รู้เรื่องสัตว์ ๆ ตอนที่ 38 | Biomimicry สิ่งประดิษฐ์ที่ปิ๊งไอเดียจากสัตว์ #4
วงการวิจัยและพัฒนานวัตกรรมด้านวัสดุศาสตร์มีการศึกษาด้วยหลากหลายสาขาวิชา เพื่อไขความลับจุดแข็งเจ๋ง ๆ ในตัวสัตว์มาประยุกต์ใช้ในการเพิ่มความแข็ง ปรับปรุงและสร้างสรรวัสดุสำหรับอนาคต
และนี่คือตัวอย่างของการคิดค้นที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสัตว์นานาชนิด
🦷ฟันของมด🐜กับการออกแบบเครื่องจักรสำหรับเทคโนโลยีสมาร์ทโฟน🤳
มดเป็นสัตว์ตัวเล็ก ๆ ที่มีความมหัศจรรย์ซ่อนอยู่มากมาย ไม่ว่าจะเป็น ความสามารถในการรับน้ำหนักได้มากถึง 50 เท่าของน้ำหนักตัว การเคลื่อนที่ได้เร็วประมาณ 100 เท่า ของความยาวลำตัวภายใน 1 นาที
แถมยังเป็นต้นแบบความขยันและทีมเวิร์คอันยอดเยี่ยมด้วยและหากมองลงไป (ด้วยกล้องจุลทรรศน์🔬) ที่อวัยวะหนึ่งนั่นก็คือ ‘ฟัน’🦷 ก็จะพบความน่าทึ่งที่ซ่อนอยู่
ฟันของมดแม้จะมีขนาดเล็กกว่าเส้นผมของมนุษย์แต่กลับแข็งแรงมากอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งช่วยในการเฉือน เจาะ กัดกินอาหารหรือซากสัตว์ หรือแม้แต่ขุดอุโมงค์เพื่อทำรังได้
ซึ่งเคล็ดลับความคมของฟันมด รวมถึงแมลงหลายชนิด เช่น แมงมุม หนอน และสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก ๆ นั้นมาจากอนุภาคนาโนของสังกะสีนั่นเอง!
โดย Robert Schofield นักชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโอเรกอน หัวหน้าทีมวิจัยได้เผยผลที่ได้จากได้ศึกษาเกี่ยวกับอาวุธของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังมาอย่างยาวนานว่า
โดยปกติฟันของมด เขี้ยวแมงมุม กรามของหนอน เขี้ยวแมงป่อง ฯลฯ นั้น มักประกอบด้วยแคลเซียมและธาตุเหล็ก แต่สิ่งที่แตกต่างก็คือฟันของสัตว์เล็ก ๆ เหล่านี้ยังมีธาตุโลหะ เช่น สังกะสี และแมงกานีสประกอบอยู่ด้วย
โดยอะตอมของสังกะสีจะเคลือบอยู่ที่ฟันของมด ทำให้ฟันคมมากคล้ายคลึงกับใบมีดที่เคลือบด้วยเพชร โดยอนุภาคขนาดเล็ก ๆ เหล่านี้จะกระจายอย่างทั่วถึงรอบฟันของมดซึ่งไม่เหมือนกับฟันของมนุษย์ที่จะพบเป็นกระจุกและการที่อะตอมของสังกะสีมีระยะห่างเท่าๆ กัน ทำให้ฟันของมดมีความคม ปกป้องฟันและขากรรไกรให้แข็งแรง และรักษาความคมไว้ได้อย่างทนทาน
ทำให้มันสามารถใช้ฟันในการกัดเคี้ยว ฉีก ยก อุ้ม และใช้เป็นอาวุธเพื่อป้องกันตัวเองได้ด้วย และด้วยความคม ทำให้มดไม่จำเป็นต้องออกแรงกัดมาก ซึ่งทีมวิจัยได้คำนวณว่า มด จะใช้แรงกัดเพียง 60% เท่านั้น หากฟันของมดนั้นทำมาจากวัสดุเดียวกันกับฟันมนุษย์
การศึกษาวิธีการทำงานของฟันของแมลง ได้เข้ามามีบทบาทในการออกแบบเครื่องจักรสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเล็กๆ สำหรับเทคโนโลยีอย่างสมาร์ทโฟนได้
