زیست‌تقلید (Biomimetics)

زیست‌تقلید (Biomimetics) یک رویکرد بین‌رشته‌ای است که از طبیعت برای توسعه‌ی فناوری‌ها، محصولات و فرآیندهای جدید الهام می‌گیرد؛ سیستم‌ها، رفتارها و ساختارهای طبیعی را مطالعه و از آن دانش برای طراحی راه‌حل‌هایی استفاده می‌کنند که می‌توانند آن ویژگی‌ها را تقلید یا بازتولید کنند. زیست‌تقلید دارای نوآوری‌های متعددی در زمینه‌هایی مانند پزشکی، رباتیک، علم مواد و… است. این رشته بر این اساس استوار است که طبیعت تا کنون توانسته مشکلات پیچیده‌ای را حل کند پس با جست‌وجوی راه‌حل‌های طبیعی می‌توانیم راه‌هایی کارآمد، پایدار و مؤثر برای چالش‌های پیش روی دنیای امروزی پیدا کنیم.

تاریخچه‌ی زیست‌تقلید (Biomimetics)

تاریخچه‌ی زیست‌تقلید را می‌توان در دوران باستان ردیابی کرد؛ جایی که انسان‌ها برای حل مشکلات و ایجاد نوآوری، طبیعت را مشاهده و از آن تقلید می‌کردند. انسان‌ها برای قرن‌ها از گونه‌ها و اکوسیستم‌های متنوع اطراف خود الهام می‌گرفتند.

در دهه‌ی 1950، اوتو اشمیت (Otto Schmidt) بیوفیزیکدان و مخترع آمریکایی، اصطلاح “Biomimetics” را ابداع کرد. او از این اصطلاح برای توصیف تقلید از فرآیندهای طبیعی در زمینه‌ی مهندسی و زیست‌شناسی استفاده کرد. در 1960، سرگرد جک.ای.استیل (Jack E. Steele) از ناسا کلمه “Bionics” را ابداع کرد. Bionics به توسعه‌ی سیستم‌های مصنوعی اشاره دارد که از موجودات زنده مدل‌سازی می‌کنند.

در سال 1997 جانین بنیوس (Janine Benyus)، دانشمند و نویسنده‌ی کتاب «Biomimicry: Innovationinspired by nature»، اصطلاح “Biomimicry” را برای اولین‌بار رایج کرد و علاقه به این موضوع را در میان مهندسان و طراحان در سراسر جهان برانگیخت.

در حال حاضر Biomimetics، به‌عنوان یک رویکرد بین‌رشته‌ای که ترکیبی از زیست‌شناسی، مهندسی و طراحی است، به رسمیت شناخته شده‌است.

تعریف زیست‌تقلید (Biomimetics)

زیست‌تقلید یک رویکرد بین‌رشته‌ای است که به بررسی پتانسیل سیستم‌های زیستی، تحلیل سیستماتیک اصول و عملکرد آن‌ها، انتقال این اصول به فناوری و بهبود کیفیت زندگی می‌پردازد. Biomimetics از دو کلمه یونانی “bios” به معنای زندگی و “mimesis” به معنای تقلید گرفته شده‌است.

Biomimetics اصطلاح گسترده‌ای است که شامل Biomimicry و Bionics می‌شود؛ Biomimicry به استفاده از طبیعت به‌عنوان منبعی الهام‌بخش برای طراحی و نوآوری اشاره دارد؛ در حالی که Bionics به توسعه‌ی سیستم‌های مصنوعی اشاره دارد که از موجودات زنده مدل‌سازی می‌شوند.

زیست‌تقلید طیف وسیعی از رشته‌ها از جمله زیست‌شناسی، فیزیک، شیمی، علم مواد، رباتیک و مهندسی را در بر می‌گیرد. از پدیده‌های طبیعی مختلف مانند ساختار مواد بیولوژیکی، حرکت حیوانات، سازگاری موجودات با محیط‌های متغیر و استفاده کارآمد از انرژی در سیستم‌های بیولوژیکی الهام می‌گیرد.

