Het eerste wat je opvalt aan de afdeling entomologiecollecties, de Lepidoptera-afdeling, in het Smithsonian's Museum of Natural History is een vage, ongrijpbaar vertrouwde geur. Mottenballen. Ik overwoog kort de kosmische ironie van mottenballen in een kamer vol met motten (en vlinders, een lijn van motten evolueerde om overdag te vliegen) voordat ik me wendde tot Bob Robbins, een onderzoeksentomoloog. "Er zijn veel insecten die gedroogde insecten eten, " zei hij, "dus traditioneel hield je dat ongedierte buiten met naftaleen of mottenballen."
Van dit verhaal
[×] SLUITEN
Wetenschappers geloven dat de iriserende vleugels van de morfosvlinder in de technologie kunnen worden gebruikt om de mens ten goede te komen
Video: Hoe Butterfly Wings innovatie inspireert
gerelateerde inhoud
- Dit door Conch-Shell geïnspireerde materiaal kan helmen en kogelvrije kleding veiliger maken
- Vliegtuigontwerp Geïnspireerd door de natuur en mogelijk gemaakt door Tech
- Wetenschappers maken een wormachtige robot die langs de grond kan kruipen
- Wanneer dieren uitvindingen inspireren
- Hoe de natuur ons slimmer maakt
De mottenballen zijn uitgefaseerd (ten gunste van het bevriezen van nieuwe exemplaren om ongedierte te doden), maar die aanhoudende geur, evenals de eindeloze laden van insecten onder glas en zorgvuldig opgesteld in rij na rij stalen kasten voor taxonomisch nageslacht, alleen verhoogt het gevoel van leeftijd in de stiltekamer. De tijd lijkt even stil te staan als de miljoenen exemplaren.
Maar blader door die laden, door de precies op afstand geplaatste squadrons van zwaluwen en zonsondergangmotten, en er begint een ander idee te ontstaan: dit is geen slapende berging, maar een laboratorium dat een buitengewoon succesvolle onderneming onderzoekt. Gedurende ongeveer 150 miljoen jaar zijn deze "producten" meedogenloos geprototypeerd, door de markt getest, geüpgraded, verfijnd en anderszins nieuw en verbeterd gemaakt naarmate de wereld om hen heen veranderde. Elk van deze fragiele exemplaren is een pakket innovatie dat wacht om te worden begrepen en aangepast.
Dit is het idee achter de steeds invloedrijkere discipline van biomimicry: dat wij mensen, die hebben geprobeerd dingen te maken voor slechts het knipperen van een evolutionair oog, veel te leren hebben van de lange processen van natuurlijke selectie, of het nu gaat om hoe maak een vleugel aerodynamischer of een stad veerkrachtiger of een elektronisch scherm levendiger. Meer dan tien jaar geleden was een MIT-grad genaamd Mark Miles aan het werk op het gebied van micro-elektromechanica en materiaalverwerking. Terwijl hij door een wetenschappelijk tijdschrift bladerde, werd hij tegengehouden door een artikel over hoe vlinders kleur in hun vleugels genereren. Het schitterende iriserende blauw van de verschillende Morpho-soorten komt bijvoorbeeld niet van pigment, maar van 'structurele kleur'. Die vleugels herbergen een nanoschaalassemblage van shinglesplaten, waarvan de vorm en afstand van elkaar zijn gerangschikt in een nauwkeurig patroon dat verstoort reflecterende lichtgolflengten om het briljante blauw te produceren. Om datzelfde blauw uit pigment te maken, zou veel meer energie nodig zijn - energie die beter wordt gebruikt voor vliegen, voeren en reproduceren.
Miles vroeg zich af of deze mogelijkheid op een of andere manier kon worden benut. Waar wilt u anders ongelooflijk levendige kleuren in een dun pakket? Natuurlijk: in een elektronisch apparaatdisplay. Qualcomm, dat het bedrijf Miles had overgenomen om de technologie te ontwikkelen, gebruikte het in zijn Mirasol-display. "We benutten de fenomenen van optische interferentie", zegt Brian Gally, senior directeur productbeheer bij Qualcomm. Onder het glasoppervlak schuilt een enorme reeks interferometrische modulatoren, in wezen microscopische (10 tot 50 micron vierkante) spiegels die op en neer bewegen, in microseconden, om de juiste kleur te creëren.
