211service.com
Hur djurhår kan inspirera Cleaner Tech
Din hund luktar och spårar lera genom huset, visst, men är det inte konstigt att Mr. Barks inte är en vandrande bunt av detritus? Och hur är det med de där bitsiga fruktflugorna – borde inte några få dammpartiklar vara allt som krävs för att förstöra deras aerodynamik?
Ett bi har ungefär lika många hårstrån som en ekorre.
Dessa är frågorna som fysiker-biologer David Hu från Georgia Tech och hans doktorand Guillermo Amador från Max Planck Institute ställer. De två nyligen publicerade en recension i Journal of Experimental Biologi och a uppföljningsartikel i Upptäck . Deras forskning är inte bara fascinerande i sig (vänta tills du hör lite om chinchillor och stadsjeepar), den har några geniala konsekvenser för designen av smutskänslig teknik som linser och solpaneler.
Hår verkar som en hygienists mardröm. Det handlar om ytarea - ju mer yta ett föremål har, desto mer utrymme finns det för damm och andra partiklar att samlas. (Mina läsare kanske kommer ihåg att geckos håriga fötter, och deras relativt massiva yta, är det som gör att ödlorna kan hålla sig till jämna släta ytor.)
I detta avseende verkar det som om vi har tur att vi är den hårlösa apan. Men inte ens den hårigaste apan har något på sig Apis (d.v.s. honungsbin) i ren pund-för-pund hårighet. Enligt forskarnas Upptäck artikel:
Vi människor har ca 100 000 hårstrån på vårt huvud . Antalet hårstrån på andra djur är jämförelsevis häpnadsväckande. En fjäril har 100 miljarder hårstrån, mer än 10 gånger så mycket som en bäver. Biet har 3 miljoner hårstrån, samma antal som en ekorre.
När forskarna extrapolerade från hår till yta blir resultaten rent av överraskande:
Vi fann att hår i genomsnitt ökar ett djurs skenbara yta med en faktor hundra. Således har en katt en yta av ett pingisbord. (Detta förklarar varför det [ sic ] så svårt att få husdjur rena.) En chinchilla har samma yta som en SUV. Och en havsutter har ytan som en hockeyrink.
Vad detta betyder är att hygien potentiellt är en enorm energisänka för djur – djur som hellre, i en evolutionär mening, skulle använda den energin för att hitta mat eller hitta kompisar. Det har funnits en stark selektiv kraft som formar djur för att hålla sig rena på ett så effektivt sätt som möjligt. Effektiv rengöring, konstaterar forskarna, handlar lika mycket om att designa en yta som är redo att underlätta [rengöring] som att designa ett bra rengöringsverktyg.
Kruxet: Ett djur blir rent gratis om det har rätt sorts yta. Om vi har detta tänkesätt kanske vi också kan designa nya enheter som blir rena gratis.
De pekar ut solpaneler och biögon. Båda behöver släppa in ljus. Solpaneler producerar inte så mycket ström som de kan varje år på grund av ansamling av damm. När det betraktas genom ett svepelektronmikroskop, ser ett bis öga ut som en nålkudde; för Hu och Amador ser det ut som inspiration:
Föreställ dig solpaneler designade som insektsögon. Tunna filament kan placeras med jämna mellanrum för att suspendera damm ovanför panelen, men ändå tillåta ljus att tränga in. Att rengöra panelen skulle helt enkelt vara att svepa den med en annan borste. Precis som insekterna kunde panelen bli ren utan användning av vatten eller kemikalier. På samma sätt kan videokameror, ögonen på robotar vara kantade med ögonfransar för att minska avlagringen. Att bygga syntetiska håriga system är föremål för vårt National Science Foundation-anslag, Engineering Insect Eyes .
Att låna idéer från naturen är en stolt tradition inom teknik. Och varför inte? Naturligt urval har format organismer i minst 3,5 miljarder år. När dess mål och våra egna stämmer överens, som de gjorde med burrar från kardborreväxten och den schweiziska ingenjören George de Mestrals gemensamma önskan att fästa ett föremål till ett annat, uppfinningar föds .
De andra naturliga applikationerna av hår sträcker sig långt bortom damm - nålkuddar i nanoskala på cikadornas vingar är så små och vassa att de faktiskt poppar upp bakterier som vattenballonger. Havsutterpäls är extremt tät, stöter bort vatten och ger utmärkt isolering. Morrhåren hos katter och gnagare är utsökta sensoriska enheter. Lång kort, lin eller vax , hår är onekligen ett främsta mål för biomimik.
Avslutningsvis utmanar Hu och Amador iFutures regerande paradigm och erbjuder istället en mycket mer kär vision av en teknoutopi:
Vi föreställer oss vanligtvis framtida robotar täckta av släta blanka ytor, som en kromputsad bil. Men i naturen är släta ytor knappast normen. Framtida bordsskivor kan ha stolpar i nanostorlek som sträcker ut och dödar bakterier vid kontakt. Robotrovers kan vara täckta med hårstrån som känner av deras miljöer, suspenderar partiklar och möjliggör enkel rengöring. Faktum är att framtiden kan se ganska hårig ut.