یکی از اهداف اصلی Biomimetics، استفاده از طبیعت به‌عنوان منبع الهام برای نوآوری است. با مشاهده و درک اینکه چگونه موجودات زنده برای بقا و رشد در محیط تکامل یافته‌اند، دانشمندان می‌توانند اصول، استراتژی‌ها و الگوهایی را استخراج کنند که در زمینه‌ها و صنایع مختلف به‌کار می‌روند؛ به‌عنوان مثال، مطالعه‌ی شکل و حرکت ماهی‌ها توانسته منجر به توسعه‌ی وسایل نقلیه‌ی زیر آب شود.

زیست‌تقلید بر پایداری و استفاده از راه‌حل‌های سازگار با محیط زیست تأکید دارد. با استفاده از طرح‌ها و فرآیندهای طبیعت، دانشمندان می‌توانند فناوری‌ها و موادی را توسعه دهند که ضایعات را به حداقل می‌رساند، مصرف انرژی را کاهش می‌دهد و اثرات زیست‌محیطی کمتری دارد.

علاوه‌بر کاربردهای تکنولوژیکی، زیست‌تقلید بر طراحی معماری، شهرسازی و پزشکی نیز تأثیر گذاشته‌است؛ به‌عنوان مثال، ساختمان‌هایی که از تپه‌های موریانه الهام گرفته‌اند، می‌توانند دما و جریان هوا را تنظیم کنند و نیاز به سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی مصنوعی را کاهش دهند. در پزشکی، Biomimetics منجر به توسعه سیستم‌های نوآورانه دارورسانی، پروتزها و تکنیک‌های مهندسی بافت شده‌است که ساختار و عملکرد اعضای طبیعی بدن را تقلید می‌کنند.

به‌طور کلی، Biomimetics به دنبال حل چالش‌های انسانی و افزایش نوآوری با نگاه به طبیعت به‌عنوان یک راهنما است؛ راه‌های امیدوارکننده‌ای را برای توسعه‌ی پایدار، پیشرفت‌های تکنولوژیکی و بهبود کیفیت زندگی ارائه می‌دهد. با درک و تقلید از نبوغ طبیعت، دانشمندان و مهندسان می‌توانند راه‌حل‌های جدیدی را برای مشکلات پیچیده ارائه دهند.

کاربردهای زیست‌تقلید (Biomimetics)

زیست‌تقلید شامل مشاهده‌ی فرآیندها، ساختارها و طرح‌های طبیعی و به‌کارگیری آن‌ها در حوزه‌های مختلف فناوری، مهندسی و طراحی انسانی است. برخی از کاربردهای Biomimetics عبارتند از:

1. علم مواد (Material Science)

زیست‌تقلید در اینجا به توسعه‌ی مواد پیشرفته با خواص و عملکردهای منحصر‌به‌فرد اشاره دارد. توسعه‌ی مواد Biomimetics از ساختارهای طبیعی مانند ساختار کندوی زنبور، استحکام تار عنکبوت، مکانیک پرواز پرندگان و آب‌گریزی پوست کوسه الهام گرفته شده‌است.

علاوه‌بر این، در علم مواد ثابت شده‌است که مواد زیست‌تقلید برای کاربردهای کانی‌سازی، کامپوزیت، مهندسی پزشکی و دارورسانی خوراکی بسیار مفید و دارای ویژگی‌های برجسته‌ای هستند.

به‌طور کلی، مواد زیست‌تقلید پتانسیل ایجاد انقلابی در علم مواد را با الهام‌گرفتن از طبیعت برای توسعه‌ی راه‌حل‌های موثرتر و کارآمدتر دارند. استفاده از مواد زیست‌تقلید می‌تواند منجر به توسعه‌ی مواد پیشرفته با خواص و قابلیت‌هایی شود که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

2. معماری و طراحی

طراحی زیست‌تقلید می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد؛ از جمله استفاده از مواد طبیعی، همانندسازی اشکال طبیعی و تقلید از فرآیندهای طبیعی؛ به‌عنوان مثال ساختار کندوی زنبور الهام‌بخش طراحی نماهای ساختمانی است که از نظر انرژی کارآمد هستند؛ استحکام تار عنکبوت الهام‌بخش توسعه‌ی مواد جدیدی است که قوی‌تر و بادوام‌تر از مواد سنتی هستند و همچنین خواص ضد‌آب پوست کوسه الهام بخش طراحی سطوح خودتمیز‌شونده‌است.