นอกจากนี้ทีมวิจัยยังวางแผนการวิจัยต่อยอดว่ามีอนุภาคสังกะสีระดับนาโนที่ฟันนี้อาจไม่ได้มีแค่ในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังเท่านั้น แต่ อาจพบในสัตว์ใหญ่ชนิดต่าง ๆ ด้วย ตั้งแต่จระเข้ หรือแม้แต่ไดโนเสาร์ก็ตาม
https://en.wikipedia.org/wiki/Mandible_%28insect_mouthpart%29
🕷💧แมงมุมน้ำและมดคันไฟ🐜สู่การพัฒนาโลหะลอยน้ำได้
ไปกันต่อกับสัตว์ตัวเล็ก ๆ อย่างมดคันไฟและแมงมุม ซึ่งความลับของสัตว์สองชนิดนี้อาจสามารถต่อยอดสู่ไอเดียแห่งอนาคตอย่างเมืองลอยน้ำได้เลยทีเดียว😲
Chunlei Guo ศาสตร์ตราจารย์ด้านฟิสิกส์และออพติกส์ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ค้นพบว่า แมงมุมน้ำ หรือ แมงมุมระฆังดำน้ำ (Argyroneta aquatic) และมดคันไฟ ความสามารถเก็บกักอากาศไว้ตามขนขาและท้อง รวมทั้งใช้ใยเก็บอากาศไว้ได้ไม่ต่างจากนักประดาน้ำ ทำให้ตัวสามารถลอยตัวในน้ำได้ ซึ่งนำไปสู่การคิดค้นโลหะที่ลอยน้ำได้
แต่ปัจจุบันเราก็สามารถสร้าง 'เรือ' ซึ่งก็เป็นโลหะลอยน้ำได้อยู่แล้ว แต่ความแตกต่างก็คือการที่เรือลอยน้ำได้นั้นไม่ได้มาจากวัสดุที่ใช้แต่เป็นเรื่องของปริมาตร เพราะการที่เรือลอยน้ำได้นั้นมาจากหลักการที่วัตถุชนิดเดียวกันมีมวลเท่ากันแต่ปริมาตรต่างกันความหนาแน่นก็จะต่างกัน
ซึ่งในกรณีของเรือนั้นหากว่าเกิดรอยรั่วขึ้นแล้วมีน้ำเข้าไปแทนมวลอากาศที่อยู่ภายในเรือหรือเรือลำนั้นมีการบรรทุกน้ำหนักที่มากเกินไป ก็จะทำให้เรือจมได้
แต่สำหรับการคิดค้นโลหะลอยน้ำได้นี้ไม่ว่าจะมีรูมากขนาดไหน ตัวโลหะนั้นก็จะไม่จม ไม่น่าเชื่อแต่ก็ต้องเชื่อว่าแรงบันดาลใจจากสัตว์เล็ก ๆ นี้อาจทำให้เราฝ่าวิกฤติด้าน climate change ในอนาคตก็เป็นได้
แมงมุมน้ำ หรือ แมงมุมระฆังดำน้ำ (Argyroneta aquatic) แรงบันดาลใจในการสร้างโลหะลอยน้ำ ที่มา: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Argyroneta_aquatica_Paar.jpg
ปลานอร์ธเทินคลิงฟิชกับการพัฒนาถ้วยดูดให้ยึดเหนี่ยวได้ดีขึ้น🐟🥤
ทีมวิศวกรและนักชีววิทยาทางทะเลได้พัฒนาถ้วยดูด (Suction Cups) ที่มีประสิทธิภาพดีกว่าเดิม โดยได้รับแรงบันดาลใจจากกลไกการยึดเกาะพื้นผิวจากปลาที่ถูกบันทึกในกินเนสบู๊คว่าเป็น “ปลาที่มีแรงดูดมากที่สุดในโลก” และปลาชนิดนั้นก็คือ “ปลานอร์ธเทินคลิงฟิช” (Northern clingfish)
ปลาชนิดนี้ซึ่งเป็นเป็นปลาน้ำเค็มขนาดเล็ก โดยทั่วไปจะมีขนาดตัวราว 7 เซนติเมตร และยาวที่สุดถึง 17 เซนติเมตรเท่านั้น มีถิ่นอาศัยในแถบชายฝั่งแปซิฟิกของแอฟริกาเหนือ
“ปลาคลิงฟิชเหนือ” หรือ “ปลานอร์ธเทินคลิงฟิช” (Gobiesox maeandricus) ที่มา: https://thebiofiles.com/view/9469
ซึ่งความสามารถในการยึดเกาะก็เหนียวแน่นในระดับที่หากมีกระแสน้ำที่รุนแรงพัดหิน เจ้าปลาตัวนี้ก็จะยังสามารถยึดติดกับก้อนหินได้โดยไม่มีทางหลุดอย่างแน่นอน และยังสามารถยึดเกาะได้ดีบนทุกสภาพพื้นผิวอีกด้วย ไม่ว่าจะเป็น พื้นผิวเรียบ ขรุขระ แห้งหรือเปียกก็ไม่หวั่น
