10 progressi incredibili nella biomimetica

La biomimetica è la scienza del guardare alla natura per le risposte ai nostri problemi tecnologici. Usi le tecnologie biomimetiche ogni giorno. Il velcro, per esempio, fu inventato dopo che George de Mestral notò come le bave usassero piccoli uncini per attaccarsi alla pelliccia del suo cane. E mentre Velcro è troppo comune per far esplodere la mente di qualcuno, negli ultimi anni, abbiamo usato lo stesso identico processo per costruire tecnologie che sono a dir poco incredibili.

10 UltraCane

In natura, l'ultrasuono è più famoso tra i pipistrelli per trovare la preda. La scienza dietro è piuttosto semplice: si spara un'onda sonora e si registra la quantità di tempo necessaria perché l'eco ritorni dopo aver rimbalzato qualcosa. Se sai quanto è veloce l'onda sonora, puoi misurare quanto è lontano l'ostacolo. I pipistrelli lo fanno naturalmente. Gli umani no

Così i ricercatori dell'Università di Leeds nel Regno Unito hanno studiato i pipistrelli per avere l'ispirazione per costruire un bastone ad ultrasuoni per non vedenti. L'idea era abbastanza semplice, ma ciò che non prevedevano era il modo in cui il cervello umano diventava così ricettivo al nuovo senso. La canna funziona inviando segnali ad ultrasuoni, misurando il tempo di risposta degli echi e convertendo i dati in vibrazioni nel manico della canna. Quando un oggetto si avvicina, le vibrazioni diventano più forti.

Quando il bastone fu testato, scoprirono che il cervello dei soggetti del test accettò prontamente l'input e iniziò a costruire un nuovo tipo di consapevolezza spaziale basato esclusivamente sulle vibrazioni che arrivavano attraverso i loro palmi. Nel corso del tempo, hanno smesso di sentire coscientemente le vibrazioni e hanno costruito una mappa mentale istantanea di ciò che li circondava - le loro menti hanno tagliato fuori l'uomo di mezzo in favore di un'interpretazione più efficiente della sensazione.

9 Swarm Robotics

Harvard non è l'unica organizzazione di ricerca intenta a offrire ai robot la capacità di comunicare e imparare gli uni dagli altri. Il New Jersey Institute of Technology sta anche sviluppando uno sciame di robot con una mentalità da alveare, e ci sono già riusciti. Modellato sul comportamento delle formiche da parte delle colonie, un robot è in grado di cogliere le decisioni degli altri robot e seguire il loro comportamento, senza alcuna programmazione.

I robot non somigliano a formiche, più come cubi di ghiaccio futuristici, ma ognuno ha due sensori di luce che agiscono come antenne di una formica raccogliendo una scia di feromoni. Singolarmente stupidi, i robot possono solo andare avanti e percepire la luce. Ogni robot veniva monitorato da un proiettore che lasciava macchie di luce lungo il loro percorso, un po 'come una scia di briciole di pane, e ogni volta che un robot inciampava attraverso il percorso di un altro robot, le luci diventavano più luminose.

All'inizio dell'esperimento, tutti i robot si muovevano in modo casuale e caotico. Alla fine, sono confluiti in un treno seguendo un unico percorso. Come le formiche, non fanno una "scelta" quando fanno qualcosa di diverso; è tutto basato su un programma di base che dice loro di seguire un segnale specifico. Con le formiche, quel segnale è una scia di feromone lasciata da altre formiche. Con i robot sciame, è leggero.

8 Vernice autopulente

Non tutti i progressi nella biomimetica hanno a che fare con i robot. In effetti, la maggioranza no; i robot sono solo più interessanti di cui parlare. Detto questo, una delle più interessanti invenzioni biomimetiche degli ultimi anni è una vernice modellata sulle foglie del fiore di loto.

Le foglie di loto possono sembrare lisce, ma a livello microscopico sono coperte da milioni di piccoli picchi. I picchi respingono lo sporco e l'acqua riducendo al minimo l'area superficiale dell'acqua fogliare appena rotola via perché non c'è abbastanza contatto per costruire un'attrazione. Con questo modello, un'azienda tedesca ha sviluppato una vernice che utilizza una microstruttura complessa all'esterno per evitare che le cose si attacchino alla vernice. Sotto un microscopio, la vernice secca sembra un paesaggio surreale ricoperto di sculture.

Le particelle di sporco possono rimanere intrappolate nelle sporgenze, ma il più piccolo spruzzo d'acqua le rimuoverà. In altre parole, la vernice è essenzialmente autopulente. E come le foglie di loto, l'acqua stessa scivola via. La NASA sta anche usando l'idea del loto per costruire un rivestimento per tute spaziali e rover per impedire ai batteri di fare l'autostop nello spazio.