Net als de vleugels van de vlinder, "neemt het scherm het witte omgevingslicht om ons heen, wit licht of zonlicht, en door interferentie gaat het ons een kleurenbeeld terugsturen, " zegt Gally. In tegenstelling tot conventionele LCD-schermen hoeft de Mirasol geen eigen licht te genereren. "De helderheid van het scherm schaalt gewoon automatisch met omgevingslicht." Hierdoor verbruikt de Mirasol een tiende van de kracht van een LCD-lezer. Qualcomm gebruikte het display in een e-reader en biedt het voor licentie aan andere bedrijven aan.
Hoewel biomimicry al decennia lang menselijke innovaties inspireert - een van de meest genoemde voorbeelden is Velcro, dat de Zwitserse ingenieur Georges de Mestral in 1955 patenteerde nadat hij had bestudeerd hoe burs aan zijn kleding vasthield - betere technologie en meer genuanceerd onderzoek hebben steeds complexere aanpassingen mogelijk gemaakt . Ontwerpsoftware gemaakt door de Duitse onderzoeker Claus Mattheck - en gebruikt in auto's van Opel en Mercedes - weerspiegelt de manier waarop bomen en botten kracht en belastingen verdelen. Een ventilator gemaakt door Pax Scientific leent uit de patronen van wervelende kelp, nautilus en wulken om lucht efficiënter te verplaatsen. Een met zout water geïrrigeerde kas in de woestijn van Qatar gebruikt condensatie- en verdampingstricks die uit de neus van een kameel worden gehaald. Nu, mede dankzij voortdurende innovaties in de fabricage op nanoschaal, brengen fabrikanten steeds meer producten op de markt.
Biomimicry is zelf geen product, maar een proces, gebaseerd op natuurlijke organismen en processen om innovatie te stimuleren. Organisaties en zelfs steden kunnen inspiratie opdoen voor ecosystemen, zegt Tim McGee, een bioloog en lid van Biomimicry 3.8, een adviesbureau in Montana. In Lavasa - door de ontwikkelaars beschreven als 'India's eerste geplande heuvelstad', die daar uiteindelijk huizen hopen te bouwen voor meer dan 300.000 mensen - overlegde het gilde met landschapsarchitecten. De plantstrategie omvatte dus loofbomen, die een luifel vormden om te vangen en vervolgens, door verdamping, bijna een derde van de moessonregen die erop valt te reflecteren. Dat effect werkt "als een motor die de moesson het binnenland aandrijft", zegt McGee, die daar helpt om droogte te voorkomen. De hydrodynamisch efficiënte vorm van Banyan-boombladeren beïnvloedde het ontwerp van een betere waterafvoerende dakshingle, terwijl wateromleidingssystemen werden geïnspireerd door de manieren waarop rooimieren water van hun nesten afleiden. De eerste "stad" van Lavasa is voltooid, en tegen 2020 zullen er nog vier volgen.
Iedereen heeft het over manieren om de menselijke voetafdruk te verkleinen of om een 'netto nul'-impact te bereiken. Maar de natuur, zegt McGee, gaat meestal nog een stap verder: "Het is bijna nooit netto nul - de output van dat systeem is meestal gunstig voor alles eromheen." Wat als we onze steden op dezelfde manier zouden kunnen bouwen? "Wat als, in New York City, toen het regende, het water dat in de East River ging schoner was dan toen het viel?" En wat als, wanneer bossen in brand vlogen, de vlammen konden worden gedoofd met middelen die niet afhankelijk waren op giftige stoffen? "De natuur creëert vlamvertragers die niet giftig zijn, " merkt McGee op. "Waarom kunnen we niet?"
Jarenlang hebben onderzoekers zich gericht op de chemie van vlamvertragers, zonder resultaten. Maar misschien kunnen natuurlijke processen een weg bieden naar innovatie in het laboratorium, zegt McGee. Misschien is het de manier waarop jack-dennenappels opengaan in het gezicht van hitte (om reproductie toe te staan, zelfs als vuur het bos vernietigt), of de manier waarop eucalyptusbomen verspreide stukjes snel brandende schors werpen om zuurstof op te zuigen en vuur weg te nemen van de hoofdleiding stam. Jaime Grunlan, werktuigbouwkundig ingenieur bij Texas A&M, heeft een brandwerende stof ontwikkeld die gebruik maakt van chitosan, een hernieuwbaar materiaal uit kreeft- en garnalenschalen (en een chemisch familielid van de chitine in de vleugels van vlinders), om een polymeerlaag met nanolaag te creëren die, wanneer blootgesteld aan hitte, een koolstof "shell" produceert die de stof beschermt.