ความสามารถในการยึดเกาะอันทรงพลังนี้ เกิดขึ้นจากขนเล็ก ๆ ใต้ลำตัวที่คล้ายกับตีนตุ๊กแก ซึ่งพบได้ตามกระดูกเชิงกรานและครีบอกและนอกจากแผ่นดูดด้านล่างที่มีความยืดหยุ่นสูงและใช้ในการยึดเกาะกับพื้นผิวแล้ว ร่างกายของปลาชนิดนี้ก็ยังมีความยืดหยุ่นสูงด้วยเช่นกันและยังสามารถปรับรูปร่างให้เข้ากับพื้นผิววัตถุต่าง ๆ ได้ตามต้องการอีกด้วย
โดยโครงสร้างใต้ท้องที่เต็มไปด้วยเส้นขนขนาดเล็กจำนวนมาก กินพื้นที่หน้าท้องไปกว่า 25 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเมื่อมีแรงดึงเพื่อดึงตัวปลาชนิดนี้ออกจากพื้นผิวต่าง ๆ จะก่อให้เกิดแรงเสียดทานมหาศาลซึ่งจะยึดติดปลาไว้อย่างเหนียวแน่นนั่นเอง โดยแรงดูดที่เกิดขึ้นมากถึง 80 ถึง 230 เท่าของน้ำหนักตัวเลยทีเดียว😲
จากคุณสมบัติที่กล่าวมาทั้งหมดได้นำมาสู่การพัฒนาถ้วยดูดที่ทรงพลังมากยิ่งขึ้นและยังพัฒนาต่อยอดต่อพื้นผิวสัมผัสของหุ่นยนต์อีกด้วย
https://biodesign.berkeley.edu/2020/03/01/clingfish-biology-inspires-better-suction-cup/
‘การเลื้อยของงู’ 🐍สู่การพัฒนาสีและพื้นผิวที่ทนทานต่อการสึกหรอ
โดยปกติงูมีลักษณะการเลื้อย 4 แบบซึ่งขึ้นกับลักษณะทางกายภาพและถิ่นที่อยู่อาศัย ได้แก่ การเลื้อยแบบลำตัวตรง ส่วนใหญ่จะพบในพวกงูใหญ่ การเลื้อยแบบคดเคี้ยวพบในงูส่วนใหญ่เพื่อเคลื่อนที่ไปบนพื้นหินหรือพื้นที่ไม่สม่ำเสมอ การเลื้อยแบบถีบตัว และการเลื้อยแบบแถกซึ่งมักพบบนพื้นทราย หรือพื้นดินที่นุ่ม ๆ
อย่างไรก็ตามการที่เห็นงูเลื้อยเคลื่อนที่ได้อย่างคล่องแคล่วนั้นส่วนหนึ่งเกี่ยวข้องกับชั้นไขมันใต้ท้องของงูนั่นเอง
ซึ่งจากการวิจัยในงูแคลิฟอเนียร์คิงสเนค (Colifornia Kingsnake) พบว่าผิวหนังของงูถูกปกคลุมด้วยน้ำมันบางๆ ที่ช่วยให้งูเลื้อยบนพื้นผิวที่ขรุขระได้โดยไม่ทำลายเกล็ดตามผิวหนัง
โดยน้ำมันนี้ประกอบด้วยโมเลกุลไขมันที่อัดแน่นจำนวนมากซึ่งการการค้นพบนี้นำมาสู่แรงบันดาลใจให้ให้วิศวกรออกแบบสีและพื้นผิวชนิดใหม่ที่ช่วยลดการสึกหรอของพื้นผิวได้
“ขนนก bluebird” 🐦ต้นแบบของวัสดุทางแสงแบบใหม่
สีในธรรมชาติส่วนใหญ่ไม่ว่าสีผิวของเราหรือสีเขียวของใบไม้ล้วนเกิดจากเม็ดสี แต่สำหรับสีของขนนกที่เราเห็นเป็นสีฟ้าสดใสในนกหลายชนิด เช่น นกบลูเบิร์ด (Bluebirds) และนกบลูเจย์ (Blue Jays) กลับแตกต่างออกไป
โดยสีฟ้าที่เห็นนั้นไม่ได้เกิดจากเม็ดสีในขนแต่ถูกผลิตขึ้นโดยโครงสร้างนาโน ซึ่งภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนโครงสร้างเหล่านี้จะดูเหมือนฟองน้ำที่มีฟองอากาศอยู่ภายใน
ซึ่งเป็นโครงสร้างฟองอากาศจากเคอราทินในชั้นบนของขนนกที่สามารถกระเจิงแสงที่มาตกกระทบ และก่อให้เกิดการหักเหของแสงสีฟ้า จากนั้นด้วยโครงสร้างการจัดเรียงตัวของฟองอากาศเคอราทินที่เหมาะสม การหักเหที่เกิดขึ้นต่อเนื่องส่งผลให้แสงสีฟ้าสะท้อนออกมาสู่ด้านนอกขนนกได้
