الضفادع التي تتمكن من التمسك بالأسطح الزلقة بشكل خاص والخفافيش التي تستخدم شعرها للتنقل - ما الذي يمكن أن يتعلمه البشر أيضًا من الحيوانات في مجال النقل؟
ليحي باراك ودانيال مادير، زفيتا - وكالة أنباء العلوم والبيئة
في القرن الخامس عشر، في ذروة عصر النهضة، حلم الشاب ليوناردو دافنشي بالطيران في السماء مثل الطيور. ومن أجل تحقيق حلمه، أمضى دافنشي وقته في مراقبة الطيور أثناء الطيران والتحقيق فيها بعناية، وخلال حياته كان لديه الوقت لتصميم عدة نماذج مختلفة من الطائرات بناءً على النتائج التي توصل إليها. وبعد 15 عام، قام الأخوان رايت، المعروفان بأنهما أول من نجح في بناء طائرة بمحرك ومأهولة، بالقيام بنفس الشيء تمامًا - مراقبة الطيور. استنادًا إلى المخططات القديمة لنماذج الطائرات الفاشلة، بما في ذلك نماذج دافنشي، تمكن الأخوان رايت أخيرًا من لمس السماء والتحليق بأول طائرة لهما في عام 400. قام كل من دافنشي والأخوة رايت، دون أن يدركوا ذلك، بتصميم الطائرة التي تم اختراعها وفقًا للمبادئ التقليد الحيوي: تقليد الحياة.
مكتوب بالجلد
الضفدع السام الذي يعيش في منطقة خط الاستواء في أمريكا الجنوبية، هو نوع من عائلة الدندروبات، الذي يتميز ببشرة ملونة ومتوهجة ومزينة بظلال تتراوح بين البرتقالي والأصفر إلى الأزرق والأرجواني. هذا الحيوان المذهل، الذي يبلغ طوله بضعة سنتيمترات فقط، قادر على إفراز سم قوي من خلال ثقوب صغيرة موجودة على جلده الخارجي.
نشر باحثون من كلية هندسة المواد والطاقة بجامعة ولاية أريزونا بالولايات المتحدة الأمريكية دراسة مطلع العام والذي يستعرض تطورها المتصل المثير للاهتمام: طبقة من طبقتين تعمل بمثابة "جلد" إضافي للطائرات، وهي مصممة لمنع تراكم الجليد على الطائرة. قد يعرض الجليد المسار الطبيعي للطيران للخطر ويعتبر عامل خطر كبير لحوادث الطائرات. عندما يتجمد المطر على أجنحة الطائرة، فإنه قد يؤدي إلى الإضرار بوظائفها بشكل سليم، وفقدان السيطرة على السرعة، بل ويؤدي إلى صعوبات واضطرابات أثناء الإقلاع والهبوط.
وارتكز التطور الجديد على مراقبة آلية إفراز السم لدى الضفدع السام، الذي يخزن سمه في طبقة داخلية تحت الجلد الخارجي ولا يطلقه إلا عند شعوره بالتهديد. على غرار جلد الضفدع، يتكون طلاء الطائرة من طبقتين: طبقة داخلية تحتوي على سائل مضاد للتجمد، وطبقة خارجية تتكون من مادة قوية كارهة للماء (طاردة للماء). عندما تلتقي الطبقة الخارجية بالماء، تنزلق قطرات المطر أو الثلج عن السطح وبالتالي تقل احتمالية تجمد قطرات الماء وتراكمها على شكل كتل جليدية على سطح الطائرة بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي الطبقة الخارجية على فتحات خاصة يمكن أن يخرج منها السائل المضاد للتجمد الموجود في طبقة الطلاء الداخلية. تدخل الطبقة الداخلية حيز التنفيذ عندما "تفشل" الطبقة الخارجية في إزالة الخطر ويخترق الماء أو الجليد من خلال الثقوب إلى الطبقة الداخلية. يبدأ الاتصال بين الماء والطبقة الداخلية بسلسلة من الأحداث، وفي نهايتها يقوم السائل المضاد للتجمد بإذابة الجليد وإذابته.
واختبر الباحثون النظام في ظروف مناخية قاسية من أمطار وثلوج وضباب في درجات حرارة متجمدة، وأظهروا أن الطلاء المكون من طبقتين يظهر نجاحا كبيرا في منع تراكم الجليد على الطائرة بما يصل إلى 10 مرات مقارنة بطبقة خارجية واحدة فقط كارهة للماء. طبقة طلاء.
