تقنية

ما هي المحاكاة الحيوية؟ وما هي أهم تطبيقاتها؟

ما هي المحاكاة الحيوية؟ وما هي أهم تطبيقاتها؟ تعرف :«المحاكاة الحيوية-Biomimetics» بأنها عملية محاكاة «النماذج-models» والأنظمة وعناصر الطبيعة بقصد استخدامها في حل بعض المشاكل المعقدة التي تواجه البشرية وهو علم حديث النشأة. اُشتقت كلمة «Biomimetics» من الكلمة اليونانية «βίος» وتعني الحياة و «μίμησις»و تعني المحاكاة أو التقليد.

محتويات المقال :

ما هي أهم المحطات الرئيسية والبدايات في تاريخ علم المحاكاة الحيوية؟

مع مطلع القرن العشرين، استلهم البشر العديد من التقنيات من الكائنات الحية وفي فيما يلي أهم تلك التقنيات:

1903 أول نموذج طيران: نجاح نموذج «الأخوين رايت-Orville and Wilbur Wright’s» في الطيران لأقل من دقيقة، حيث كانت آلية التحكم بالجناح مستوحاة من الطريقة التي تستخدم فيها الطيور تيارات الهواء لتكسب قوة دفع وتغيير الاتجاه.

1969 البداية: استخدم عالم الفيزياء الحيوية «أوتو شميت-otto Schmitt» مصطلح «المحاكاة الحيوية-biomimicry» لأول مرة.

1986 تطوير المركبات الفضائية: اختبرت وكالة ناسا وشركة «3M» الأمريكية تكنولوجيا مستوحاة من الأخاديد الموجودة في جلد سمكة القرش، عبارة عن أسنان صغيرة تُربط مع الغلاف الخارجي للمركبة الفضائية بمادة لاصقة لتقليل قوة الإعاقة للهواء وتجعل من المحرك النفاث أفضل من حيث الحركة الهوائية.

1997 الكتاب الأهم للمحاكاة الحيوية: ألفت الكاتبة والعالمة «جانين بينيوس- Janine Benyus» كتابها «Biomimicry: Innovation Inspired by Nature»، وهي الآن تعتبر المبشرة الأهم بعلم المحاكاة الحيوية.

2012 عبوات مائية: أنتجت جامعة بوسطن عبوات ماء مستوحاة من خنفس صحراء ناميب الذي يسحب الماء عن طريق جمع الماء المتكاثف بواسطة المضخات المكروسكوبية الموجودة في الجزء الخلفي من جسمه، بالتالي تجمع هذه العبوات الرطوبة الجويّة وتقوم بتخزين حتى 3 ليترات من الماء القابل للشرب كل ساعة.

2014 ابتكار بطارية تخزين: صمم علماء ومهندسين من جامعة هارفارد بطارية من جزيئات ذات أساس كربوني متوفرة في الطبيعة تدعى«الكينونات-quinone»، مشابهة لتلك التي تخزن الطاقة في النباتات والحيوانات.

أهم التطبيقات التقنية والهندسية المستوحاة من الكائنات الحية

على الرغم من البراعة المذهلة والقدرة الهندسية التي أظهرها البشر على مدى آلاف السنين الماضية ، فإننا نبحث باستمرار عن إلهام جديد وطرق لتحسين تصميماتنا ونمط حياتنا. ليس غريبًا أن يتخذ البشرمن الطبيعة مرجع لهم نظرًا لأن الكائنات الحية مرت بمراحل التطور خلال ملايين السنين حتى وقتنا الحاضر لذا فمن المنطقي أن يصمم البشر تقنياتهم اعتمادًا على تصميم الكائنات الحية وفيما يلي أبرز تلك التقنيات:

1 – بدلة السباحة المستلهمة من جلد سمكة القرش: استخدمت في الأولمبياد الصيفية لعام 2008 حيث ارتداها السباح مايكل فيليبس، وتظهر تحت المجهرمؤلفة من عدد لا نهائي من الأسنان الصغيرة التي تتحرك محاذية لاتجاه جريان الماء مما يسهل عملية السباحة.

2– بدلة غوص مستوحاة من جلد السمور: يتألف جلد السمور من طبقة كثيفة من الدهن تجعله دافئًا أثناء الغوص والسباحة، وأيضا ً يمتلك فرو كثيف يحصر الجيوب الهوائية الدافئة بين الطبقات مما يجعله جافًّا، وقد صمّم المهندسون بمهعد ماساتشوستس للتكنولوجيا جلود مطاطية تشبه الفرو ويمكن استخدامها مثلا ً في بذلات الغوص.

3- لاصق «فيلكرو-Velcro»: المستخدم في الأحذية والذي استوحاه المهندس السويسر «جورج دي ميسترال-George de Mestral» من «القشوروالشوك-burrs» الموجودة في جلد الكلب.

4-عنفات مستوحاة من الحيتان : اكتشف العلماء في جامعة دوك في أميركا أن النتوءات الموجودة في الحافة الأمامية لزعنفة الحوت تقلل حوالي 32 بالمائة من قوة الإعاقة وتزيد من قوة الرفع 8 بالمائة، وتقوم الشركات حاليًّا بتطبيق هذه الفكرة على شفرات عنفات الرياح ومراوح التبريد وأجنحة الطائرات.

5- أشكال الطائرت المستوحاة من شكل أسراب الطيور: يزيد التشكيل على شكل حرف V لأسراب الطيور من القدرة على الطيران بمقدار 70 بالمائة، عندما يقوم أحد الطيور بخفق جناحيه، تنشأ قوة رفع صغيرة ترفعه للخلف وعندما يمر كل طائر يضيف طاقته إلى السرب مساعدًا باقي الطيور على البقاء في حالة الطيران. فكر علماء من جامعة ستانفورد باستخدام هذا التكتيك عند التقاء طائرات الساحل الغربي للولايات المتحدة مع الساحل الشرقي، حيث تتجمع الطائرات على شكل V مما يوفر حوالي 15 المائة من استهلاك الوقود مقارنة مع الطيران المنفرد.

6- الطلاء المستوحى من زهرة اللوتس: يوجد على سطح زهرة اللوتس نتوءات شبيهة بالأظافر تعمل على منع جزيئات الغبار من التجمع على الورقة، وقد قامت شركة Ispo الألمانية بتطوير طلاء يملك نفس الخواص .

7- تجميع الماء المستوحى من خنفساء ستينوكارا: تمتلك خنفساء ستينوكارا التي تعيش في الصحاري مضخة تجمع الرطوبة المتكاثفة والضباب ويحاول العلماء من معهد ماساتشوستس ابتكار مواد بنفس هذه الخاصية تقوم بجمع المياه من الهواء.

وأخيرًا تكمن أهميّة المحاكاة الحيوية في كون النماذج المستوحاة من الطبيعة مستدامة بيئيًّا، وتوفر في استهلاك الطاقة، وتقلل من الهدر، وتقلل من كلفة التصنيع، والكثير من الميزات الأخرى.