Biomimetic Design
Mở đầu What has fins like a whale, skin like a lizard, and eyes like a moth? The future of engineering. Andrew Parker, an evolutionary biologist, knelt in the baking red sand of the Australian out back just south of Alice Springs and eased the right hind leg of a thorny devil into a dish of water.
Thứ gì có vây như cá voi, da như thằn lằn, và mắt như bướm đêm? Tương lai của ngành kỹ thuật. Andrew Parker, một nhà sinh học tiến hóa, quỳ trên bãi cát đỏ bỏng rát của vùng hẻo lánh nước Úc, ngay phía nam Alice Springs, và nhẹ nhàng đặt chân sau bên phải của một con thằn lằn quỷ gai (thorny devil) vào một đĩa nước.
A. “Its back is completely drenched!” Sure enough, after 30 seconds, water from the dish had wicked up the lizard’s leg and was glistening all over its prickly hide. In a few seconds more the water reached its mouth, and the lizard began to smack its jaws with evident satisfaction. It was, in essence, drinking through its foot. Given more time, the thorny devil can perform this same conjuring trick on a patch of damp sand—a vital competitive advantage in the desert. Parker had come here to discover precisely how it does this, not from purely biological interest, but with a concrete purpose in mind: to make a thornydevil-inspired device that will help people collect lifesaving water in the desert. “The water’s spreading out incredibly fast!” he said, as drops from his eyedropper fell onto the lizard’s back and vanished, like magic. “Its skin is far more hydrophobic than I thought. There may well be hidden capillaries, channeling the water into the mouth.”
“Lưng nó ướt sũng!” Chắc chắn rồi, sau 30 giây, nước từ đĩa đã thấm ngược lên chân con thằn lằn và lấp lánh trên khắp lớp da gai góc của nó. Vài giây nữa, nước đến miệng nó, và con thằn lằn bắt đầu chép miệng với vẻ hài lòng rõ rệt. Về bản chất, nó đang uống nước qua chân. Nếu có thêm thời gian, thằn lằn quỷ gai có thể thực hiện trò ảo thuật tương tự trên một bãi cát ẩm—một lợi thế cạnh tranh sống còn ở sa mạc. Parker đến đây để khám phá chính xác cách nó làm điều này, không phải chỉ vì hứng thú sinh học, mà với một mục đích cụ thể: tạo ra một thiết bị lấy cảm hứng từ thằn lằn quỷ gai để giúp mọi người thu thập nước cứu sinh ở sa mạc. “Nước lan ra nhanh kinh khủng!” ông nói, khi những giọt nước từ ống nhỏ giọt rơi xuống lưng con thằn lằn và biến mất, như có phép thuật. “Da của nó kỵ nước hơn tôi nghĩ rất nhiều. Rất có thể có những mao mạch ẩn, dẫn nước vào miệng.”
B. Parker’s work is only a small part of an increasingly vigorous, global biomimetics movement. Engineers in Bath, England, and West Chester, Pennsylvania, are pondering the bumps on the leading edges of humpback whale flukes to learn how to make airplane wings for more agile flight. In Berlin, Germany, the fingerlike primary feathers of raptors are inspiring engineers to develop wings that change shape aloft to reduce drag and increase fuel efficiency. Architects in Zimbabwe are studying how termites regulate temperature, humidity, and airflow in their mounds in order to build more comfortable buildings, while Japanese medical researchers are reducing the pain of an injection by using hypodermic needles edged with tiny serrations, like those on a mosquito’s proboscis, minimizing nerve stimulation.