اليوم، الطريقة المقبولة لإزالة ومنع تراكم الماء والثلج والجليد هي نشر مواد كيميائية مختلفة على السطح تعمل على خفض درجة التجمد. وبالإضافة إلى ارتفاع أسعار المواد الناتجة عن ذوبان الجليد، تعتمد الطريقة على تشتيت المواد في جميع الظروف الجوية بغض النظر عن التراكم الفعلي للجليد. قد تجد هذه المواد الكيميائية طريقها إلى مياه الشرب وتلوثها. الميزة البارزة لطريقة الطلاء الجديدة المكونة من طبقتين هي العلاج الوقائي للمشكلة: تشكل الطبقة الداخلية في الواقع نظامًا احتياطيًا متطورًا يفرز المادة المضادة للتجمد فقط بعد مواجهة فعلية للجليد، وبالتالي فهي أكثر اقتصادية وبيئيًا. ودي. ولا تزال هذه التكنولوجيا المبتكرة قيد الاختبار في ظروف معملية ولم تدخل حيز الاستخدام بعد.
الضفدع أو الرجل العنكبوت؟
بالإضافة إلى الضفدع السام الخطير، فإن الضفادع البريئة والمحبة للسلام تلهم أيضًا التطورات التكنولوجية المبتكرة. تقضي العديد من أنواع الضفادع معظم وقتها على الأشجار، ونادرًا ما تنزل إلى الأرض. يصل حجم هذه الضفادع الصغيرة، التي يمكنك حملها براحة يدك، إلى سبعة سنتيمترات فقط، وذلك حتى تتمكن أوراق الشجرة من تحمل ثقلها. مثل البطل الخارق Spider-Man، فهم قادرون على التمسك بقوة بأي سطح والتحرك عليه بحرية وثقة، حتى بزاوية رأسية تمامًا. هذه القدرة الرائعة لهذه الضفادع تتحدى العلم وتشكل مصدر إلهام للتطورات التكنولوجية الذكية.
قدمت مجموعة من الباحثين من أوروبا الذين درسوا بنية إصبع الضفدع باستخدام الطرق المجهرية بنية هندسية متقنة: يوجد أعلى كل إصبع العديد من الهياكل الكثيفة على شكل سداسيات قياسها عشرة ميكرومترات تفصلها قنوات بعرض ميكرومتر واحد فقط. تتيح هذه الخلايا السداسية تأثيرًا لاصقًا قويًا للاحتكاك والالتصاق بالأسطح الرطبة باستخدام قوة الالتصاق (أي قدرة سطحين مختلفين على الالتصاق معًا بإحكام)، بحيث يكون كل إصبع في الواقع سطحًا قابضًا في حد ذاته. عندما يمشي الضفدع على سطح مبلل، فإنه يفرز مادة مخاطية، تتوزع بشكل موحد على سطح الإصبع بأكمله من خلال القنوات. في الواقع، فإن آلية التصاق ضفادع الأشجار تذكرنا إلى حد كبير بالتصاق كوب من البيرة المبردة بأسفل الورقة التي يوضع عليها.
كما قدم فريق الباحثين قدرة متقدمة للضفدع على حماية الأسطح الملتصقة به من التآكل: فبينما على بعض الأسطح، يقوم الضفدع بتحريك ساقه ذهابًا وإيابًا وينشر الهلام المفرز من القنوات على السطح، بينما في نفس الوقت إزالة الغبار أو الجزيئات الصغيرة من السطح الذي يحمله. تسمح الحركة المستمرة وزيادة إنتاج المخاط بإزالة الأوساخ حتى لا تفقد القدرة على التشبث. يشبه هذا استخدام الضمادة: إذا حاولت استخدام نفس الضمادة مرارًا وتكرارًا، فسوف تجمع حبيبات الغبار وتفقد قدرتها على الالتصاق في النهاية. تعتبر آلية التنظيف مصدر إلهام لمزيد من التطورات في مجال المحاكاة الحيوية في مجالات الطب والروبوتات والهندسة المعمارية.
