Natur entwirft es besser

Michael Brooks auf warum das Militär töten würde, Flugzeuge wie Insekten machen

400 Millionen Jahre der Evolution haben Flugmaschinen der außerordentliche Wendigkeit produziert. Die Florfliege kann Luftakrobatik durchführen, denen Piloten nur träumen können. Wenn Ingenieure den ultimativen Flugtechnik entwickeln wollen, müssen sie nur der Natur Verwendung von flatternden Flügeln zu kopieren.

Flatternden Flug Werk brillant - schauen Sie sich die Stubenfliege oder die Hummel. Freuen Sie sich auf Agilität bei niedrigen Drehzahlen, unglaubliche Wendigkeit, hohe Effizienz und - wenn die Klappe Rate - fast lautlos Flug eingestellt ist. Das Militär würde töten für ein Fluggerät mit diesen Qualitäten: jetzt sie nur, eine erhalten können.

Bis vor kurzem haben Luftfahrtingenieure auf festen oder rotierenden Flügeln, verlassen, weil niemand wusste, wie flatternden Flug gearbeitet. Aber Charles Ellington der Cambridge University hat viele der Mechanismen der Insekten Flug geklappt. Es ist eine Kombination von Schwingung und Rotation der Flügel, Lenkung durch getrennt, jeder Flügel bewegen und komplexe Sensoren: die Holme in den Startlöchern enthalten Flüssigkeit, die Druckänderungen erkennt. Die Stubenfliege hat sogar extra stubby Winglets, die als Navigations Gyroskope handeln: Es ist das einzige Insekt, das seinen Weg um im Dunkeln zu finden.

Ellington arbeitet mit Rafal Zbikowski von Cranfield University, eine fliegende Roboter-Insekt zu produzieren. Das Projekt ist in einem frühen Stadium, aber in ein paar Jahren sechs Zoll flattern Roboter Insekten können fliegen in die schmutzigen und gefährlichen Umgebungen, die Soldaten und Polizisten lange gewünscht haben, um zu vermeiden, Kameras, Nachrichten, Tränengas oder Sprengstoff mit ihnen zu tragen.

Die Natur ist die älteste und beste Quelle der Inspiration für Ingenieure. Der Eiffelturm wurde inspiriert durch den Oberschenkelknochen: es verteilt Gewicht und Stress in genau dem gleichen Muster von Streben und Holme, die in den Oberschenkelknochen auftritt. Gustave Eiffel wurde einfach die Struktur auf den Kopf gestellt um seine Spektakel für die Weltausstellung 1889 zu erstellen. Der Kristallpalast war auch von der Natur inspiriert: seine triangulierten Federbeine imitieren die Faserverteilung eine Lilie Blatt, das Glas an die Stelle der Membran, die ein Blatt zu schweben ermöglicht.

Textilingenieure arbeiten jetzt an Kampf Anzüge, die die besten Eigenschaften von Pinguinen und Tannenzapfen zu verwenden. Pinguine haben hervorragend Schichten der Dämmung angeordnet, die den unterschiedlichsten Temperaturen und Bedingungen anzupassen. Tannenzapfen bieten einen einfachen Mechanismus für "One Way" Regenschutz, die Schweiß rauslassen und lassen Sie nicht im Regen. Ihre Klappen eröffnen, weil sie mit Materialien geschichtet sind, die in unterschiedlichem Ausmaß bei Kontakt mit Feuchtigkeit zu erweitern. Wenn Ingenieure können kopieren und diese Strukturen kombinieren, werden sie in der Lage zu machen "ansprechende Kleidung", eine einzigen outfit gegen jedes denkbare Wettermuster schützen können.

"Moderne engineering-Lösungen wie diese eigentlich überall um uns herum in der natürlichen Welt sind", sagt George Jeronimidis, ein Maschinenbau-Professor an der Universität Reading. "Es gab ein Schub in Ingenieur- und Materialwissenschaften in Richtung"intelligente"Multi-funktionale und selbstheilende Materialien bewegen," sagt er. "Aber diese alle haben Gegenstücke in der Biologie."