Công trình của Parker chỉ là một phần nhỏ của một phong trào phỏng sinh học (biomimetics) toàn cầu ngày càng sôi nổi. Các kỹ sư ở Bath, Anh, và West Chester, Pennsylvania, đang nghiên cứu các bướu trên mép trước của vây đuôi cá voi lưng gù để học cách chế tạo cánh máy bay cho chuyến bay linh hoạt hơn. Ở Berlin, Đức, các lông vũ chính giống ngón tay của chim săn mồi đang truyền cảm hứng cho các kỹ sư phát triển loại cánh thay đổi hình dạng trên không để giảm lực cản và tăng hiệu quả nhiên liệu. Các kiến trúc sư ở Zimbabwe đang nghiên cứu cách mối điều hòa nhiệt độ, độ ẩm và luồng không khí trong các ụ đất của chúng để xây dựng các tòa nhà thoải mái hơn, trong khi các nhà nghiên cứu y học Nhật Bản đang giảm đau khi tiêm bằng cách sử dụng kim tiêm dưới da có các răng cưa nhỏ, giống như trên vòi của muỗi, giảm thiểu kích thích thần kinh.
C. Ronald Fearing, a professor of electrical engineering at the University of California, Berkeley, has taken on one of the biggest challenges of all: to create a miniature robotic fly that is swift, small, and maneuverable enough for use in surveillance or search-and-rescue operations. Fearing made his own, one of which he held up with tweezers for me to see, a gossamer wand some 11 millimeters long and not much thicker than a cat’s whisker. Fearing has been forced to manufacture many of the other minute components of his fly in the same way, using a micromachining laser and a rapid prototyping system that allows him to design his minuscule parts in a computer, automatically cut and cure them overnight, and assemble them by hand the next day under a microscope.
Ronald Fearing, giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học California, Berkeley, đã đảm nhận một trong những thách thức lớn nhất: tạo ra một con ruồi robot thu nhỏ nhanh nhẹn, nhỏ bé và đủ linh hoạt để sử dụng trong các hoạt động giám sát hoặc tìm kiếm cứu nạn. Fearing đã tự làm ra một con, ông dùng níp giữ nó lên cho tôi xem, một cây đũa mỏng như tơ dài khoảng 11 milimét và không dày hơn râu mèo là bao. Fearing đã buộc phải tự sản xuất nhiều linh kiện siêu nhỏ khác của con ruồi theo cách tương tự, sử dụng tia laser vi gia công và hệ thống tạo mẫu nhanh cho phép ông thiết kế các bộ phận cực nhỏ của mình trên máy tính, tự động cắt và làm cứng chúng qua đêm, và tự tay lắp ráp chúng vào ngày hôm sau dưới kính hiển vi.
D. With the microlaser he cuts the fly’s wings out of a two-micron polyester sheet so delicate that it crumples if you breathe on it and must be reinforced with carbon-fiber spars. The wings on his current model flap at 275 times per second~faster than the insect’s own wings—and make the blowfly’s signature buzz. “Carbon fiber outperforms fly chitin,” he said, with a trace of selfsatisfaction. He pointed out a protective plastic box on the lab bench, which contained the fly-bot itself, a delicate, origami-like framework of black carbon-fiber struts and hairlike wires that, not surprisingly, looks nothing like a real fly. A month later it achieved liftoff in a controlled flight on a boom. Fearing expects the fly-bot to hover in two or three years, and eventually to bank and dive with flylike virtuosity.
Với microlaser, ông cắt cánh của con ruồi từ một tấm polyester dày hai micron mỏng manh đến mức nó nhàu nát nếu bạn thở vào và phải được gia cố bằng các thanh chống bằng sợi carbon. Cánh trên mô hình hiện tại của ông vỗ 275 lần mỗi giây~nhanh hơn cả cánh của côn trùng—và tạo ra tiếng vo ve đặc trưng của loài nhặng xanh. “Sợi carbon vượt trội hơn kitin của ruồi,” ông nói, với một chút tự mãn. Ông chỉ vào một hộp nhựa bảo vệ trên bàn thí nghiệm, bên trong chứa chính con robot-ruồi, một bộ khung mỏng manh, giống như origami bằng các thanh chống carbon đen và dây mỏng như tóc, không có gì ngạc nhiên khi nó trông không giống một con ruồi thật. Một tháng sau, nó đã cất cánh trong một chuyến bay có kiểm soát trên một cần trục. Fearing hy vọng robot-ruồi sẽ bay lơ lửng được trong hai hoặc ba năm tới, và cuối cùng có thể bay nghiêng và bổ nhào với kỹ năng điêu luyện như ruồi.