ในขณะที่แสงสีอื่นยังคงเคลื่อนที่ตามทิศทางเดิมเข้าไปภายในโครงสร้างขนและถูกดูดกลืนโดยชั้นของเมลานินที่มีสีดำ
โดยโครงสร้างที่ทำให้เกิดสีฟ้าในขนนกชนิดนี้ได้กลายเป็นต้นแบบสำหรับการสร้างวัสดุทางแสงแบบใหม่
โครงสร้างนาโนมีลักษณะคล้ายฟองน้ำ ตัวอย่างใน สีน้ำเงินของขนนก Eastern Bluebird เพศผู้ (Photo: Ken Thomas) via. https://phys.org/news/2009-04-bird-feathers-similar-beer-foam.html
“กะโหลกนก” 💀🐔 ต้นแบบของวัสดุหลังคาที่เบาแต่แข็งแรง
Andres Harris สถาปนิกที่ศึกษาเกี่ยวกับกระดูกของสัตว์โดยเฉพาะกะโหลกของนกสังเกตเห็นว่า กะโหลกเป็นโครงสร้างที่แม้จะมีน้ำหนักเบาแต่สามารถทนแรงกระแทกได้ดีทำให้สามารถปกป้องสมองที่เป็นอวัยวะสำคัญที่สุดของร่างกายได้
จากสมรรถนะและคุณสมบัติทางกายภาพของกะโหลกนี้ได้นำไปสู่แรงบันดาลใจในการออกแบบโครงสร้างหรือสถาปัตยกรรมต่าง ๆ ได้ เช่น หลังคาของศูนย์แสดงสินค้าขนาดใหญ่หรือแม้แต่การนำคอนเซปท์ไปประยุกต์ใช้กับรถยนต์ได้
Via. http://biomimicrykth.blogspot.com/2012/05/bird-skulls-inspire-lighter-stronger.html
“เขากวาง” สู่การพัฒนาวัสดุต้นแบบที่ยืดหยุ่นและแข็งแรง
กวางตัวผู้ที่มีอายุตั้งแต่ 1 ปีขึ้นไปจะสร้างเขาและผลัดเขาทุกปีและอัตราการเพิ่มขนาดของเขานับเป็นการเติบโตของกระดูกที่รวดเร็วที่สุดในบรรดาสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
เขากวางเป็นเหมือนอาวุธที่ใช้ในการต่อสู้ซึ่งความน่าทึ่งก็คือนอกจากความแข็งแรงแล้วเขากวางยังมีความยืดหยุ่นอย่างมากซึ่งเป็นการวิวัฒนาการมาเพื่อการต่อสู้ให้สามารถรับแรงกระแทกได้มหาศาลในขณะต่อสู้โดยที่เขาไม่หัก ซึ่งวงการวิศกรรมวัสดุได้นำข้อดีนี้มาศึกษาต่อยอด
โดยพบว่าเขากวางที่ตัดในช่วงที่กวางพร้อมสู้กันซึ่งเป็นช่วงที่เขาต้องมีความแข็งแรงที่สุดมีความชื้นต่ำสุด ซึ่งปกติแล้ววัสดุที่แห้งและแข็งมักจะเปราะและแตกหักง่าย
แต่เขากวางที่แห้งและแข็งกลับมีความแข็งแรงกว่าเขาที่สด (มีความชื้นสูงกว่า) ถึง 2.4 เท่า การค้นพบนี้ช่วยแก้ปัญหาที่เหล่าวิศวกรวัสดุกำลังพิศวงว่าจะพัฒนาอย่างไรให้ได้วัสดุที่ทั้งแข็งและเหนียวโครงสร้างของเขากวางจึงเป็นพื้นฐานของวัสดุอุตสาหกรรมที่แข็งแรงทนทานอย่างเหลือเชื่อ
โดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Queen Mary ณ กรุงลอนดอน ได้ใช้เครื่องสแกนเอ็กซ์เรย์และแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อตรวจสอบโครงสร้างนาโนของกวางเขากวางและพบการจัดเรียงตัวของเส้นใยที่ไม่เหมือนใครโดยส่วนใหญ่จะเป็นการเรียงแบบสับหลีกไม่ได้เรียงไปในทางเดียวกัน
และนี่เป็นความลับของความยืดหยุ่นของเขากวางซึ่งจะนำไปสู่การต่อยอดสร้างแบบจำลองการจัดเรียงเส้นใยเลียนแบบเพื่อสร้างวัสดุที่ทนต่อแรงกระแทกได้
อ้างอิง
- ●
- ●
- ●
- ●
- ●
- ●
- ●
- ●
- ●
- ●
- 2
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