Was sie brauchen, glaubt er, ist nicht auch neue Materialien, sondern neue Wege die alten Materialien zusammen zu stellen. Immerhin hat die Natur mit ein paar eher unauffällig Komponenten arbeiten. "Biologie ist etwas eingeschränkt, weil die Zellen haben, die Materialien zu produzieren. Es passiert einfach so, dass eine Möglichkeit sie es effektiv tun können ist die Herstellung von Fasern, die in immer größeren Elementen zusammengebaut werden können", sagt Jeronimidis.

Und für alle Vielfalt in das Endergebnis, gibt es keine Wahl aus verschiedenen Fasern: die Fähigkeit liegt in ordnet sie in einer Weise, die die geforderten Eigenschaften erreicht. "Ihre Haut, Sehnen und Knochen enthalten die gleiche Chemie", sagt Jeronimidis. "Aber kann man aus einem sehr steifen Material ein sehr flexibles Material, nur durch Herumspielen mit dem was du hast." Wenn Sie eine ultra-starken leichten Carbon Fibre Material machen möchten, verwenden Sie die gleichen Design-Ansatz, wie Natur mit Knochen verwendet.

Knochen ist eigentlich ein Sonderfall, wo Natur bekommt, Mineralien sowie Ballaststoffe zu verwenden. Aber es ist die Anordnung der Belastungen auf den Knorpel, der vorschreibt, genau wie das Kalzium festgelegt wird, um die Knochenstruktur zu bilden. Das Ergebnis - ist wie Eiffel geschätzt - ein perfektes Arrangement für Leichtigkeit und Stärke.

Jeronimidis räumt ein, dass trotz all der Technologie zur Verfügung, um moderne Ingenieure, sie immer noch irgendwo in der Nähe sowie Natur in einigen Fällen nicht. Ein Baum ist z. B. eine Sammlung von Fasern, die in alle Richtungen laufen und gut geklebte, stark und geschmeidig zu bleiben. "Sie können sehen, wie ein Zweig aus einem Stamm, kommt aber wie gestaltet man ein Gelenk, wo hast du Fasern, die im rechten Winkel zueinander?"

Seine Gruppe in der Lesung beginnen klein, die Faser-Arrangements in der demütigen Wurm kopieren möchten. Sein Körper ist kaum mehr als eine Flüssigkeit gefüllten Zylinder durch eine Wand aus spiralförmigen Fasern ummantelt. Auftraggeber Muskeln in dieser Faser Wand erhöht sich den Innendruck und ermöglicht den Wurm, ändern ihre Form von kurz und Fett zu lang und dünn. Diese Änderung bewegt sich des Wurms auf den Boden, aber die Forscher denken, daß es auch eine gute Grundlage für eine künstliche Muskeln machen könnte.

Spiralförmige Fasern sind nicht immer die Antwort, aber - es kommt auf den Job in der hand. Diane Kelly von der Cornell University hat festgestellt, dass der Penis (die meisten ihrer Forschung erfolgte auf unglückliche Gürteltiere) enthält Fasern, die im rechten Winkel miteinander zu kreuzen. Diese Anordnung ermöglicht den Penis die eigentümlichen Kräften zu widerstehen, denen, die es begegnet. Schlauch Hersteller verwenden eine ähnliche Technik, um die Steifigkeit zu erhöhen.

Der Punkt Jeronimidis glaubt, ist, dass Natur enthält eine ganze Reihe von Design-Lösungen, bereit gemacht und über Millionen von Jahren erprobt. Ingenieure konnten sich jahrelange Design Kopfschmerzen sparen, wenn sie ihre Augen öffnete und Biologie kopiert. Fast alles, was sie brauchen ist bereits läuft. In der Tat, ist es auch fliegen, springen, zu atmen und zu beugen.