E. Stanford University roboticist Mark Cutkosky designed a gecko-inspired climber that he christened Stickybot. In reality, gecko feet aren’t sticky— they’re dry and smooth to the touch—and owe their remarkable adhesion to some two billion spatula-tipped filaments per square centimeter on their toe pads, each filament only a hundred nanometers thick. These filaments are so small, in fact, that they interact at the molecular level with the surface on which the gecko walks, tapping into the low-level van der Waals forces generated by molecules’ fleeting positive and negative charges, which pull any two adjacent objects together.
Nhà chế tạo robot Mark Cutkosky của Đại học Stanford đã thiết kế một robot leo trèo lấy cảm hứng từ tắc kè mà ông đặt tên là Stickybot. Trong thực tế, chân tắc kè không dính—chúng khô và mịn khi chạm vào—và có được độ bám dính đáng nể là nhờ vào khoảng hai tỷ sợi tơ đầu dẹt trên mỗi centimet vuông trên đệm ngón chân của chúng, mỗi sợi chỉ dày một trăm nanomet. Thực tế, những sợi tơ này nhỏ đến mức chúng tương tác ở cấp độ phân tử với bề mặt mà tắc kè đi trên đó, khai thác các lực van der Waals cấp thấp được tạo ra bởi các điện tích dương và âm thoáng qua của các phân tử, kéo hai vật thể liền kề bất kỳ lại với nhau.
F. Cutkosky endowed his robot with seven-segmented toes that drag and release just like the lizard’s, and a gecko-like stride that snugs it to the wall. He also crafted Stickybot’s legs and limbs with a process he calls shape deposition manufacturing (SDM), which combines a range of metals, polymers, and fabrics to create the same smooth gradation from stiff to flexible that is present in the lizard’s limbs and absent in most man-made materials. SDM also allows him to embed actuators, sensors, and other specialized structures that make Stickybot climb better. Then he noticed in a paper on gecko anatomy that the lizard had branching tendons to distribute its weight evenly across the entire surface of its toes. Eureka. “When I saw that, I thought, Wow, that’s great!” He subsequently embedded a branching polyester cloth “tendon” in his robot’s limbs to distribute its load in the same way.
Để làm đệm ngón chân cho Stickybot, Cutkosky và nghiên cứu sinh Sangbae Kim, nhà thiết kế chính của robot, đã sản xuất một loại vải urethane với các lông cứng nhỏ có đầu nhọn 30 micromet. Mặc dù không linh hoạt hoặc bám dính bằng chính con tắc kè, chúng vẫn giữ được robot nặng 500 gram trên bề mặt thẳng đứng. Cutkosky trang bị cho robot của mình các ngón chân bảy đốt có thể kéo và thả giống hệt như của thằn lằn, và một dáng đi giống tắc kè giúp nó bám sát vào tường. Ông cũng chế tạo chân và bàn chân của Stickybot bằng một quy trình mà ông gọi là sản xuất bồi đắp hình dạng (SDM), kết hợp nhiều loại kim loại, polyme và vải để tạo ra sự chuyển tiếp mượt mà từ cứng sang linh hoạt giống như trong các chi của thằn lằn và không có ở hầu hết các vật liệu nhân tạo. SDM cũng cho phép ông gắn vào các bộ truyền động, cảm biến và các cấu trúc chuyên biệt khác giúp Stickybot leo trèo tốt hơn. Sau đó, ông nhận thấy trong một bài báo về giải phẫu tắc kè rằng loài thằn lằn này có các gân phân nhánh để phân bổ trọng lượng đồng đều trên toàn bộ bề mặt ngón chân. Eureka! “Khi tôi thấy điều đó, tôi nghĩ, Chà, tuyệt vời!” Sau đó, ông đã gắn một “gân” bằng vải polyester phân nhánh vào các chi của robot để phân bổ tải trọng của nó theo cùng một cách.