7 macchine fotografiche sfaccettate

Se avessi un microscopio, un sacco di tempo e una mosca pigra, potresti contare tutti i singoli aspetti nell'occhio di una mosca domestica. Ci sono circa 28.000-ciascuno con la sua lente e il suo nervo sensibile alla luce. Gli occhi composti sono una delle meraviglie della natura: permettono agli insetti di vedere fino a 180 gradi intorno a loro e offrono un senso di profondità che gli esseri umani possono solo sognare.

Usando questa idea, i ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno costruito una fotocamera sfaccettata che consiste di 180 obiettivi, ciascuno collegato a un singolo fotorilevatore. La matrice è stata costruita su un tappetino di gomma flessibile che è stato poi curvato in una forma semisferica. L'input di tutti gli obiettivi è combinato in un'unica immagine, quindi stai guardando un'immagine normale anziché una serie di monitor. E il tutto - lenti ed elettronica incluse - ha un diametro di solo un centimetro (.4 in).

L'obiettivo del team è di utilizzare le telecamere per la sorveglianza aerea sui droni robotici. Ma anche una telecamera fissa sarebbe un enorme miglioramento rispetto alle attuali telecamere. Metti due di questi "bug eyes" all'indietro, e hai una visione a 360 gradi. Attualmente stanno lavorando a un nuovo modello che raddoppia il numero di obiettivi.

6 rivestimenti in pelle di squalo

Quando Michael Phelps ha vinto sei medaglie d'oro nelle Olimpiadi del 2004, indossava un costume da bagno chiamato Fastskin, sviluppato da Speedo. Fastskin è coperto da piccole protuberanze che emulano la pelle di uno squalo. Anche se i costumi da bagno sono stati simultaneamente banditi e dichiarati inefficaci, l'idea di utilizzare la pelle di squalo come modello per materiali hi-tech è tutt'altro che morta.

La pelle di uno squalo è ricoperta da uno strato di pezzi sovrapposti chiamati denticoli. Sembrano denti microscopici e puntano verso la parte posteriore dello squalo. Quando uno squalo nuota, i bordi anteriori dei denticoli creano micro vortici che essenzialmente spingono lo squalo in avanti, permettendogli di nuotare più velocemente. E a causa del modo in cui si flettono, altri organismi - come alghe e cirripedi - non riescono ad afferrarlo. Ecco perché le balene sono spesso trovate incrostate di cirripedi, ma gli squali non lo sono mai.

La US Navy sta studiando applicazioni per utilizzare rivestimenti ispirati alla pelle degli squali all'esterno dei sottomarini, che li renderebbero più veloci e prevengono l'accumulo di cozze e cirripedi sui loro scafi, la cui pulizia è di $ 50 milioni all'anno lavoro. Anche gli ospedali stanno entrando in gioco: un materiale noto come Sharklet viene già utilizzato sulle maniglie delle porte negli ospedali della California per impedire che patogeni come E. coli formino colonie. La parte migliore è che, poiché non è un repellente chimico, non c'è modo per i batteri di costruire una resistenza.

5 SCRATCHBot

La ricerca di nuovi modi di vivere il mondo è sempre stata radicata nel mondo animale. Costruendo un robot che sembra e agisce come un topo, gli scienziati dell'Università di Sheffield hanno approfondito un modo per percepire che gli umani non avranno mai esperienza: i baffi. Soprannominato SCRATCHBot, l'unico scopo del robot è quello di fungere da veicolo per i baffi sintetici allo stato dell'arte - e un cervello che può interpretare i dati e metterli in uso.

Poiché i ratti sono per lo più notturni, usano spesso i loro baffi per navigare più della loro vista. Nel ricreare una serie di baffi funzionali, i ricercatori hanno utilizzato aste in fibra di vetro che contenevano sensori ad effetto Hall (sensori che misurano le differenze di tensione in base a una corrente e un campo magnetico). I piccoli magneti nei baffi forniscono il campo magnetico e quando i baffi sfiorano qualcosa, i sensori catturano il cambiamento di tensione dal movimento dei magneti. Ciò consente a SCRATCHBot di "vedere" gli oggetti attraverso i baffi.

Il "cervello" del ratto è un modello neurale basato su PC che riceve informazioni dai baffi, li elabora e invia un comando alle gambe (girare a sinistra, girare a destra, ecc.). L'intero design è basato su un ratto incredibilmente stupido, non ha corteccia di alto livello, ma può ancora utilizzare le funzioni motorie di base.