وهذا البحث مهم أيضًا في مجال النقل. إن قدرة الضفادع على التشبث بالأسطح الرطبة من خلال بنية هندسية خاصة وحركة مستمرة، أثناء إزالة الأوساخ، هي مصدر إلهام لإنشاء إطارات سيارات أكثر أمانًا، والتي يتم إنتاجها باستخدام طريقة مماثلة: المطبات الكثيفة والقنوات بينها. عندما تسير السيارة على طريق مبلل، فإن الماء المتناثر بسبب المطر أو من الطريق الرطب نفسه يصطدم بالمطبات الموجودة على الإطارات، ويتدفق من القنوات الموجودة بين مطبات الإطارات. هيكل الإطار يخلق احتكاكاً عالياً والتصاقاً قوياً بين الإطار والطريق، ويؤدي إلى انخفاض كبير في فرصة الانزلاق والحوادث عند القيادة على طريق مبلل. تُباع هذه الإطارات بالفعل وتُستخدم كإطارات شتوية في البلدان الباردة.
البهلوانية الليلية
تُعرف الخفافيش باسم الألعاب البهلوانية الطائرة الليلية. عندما نفكر في قدرات الخفافيش المذهلة في اصطياد حشرة طائرة ليلاً، أو الطيران عبر شجرة متشابكة للوصول إلى ثمرة صغيرة في الظلام، فإننا نعزو ذلك إلى قدرتها على تحديد الموقع بالصدى (التوجه في الفضاء باستخدام الصوت - السونار).
ومع ذلك، اكتشف الباحثون حاسة أخرى متطورة للغاية في تلك الثدييات الطائرة: خلايا حسية خاصة، مرتبطة بشعيرات صغيرة. تتحرك الشعيرات حسب ضغط الهواء والرياح المؤثرة عليها. المعلومات التي تأتي من تلك الخلايا الحسية تسمح للخفافيش بتغيير شكل أجنحتها في جزء من الثانية، وإجراء مناورات معقدة بسرعة، والتحليق، والغوص، والقبض على فرائسها الرشيقة والتهرب من العقبات.
عندما تم تعطيل الشعيرات الحسية مؤقتًا من قبل الباحثين، فقدت الخفافيش قدراتها المذهلة وأصبحت طائرة خرقاء. إلى جانب دورها المهم في استقرار الطيران، تلعب هذه الشعيرات الحسية أيضًا دورًا مهمًا في اللمس: تستخدم الخفافيش أجنحتها كأرجل وأيدي. يمكنها المشي على أربع عندما تسقط على الأرض، وتستخدم أجنحتها لعناق صغارها، وفي بعض الأحيان تستخدم الأجنحة أيضًا للتسلق أو الإمساك. يسمح نمط العمل العصبي المختلف للخفاش بالتمييز بين تيارات الهواء والضغوط أثناء الطيران، والاتصال بغصن شجرة أو حشرة طائرة.
الشعر الحسي شائع في جميع أنحاء عالم الحيوان. القطط، على سبيل المثال، تستخدم شعيراتها لتتحسس طريقها عبر الأماكن الضيقة والمعقدة. حتى عندنا نحن البشر، على الرغم من أن حاسة اللمس لدينا باهتة مقارنة بحاسة اللمس لدى العديد من الحيوانات، إلا أن الشعر يعمل بمثابة الهمس. ويساعدنا البحث الحالي على فهم التغيرات التطورية المعقدة التي مر بها الخفاش من حيوان ثديي يمشي إلى حيوان ثديي طائر ومن الممكن أن تجد هذه الاكتشافات مكانا في تحسين المركبات الطائرة المستقلة.
كما ترون، فإن منهج المحاكاة الحيوية يسمح لنا بنسخ الآليات الخاصة والرائعة التي طورتها الحيوانات على مدار سنوات التطور وتحويلها إلى حلول للألغاز الهندسية للعالم الحديث. في المرة القادمة التي تصادف فيها ظاهرة طبيعية تذهلك، خذ بضع دقائق لمراقبتها، وتذكر أن الطبيعة معلم عظيم. قد تكون الحلول لمشاكلك تحت أنفك مباشرة.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
مقالات "الزاوية - وكالة أنباء العلوم والبيئة" مثيرة للاهتمام،
ولكن ربما لا يزال من الممكن تعليم الكتاب الفرق بين:
لطيف لممارسة الجنس مع الأسرة؟
ربما سينجح الكتاب في تعلم طريقة الفرز المقبولة في علم الحيوان؟
وبعد ذلك سوف يتخلون عن "الأنواع" غير الموجودة؟