالش برانگیزتر است. تار عنکبوت ماده کشسان طبیعی است که در مقایسه با فولاد نیز قدرت کشش بیشتری دارد. فیبر سبک، قابل انعطاف و بسیار مستحکمی که مبتنی بر این تارها ساخته شود، می‌تواند انبوهی از صنایع را از تولید تجهیزات پزشکی گرفته تا ادوات نظامی با دگرگونی همراه کند. از این رو جای هیچ‌گونه تعجبی ندارد که بسیاری از شرکت‌های متخصص در علم فناوری زیستی، سرمایه‌گذاری کلانی در این زمینه کرده‌اند.

پروفسور دیوید نایت از دانشگاه آکسفورد ریاست یکی از این شرکت‌ها را به عهده دارد. محققان این شرکت هم‌اکنون در حال ارائه فناوری نوینی هستند که طی آن از ترکیب مواد خام و شکم عنکبوت محلولی تهیه می‌شود که به التیام سریع زخم‌ها، بهبود رباط پاره شده و حتی ترمیم رشته‌های عصبی آسیب دیده کمک می‌کند. او می‌گوید: تار عنکبوت ویژگی‌های مثبت بسیار زیادی دارد و البته فاصله چندان زیادی تا تقلید از این ویژگی‌ها و کاربردی کردنشان نداریم.* برخی محققان نیز دست به ابتکار عمل جالبی در این زمینه زده‌اند و با مهندسی نوعی باکتری، پروتئین‌هایی برای ارائه تارهای ابریشمی شکل تولید می‌کنند.

مهندسی: حیوانات در طول تاریخ تکامل یافته‌اند و بشر اکنون می‌تواند از آنها برای ارائه فناوری‌های نوین استفاده کند. استفاده از شکل خاص برخی از این حیوانات همواره مورد نظر مهندسان بوده است. بتازگی یکی از شرکت‌های خودروساز که آوازه‌ای طولانی نیز دارد، با الهام گرفتن از شکل آیرودینامیکی نوعی ماهی موسوم به Boxfish خودروی سرعتی طراحی کرده است که بسیاری از مرزهای تعریف شده در علم آیرودینامیک و تلفیق آن با صنعت خودروسازی را در هم شکسته است. پوزه این ماهی به آن امکان می‌دهد تا با کمترین سر و صدا و بر هم زدن سطح آب در آن شیرجه بزند. دقیقا از همین ویژگی در طراحی قسمت جلوی خودرو استفاده شده است تا محصولی با سر و صدای به مراتب کمتر به دست آید. گروهی از محققان در دانشگاه بریستول نیز با الهام گرفتن از طبیعت ماده‌ای ترکیبی تولید می‌کنند که ویژگی اصلی آن ترمیم خودکار است. مهم‌ترین موارد استفاده از این ماده در بدنه هواپیماها و فضاپیماها خواهد بود.

رباتیک: الهام گرفتن از طبیعت، دانشمندان علم رباتیک را به مرحله‌ای رسانده که می‌توانند سیستم‌های رباتیکی با قابلیت‌های چندگانه طراحی و تولید کنند. محققان دانشگاه نورت استرن در ماساچوست آمریکا بتازگی سیستم رباتیکی زیرآبی طراحی کرده‌اند که به حسگرهای مین‌یاب مجهز بوده که می‌توان از آن در امور نظامی استفاده کرد. این روبات با الهام گرفتن از سیستم عصبی نوعی خرچنگ ارائه شده است. فرانک کینر، مهندس آلمانی ربات عقرب شکلی ساخته است که می‌تواند از صخره‌های صعب‌العبور به پایین یا بالا حرکت کند. ناسا امیدوار است با تکمیل این فناوری از آن در اکتشافات سیاره‌ای خود استفاده کند.

معماری: معماران شناخته شده جهان از طبیعت برای ارائه طرح‌های مهندسی و معماری خود استفاده می‌کنند. در حقیقت بسیاری از بناهای جدیدی که مهم‌ترین ویژگی آنها دوستدار طبیعت بودن است، با الهام گرفتن از طبیعت و ساختارهای نهفته در آن ارائه می‌شود. ساختمان انستیتو جهان عرب در پاریس از جمله این بناهاست. در قسمت رخ بنا که نمای اصلی آن محسوب می‌شود، شکاف‌هایی تعبیه شده است که به‌طور مکانیکی و براساس نور محیط باز و بسته می‌شوند. به این ترتیب، نوری که به داخل بنا راه پیدا می‌کند، کاملا تحت کنترل قرار می‌گیرد.

محیط زیست: پروژه‌های زیست محیطی که در سال‌های اخیر ارائه شده اند نیز از این قائده مستثنا نبوده‌اند. در حقیقت سازندگان آنها به این نتیجه رسیده‌اند که طبیعت بهترین الگو برای حفظ همه جانبه محیط‌زیست است. گروهی از محققان در دانشگاه چستر انگلیس از ساختار باله وال برای طراحی نسل جدیدی از توربین‌ها الهام گرفته‌اند که در مقایسه با بسیاری از مدل‌های پیشرفته تا 20 درصد انرژی کمتری در تولید برق مصرف می‌کنند. این ایده، دانشمندان را امیدوار کرده است تا در آینده تحولی نوین در دانش ساخت توربین‌ها روی دهد.

پزشکی: از داروهای التیام بخش گرفته تا سیستم‌های انتقال دارو در بدن، طبیعت راه خود را به پزشکی نوین نیز پیدا کرده است. محققان در ژاپن روی طراحی نسل جدیدی از سوزن‌های پزشکی کار می‌کنند که تقریبا هنگام وارد شدن به پوست، دردی ندارند. این سوزن‌ها با الهام گرفتن از نیش نوعی پشه ساخته می‌شود.

یکی از شرکت‌های خودروساز که آوازه‌ای طولانی نیز دارد، با الهام گرفتن از شکل آیرودینامیکی نوعی ماهی موسوم به Boxfish خودروی سرعتی طراحی کرده است که بسیاری از مرزهای تعریف شده در علم آیرودینامیک و تلفیق آن با صنعت خودروسازی را در هم شکسته است. پوزه این ماهی به آن امکان می‌دهد تا با کمترین سر و صدا و بر هم زدن سطح آب در آن شیرجه بزند. دقیقا از همین ویژگی در طراحی قسمت جلوی خودرو استفاده شده است تا محصولی با سر و صدای به مراتب کمتر به دست آید.