4 celle solari organiche

Le celle solari sensibilizzate dai colori sono un tipo di cella solare che utilizza una speciale forma di colorante per catturare l'energia solare. Quando la luce del sole colpisce la tintura, le sue molecole reagiscono e producono elettricità. Queste celle solari sono più economiche delle loro controparti al silicio, ma hanno un problema: il colorante tende a rompersi dopo un breve periodo di tempo, essenzialmente lasciandovi un quadrato di plastica inutile.

Ma il meccanismo del colorante non è molto diverso da quello che si trova nella fotosintesi naturale quando una pianta converte la luce solare in energia. Così i ricercatori della North Carolina State University hanno iniziato a esaminare le piante d'appartamento per vedere cosa li rendeva diversi. Il risultato è stato una cella solare con un sistema vascolare interno che si muove attraverso una rete ramificata di vene. Quando il colorante si degrada al punto che non produce più elettricità, viene espulso e sostituito con un nuovo flusso di tintura, come una pianta che fornisce sostanze nutritive alle sue foglie.

3 Il T8 SpiderBot

Se gli spider sono il materiale da cui nascono gli incubi, il T8 Octopod Robot è un incubo con un cartellino del prezzo. I robotisti hanno cercato per anni di imitare l'architettura di un ragno. Con otto gambe, ottieni un livello di stabilità senza precedenti, perfetto per i robot di ricerca e salvataggio nelle aree disastrate. E mentre abbiamo avuto altre versioni di robot simili a ragni, è sempre stato difficile progettarne una con un controllo interno sufficiente per tutte e otto le gambe per muoversi all'unisono, pur mantenendo la possibilità di spostarsi separatamente quando necessario.

Il robot Octopod T8 utilizza un motore di movimento unico progettato appositamente per superare tale ostacolo. È controllato a distanza e, con un semplice comando, il processore di bordo calcolerà la traiettoria delle gambe, il controllo del motore e la cinematica inversa per coordinare i suoi 26 singoli motori. Il risultato è quasi pure realistico.

2 circuiti auto-curativi

I chip a circuito integrato sono utilizzati praticamente in tutti i dispositivi elettronici creati oggi e, nonostante le loro piccole dimensioni, la maggior parte dei chip ha milioni di transistor sparsi su una superficie non più ampia della testa di un chiodo. Se un piccolo pezzo si rompe, l'intera cosa diventa inutile. Ma cosa succede se il tuo cellulare o il tuo computer potrebbero ripararsi da solo come un sistema immunitario che combatte contro un'infezione? Potrebbe essere una possibilità molto reale nel prossimo futuro.

Gli ingegneri del California Institute of Technology hanno creato ciò che chiamano "circuiti indistruttibili". Per dimostrarlo, ne hanno bloccato uno al microscopio, lo hanno fuso con un laser e lo hanno visto come un modo per continuare a lavorare. I chip sono microscopici; ci vorrebbero circa 75 per coprire il volto di un centesimo. Oltre a tutto il circuito necessario per lo scopo principale del chip, ogni chip contiene anche una varietà di sensori e un processore centrale integrato che rileva i danni e individua il modo più efficiente per rimettere tutto in funzione.

Hanno testato dozzine di chip dotati della capacità di autoriparazione, e indipendentemente da quale parte del chip venga distrutta, trova sempre un modo per reindirizzare i processi del circuito in meno di un secondo. E non è preprogrammato per minacce specifiche, come il sistema immunitario del corpo, valuta il danno da solo e individua le azioni che deve intraprendere. L'unica cosa che rimane da fare è individuare John Connor.

1 innesti di pelle parassitaria

C'è un parassita chiamato il Pomphorhynchus laevis che usa punte nella sua testa per strappare un buco nell'intestino di un animale, dopo di che, spinge la sua testa dentro e si gonfia per mantenersi in posizione. È questa mostruosità improbabile che ha ispirato i ricercatori medici a sviluppare un nuovo tipo di trapianto di pelle. Gli innesti di pelle sono chiazze di pelle che vengono trapiantate da una parte all'altra del corpo, solitamente per coprire una grave ustione.

Fino ad ora, gli innesti cutanei venivano solitamente tenuti in posizione con graffe, che comportano un alto rischio di infezione. Questo nuovo innesto biomimetico della pelle, d'altra parte, copia quasi tutto dal parassita più terrificante di cui è probabile la lettura oggi. L'innesto ha un gruppo di microneedles che si gonfiano quando sono esposti all'acqua. Gli aghi entrano nella pelle abbastanza facilmente, e una volta dentro, sbuffano come un palloncino per mantenere l'innesto in posizione. Un altro vantaggio rispetto alle graffette, che in realtà finiscono per strappare il tessuto intorno a loro, è che i microneedles Spingere tessuto di lato, piuttosto che danneggiarlo.