اصطلاح “Biomorphic architecture” ساختمان‌هایی را توصیف می‌کند که برای تقلید از اشکال ارگانیک موجود در طبیعت طراحی شده‌اند. این رویکرد می‌تواند بهره‌وری انرژی، پایداری ساختاری و زیبایی را بهینه کند.

3. پزشکی، دندان‌پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی

در پزشکی، محققان در حال مطالعه‌ی ساختار و خواص مواد طبیعی مانند تار عنکبوت هستند تا انواع جدیدی از بخیه‌ها، داربست‌های مهندسی بافت و سیستم‌های دارورسانی را توسعه دهند. با تقلید از پیچیدگی و عملکرد سیستم‌های بیولوژیکی طبیعی، Biomimetics به توسعه‌ی فناوری‌های نوآورانه پزشکی کمک می‌کند.

هدف Biomimetics در دندان‌پزشکی، حفظ ساختار و شادابی دندان، افزایش طول عمر درمان‌های ترمیمی دندان و حذف چرخه‌های درمان مجدد است. دندان‌پزشکی زیست‌تقلید بر حفظ ساختار سالم دندان تاکید دارد و نیاز به روش‌های تهاجمی مانند کانال‌های ریشه و روکش‌های دندان را به حداقل می‌رساند.

مواد Biomimetics، زیست‌سازگار هستند و خواص فیزیکی و شیمیایی عالی دارند. آن‌ها در زمینه‌های مختلف دندان‌پزشکی با هدف افزایش استحکام، آب‌بندی، بازسازی‌ و توانایی‌های ضد‌باکتریایی استفاده شده‌اند.

در مراقبت‌های بهداشتی، حسگرهای انعطاف‌پذیر زیست‌تقلید برای تشخیص و درمان بیمار محور در حال توسعه هستند. دامنه‌ی زیست‌تقلید در مراقبت‌های بهداشتی گسترده است و شامل مهندسی بافت برای برنامه‌های بازسازی‌کننده‌ی دندان، جمجمه، فک و صورت می‌شود. کاربرد اصول زیست‌تقلید می‌تواند نوآوری‌هایی را در دندان‌پزشکی ترمیمی برای حفظ و نگهداری دندان ایجاد کند.

4. رباتیک

طبیعت همیشه منبع الهام‌بخش رباتیک بوده‌است. ربات‌های زیست‌تقلید برای تقلید از حرکات و قابلیت‌های حسی حیوانات طراحی شده‌اند؛ به‌عنوان مثال، محققان ربات‌هایی با الهام از یوزپلنگ برای افزایش کارایی و چابکی دویدن و ربات‌های مار مانندی را برای عملیات جست‌وجو و نجات در فضاهای تنگ ساخته‌اند.

طراحی Biomimetics در رباتیک برای توسعه‌ی ربات‌های زیست‌تقلید که رفتار و عملکرد موجودات طبیعی را تقلید می‌کنند، استفاده شده‌است. ربات‌های زیست‌تقلید برای انجام وظایف مستقل یا نیمه‌خودمختار مانند شناسایی و اکتشاف محیط‌های جدید مناسب هستند.

اصول Biomimetics در طراحی مکانیکی ربات‌های زیست‌تقلید، ادغام اطلاعات حسگر چندوجهی، علوم اعصاب و کنترل هوشمند به‌کار گرفته شده‌است. اصول طراحی زیست‌تقلید در رباتیک، این پتانسیل را دارد که با الهام‌گرفتن از طبیعت و توسعه‌ی راه‌حل‌های کارآمد و مؤثر، این حوزه را متحول کند. با مطالعه و تقلید از طبیعت، مهندسان و طراحان می‌توانند ربات‌هایی بسازند که از نظر انرژی و ساختار، سازگار با محیط زیست هستند.

5. انرژی و بهره‌وری

طبیعت در حال حاضر فرآیندهای مختلف را برای بهره‌وری از انرژی، بهینه کرده‌است. Biomimetics با مطالعه و یادگیری از طرح‌ها و مکانیسم‌های موجود در طبیعت به توسعه‌ی فناوری‌های کارآمد انرژی کمک می‌کند؛ برای مثال، توربین‌های بادی که از شکل باله‌های نهنگ گوژپشت الهام گرفته‌اند، کارآمدتر هستند و سلول‌های خورشیدی که از بال‌های پروانه مدل‌سازی شده‌اند، جذب نور خورشید را افزایش می‌دهند.