Lepidoptera belichaamt enkele van de problemen die gedurende vele millennia op de werkbank van de natuur zijn gehamerd. In de evolutionaire roep en reactie tussen prooi en roofdier hebben veel motten de mogelijkheid ontwikkeld om de echografie klikken van vleermuizen te detecteren, en sommige kunnen zelfs verwarrende tegengestelde signalen verzenden. Vlindervleugels zijn meestal zwart dichter bij hun lichaam om warmte op te vangen. Die vleugels zijn bedekt met een vuilwerende coating - ze zijn zelfreinigend. De decoratieve "ogen" op die vleugels, bedoeld om roofdieren weg te jagen, zijn vaak in de buurt van de rand geplaatst om vleugelbeschadiging te minimaliseren als de vlinder wordt gebeten.
En dan is er de kleur - waar we aan denken als we aan vlinders denken. "Mensen noemen ze vliegende bloemen, " zegt Robbins. Terwijl sommigen kleur gebruiken voor camouflage, gaan de meest levendige soorten de andere route op, reclame voor hun giftigheid voor potentiële roofdieren in een opzichtig scherm. De schrijver David Quammen noemt ze de 'bimbos van de natuurlijke wereld', een 'evolutionair experiment in puur decoratief overschot'. Over het algemeen schrijft Quammen dat vlinders 'een ideaal van zoetheid en zachte gratie vertegenwoordigen dat bijna onschuldig lijkt aan de hele genadeloze evolutionaire vrije -vooral. 'En er staat een schat aan inspiratie te wachten om op die ragfijne vleugels te vliegen.
Onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong University, geïnspireerd door birdwing-vlinders - het zwarte gebied van hun vleugels maakt bijna totale lichtabsorptie mogelijk om warmte vast te houden - creëren een structureel vergelijkbare superzwarte amorfe koolstoffilm om efficiëntere zonnetechnologie te creëren. Een project genaamd NOtES, dat voortkwam uit onderzoek aan de Simon Fraser University in British Columbia, maakt gebruik van lichtverstorende structuren op nanoschaal om een anti-namaakstempel te maken die moeilijker te kraken is dan een hologram en niet alleen op de bank kan worden "geprint" opmerkingen, maar op een hele reeks andere objecten. RFID-tags (Radio-Frequency Identification), die worden gebruikt voor alles, van het bijhouden van de inventaris tot het detecteren van de prestaties van de banden, werken meestal niet goed in extreme omgevingen, met name wanneer er water of metaal is. En dus paste een bedrijf genaamd Omni-ID het interferentieprincipe aan om een betrouwbaardere RFID te creëren, met behulp van kleine metalen schubben in de tags om hun transmissie van radiosignalen te verbeteren.
Gezien het feit dat de Morpho kleur inzet om de aandacht te trekken, lijkt het gepast dat de vlinder ook de menselijke mode heeft geïnspireerd. Donna Sgro, een modeontwerper in Sydney, Australië, en zelf beschreven 'incidentele lepidopterist', creëerde drie jurken van een stof genaamd Morphotex, een pigmentvrij, iriserend blauw materiaal dat zijn kleur trekt door optische interferentie. Sgro zegt dat, hoewel Morphotex de behoefte aan kleurstoffen elimineert (en dus mogelijk een kleinere ecologische voetafdruk heeft), haar interesse verder reikte dan de gebruikelijke "probleemoplossing-type ontwerpbenadering" die biomimisten neigen te volgen. Mode is immers meer dan de basisbehoefte aan kleding. Hoe kan de manier waarop de natuur esthetiek gebruikt, onze manier van doen beïnvloeden? Sgro studeert nu voor een doctoraat in biomimicry en mode aan het Royal Institute of Fashion in Melbourne.
Robbins en ik verlieten het collectiescentrum van het Natural History Museum en gingen naar het nabijgelegen Butterfly Pavilion, en het was als een lepidopterous liefdesfeest. Een vrouw richtte haar smartphone op een Monarch die zich voedde met een bloem. Riep een Japanse toerist toen een Gulf Fritillary op haar schoudertas landde. Een kind gilde toen een Morpho peleides langzaam met zijn iriserende blauwe vleugels zwaaide. Het is niet eenvoudig om je voor te stellen dat deze scène met een ander insect voorkomt; terecht of niet, we bezoeken geen grub- of mierenpaviljoens.
Ik vroeg naar de bijzondere aantrekkingskracht van deze insecten. "Ze steken niet, ze bijten niet, " zei hij. “Degenen die mensen zien zijn over het algemeen mooi. Sommigen van hen zijn schadelijk voor de landbouw, maar het zijn vrij vriendelijke jongens en ze zijn ontzettend veel mooier dan de meeste andere insecten. 'Had ik maar gedacht, mensen konden nu weten hoe nuttig al die schoonheid kan zijn.