6. حمل‌و‌نقل

Biomimetics در حمل‌و‌نقل نیز کاربرد دارد. مطالعه‌ی آیرودینامیک در پرواز پرندگان و ماهی‌ها، الهام‌بخش توسعه‌ی  خودروهایی کارآمدتر است. امروزه محققان در حال مطالعه‌ی سیستم‌های حمل‌و‌نقل کارآمدی هستند که در کلنی‌های مورچه‌ها یافت شده تا لجستیک و جریان ترافیک در شبکه‌های حمل‌و‌نقل انسانی را بهینه کنند.

در حمل‌ونقل، Biomimicry برای توسعه‌ی فناوری‌های نوآورانه مانند نوار چسب، بال‌های هواپیما با الهام از بال‌های پرنده، الهام از پرنده‌ی شاهین برای ساخت بمب‌افکن و طرح‌های قطار با الهام از منقار شاه‌ماهی استفاده شده‌است.

چالش‌های زیست‌تقلید (Biomimetics)

اجرای نوآوری‌های زیست‌تقلید می‌تواند با چالش‌هایی مواجه شود که عبارتند از:

1. فرآیند تبدیل مفاهیم Biomimetics به محصولات، می‌تواند پیچیده باشد و از نظر زمان و هزینه به سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی نیاز دارد. برای به کارگیری موثر زیست‌تقلید، طراحان باید بتوانند یک مسئله را به اجزای سازنده آن تجزیه کنند و تشابهات بیولوژیکی مربوطه را که می‌توانند از آن‌ها الهام بگیرند را بشناسند.
2. Biomimetics یک رشته‌ی در حال ظهور است و ممکن است آگاهی و آموزش محدودی در مورد پتانسیل و کاربردهای آن وجود داشته باشد پس این می‌تواند مانع پذیرش و اجرای نوآوری‌های زیست‌تقلید شود.
3. زیست‌تقلید نیازمند تحقیق و توسعه‌ی مداوم برای درک مدل‌های بیولوژیکی و تبدیل آن‌ها به کاربردهای عملی است که این امر مستلزم همکاری میان‌رشته‌ای و درک عمیق سیستم‌ها و فرآیندهای طبیعی است.

با وجود این چالش‌ها، Biomimetics پتانسیل زیادی برای نوآوری و پایداری دارد. غلبه‌بر این چالش‌ها مستلزم تحقیقات مستمر، همکاری بین‌رشته‌ای، آموزش و درک عمیق سیستم‌های طبیعی و مشکلات آن‌ها است.

نمونه‌هایی از فناوری‌های الهام‌گرفته‌شده

زیست‌تقلید به دلیل تنوع و پیچیدگی سیستم‌های بیولوژیکی، دارای تعداد ویژگی های قابل تقلید زیادی است. نمونه‌هایی از فناوری‌های الهام‌گرفته‌شده عبارتند از:

1. قطارهای پرسرعت الهام گرفته از منقار پرنده‌ی شاه‌ماهی

منقار پرنده‌ی شاه‌ماهی الهام‌بخش طراحی قطارهای سریع‌السیر بوده‌است. شکل منقار باعث کاهش سر و صدا و مقاومت هوا می‌شود که قطار را قادر می‌سازد به‌صورت سریع و بی‌صدا حرکت کند. آزمایشاتی که توسط دانشکده‌ی نیروی دریایی آمریکا با استفاده از مدل‌های شناور انجام شده‌است، نشان می‌دهد که پره‌های بیولوژیکی می‌توانند مقاومت هوا را تا یک سوم کاهش دهند و بالابردن راندمان هشت درصدی را به ارمغان آورند.

2. توربین‌های بادی

شرکت “Whale Power” در تورنتو کانادا نوعی توربین‌های بادی را طراحی کرده‌است که شکل و حرکت پره‌های آن‌ها الهام‌گرفته از باله‌های نهنگ است. این طراحی نسبت به توربین‌های بادی سنتی کارآمدتر و بی‌صداتر است.

3. فیلم ضدمیکروبی

پژوهشگران فیلم ضدمیکروبی را طراحی کرده‌اند که با الهام از بافت پوسته‌ی کوسه ساخته شده‌است. این فیلم برای جلوگیری از رشد باکتری‌ها روی سطوح استفاده می‌شود که می‌تواند کاربردهای نظامی و تجاری داشته باشد. پوسته‌ی کوسه دارای برجستگی‌های کوچکی است که جلوی چسبیدن باکتری‌ها به سطح را می‌گیرد و فیلم از این بافت تقلید می‌کند.

4. Velcro

“Velcro” یک نمونه‌ی شناخته‌شده از Biomimicry است. مهندس جورج د مسترال (George de Mestral) از دانه‌های گیاهانی که به لباس و خز حیوانات می‌چسبند، الهام گرفت. او متوجه خاصیت چسبندگی آن‌ها شد و Velcro را توسعه داد که از قلاب‌های کوچکی تشکیل شده‌است که به هم متصل می‌شوند. Velcro در کاربردهای مختلفی از لباس گرفته تا هوافضا استفاده می‌شود.

5. ماشین Bionic

شکل منحصربه‌فرد ماهی جعبه‌ای الهام‌بخش طراحی خودرویی است که آیرودینامیک‌تر و کم مصرف‌تر است. شکل خودرو باعث کاهش کشش و بهبود بهره‌وری سوخت می‌شود و همچنین فضای داخلی بیشتری را فراهم می‌کند. ماشین Bionic توسط مرسدس بنز توسعه داده شد و نمونه‌ای از نحوه استفاده از Biomimicry در طراحی حمل‌ونقل است.

6. تقلید از موجودات آبزی در مهندسی

مهندسان به موجودات آبزی مانند ماهیان و دلفین‌ها نگاه کرده‌اند تا خودروهای زیر‌آبی کارآمدتر و منعطف‌تری را طراحی کنند. ماهیان و دلفین‌ها برای حرکت در آب با مقاومت کمتر و حرکت منعطف‌تری تکامل یافته‌اند و مهندسان از این طراحی‌ها برای ایجاد خودروهای زیر‌آبی کارآمدتر استفاده کرده‌اند.

7. چسب جراحی

ویژگی‌های چسبندگی پاهای مارمولک الهام‌بخش توسعه‌ی چسب جراحی شده‌است که قادر است به سطوح مرطوب بچسبد. پاهای مارمولک دارای موهای ریزی هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهند به سطوح چسبیده و محکم شوند و محققان این ساختار را در چسب تقلید کرده‌اند. این فناوری می‌تواند در کاربردهای پزشکی که چسب‌های سنتی موثر نیستند، استفاده شود.

نویسنده و ویراستار: حدیث پرهیزگاری

منابع:

1. https://www.researchgate.net/publication/273501396_Biologically_informed_disciplines_A_comparative_analysis_of_bionics_biomimetics_biomimicry_and_bio-inspiration_among_others
2. https://www.differencebetween.com/difference-between-bionics-and-vs-biomimetics/
3. https://www.witpress.com/Secure/ejournals/papers/DNE090303f.pdf
4. https://www.mechatronic.me/2021/02/what-is-biomimetics-bionics.html
5. https://journals.ekb.eg/article_86837.html
6. https://thecontentauthority.com/blog/bionics-vs-biomimetics
7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4572716/
8. https://bootcamp.uxdesign.cc/exploring-biomimicry-history-examples-benefits-and-challenges-in-modern-design-1c1cf1fdbf40
9. https://ehistory.osu.edu/exhibitions/biomimicry-a-history
10. https://www.mdpi.com/2313-7673/8/1/107
11. https://www.nashvilledentistryco.com/blog/biomimetic-dentistry-advancing-dental-care-for-optimal-oral-health/
12. https://www.researchgate.net/publication/367416924_Introductory_Chapter_bioMimetics_for_HealthCare_-_Innovations_Inspired_by_Nature
13. https://www.rejuvdentist.com/biological-dentistry/biomimetic-dentistry/
14. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9936671/
15. https://link.springer.com/article/10.1007/s00339-020-03633-z
16. https://www.intechopen.com/chapters/82966
17. https://altair.com/newsroom/news-releases/Biomimicry-and-Transportation-Nature-Inspiring-Innovative-Technologies
18. http://www.cmmmagazine.com/cmm-articles/transport-systems-and-materials-inspired-by-nature/
19. https://thesolarlabs.com/ros/biomimicry-solar-design-efficient-panels/
20. https://carnegiemnh.org/biomimicry-is-real-world-inspiration/