G. Stickybot now walks up vertical surfaces of glass, plastic, and glazed ceramic tile, though it will be some time before it can keep up with a gecko. For the moment it can walk only on smooth surfaces, at a mere four centimeters per second, a fraction of the speed of its biological role model. The dry adhesive on Stickybot’s toes isn’t self-cleaning like the lizard’s either, so it rapidly clogs with dirt. “There are a lot of things about the gecko that we simply had to ignore,” Cutkosky says. Still, a number of real-world applications are in the offing. The Department of Defense’s Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), which funds the project, has it in mind for surveillance: an automaton that could slink up a building and perch there for hours or days, monitoring the terrain below. Cutkosky hypothesizes a range of civilian uses. “I’m trying to get robots to go places where they’ve never gone before,” he told me. “I would like to see Stickybot have a real-world function, whether it’s a toy or another application. Sure, it would be great if it eventually has a lifesaving or humanitarian role…”
Stickybot hiện đã đi lại trên các bề mặt thẳng đứng bằng kính, nhựa và gạch men tráng bóng, mặc dù sẽ còn mất một thời gian nữa nó mới có thể theo kịp một con tắc kè. Hiện tại, nó chỉ có thể đi trên các bề mặt nhẵn, với tốc độ chỉ bốn centimet mỗi giây, một phần nhỏ tốc độ của hình mẫu sinh học của nó. Chất kết dính khô trên ngón chân của Stickybot cũng không có khả năng tự làm sạch như của thằn lằn, vì vậy nó nhanh chóng bị tắc nghẽn bởi bụi bẩn. “Có rất nhiều điều về tắc kè mà chúng tôi đơn giản là phải bỏ qua,” Cutkosky nói. Tuy nhiên, một số ứng dụng trong thế giới thực đang sắp diễn ra. Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) của Bộ Quốc phòng, đơn vị tài trợ cho dự án, đang có ý định sử dụng nó để giám sát: một cỗ máy tự động có thể lẻn lên một tòa nhà và đậu ở đó hàng giờ hoặc hàng ngày, theo dõi địa hình bên dưới. Cutkosky đưa ra giả thuyết về một loạt các ứng dụng dân sự. “Tôi đang cố gắng đưa robot đến những nơi chúng chưa từng đến trước đây,” ông nói với tôi. “Tôi muốn thấy Stickybot có một chức năng trong thế giới thực, cho dù đó là đồ chơi hay một ứng dụng khác. Chắc chắn, sẽ thật tuyệt nếu cuối cùng nó có vai trò cứu sinh hoặc nhân đạo...”
H. For all the power of the biomimetics paradigm, and the brilliant people who practice it, bio-inspiration has led to surprisingly few mass-produced products and arguably only one household word—Velcro, which was invented in 1948 by Swiss chemist George de Mestral, by copying the way cockleburs clung to his dog’s coat. In addition to Cutkosky’s lab, five other high-powered research teams are currently trying to mimic gecko adhesion, and so far none has come close to matching the lizard’s strong, directional, self-cleaning grip. Likewise, scientists have yet to meaningfully re-create the abalone nanostructure that accounts for the strength of its shell, and several well-funded biotech companies have gone bankrupt trying to make artificial spider silk.
Bất chấp tất cả sức mạnh của mô hình phỏng sinh học, và những người tài năng thực hành nó, nguồn cảm hứng sinh học đã tạo ra ít sản phẩm được sản xuất hàng loạt một cách đáng ngạc nhiên và được cho là chỉ có một từ thông dụng trong gia đình—Velcro, được phát minh vào năm 1948 bởi nhà hóa học Thụy Sĩ George de Mestral, bằng cách sao chép cách quả ké đầu ngựa bám vào lông chó của ông. Ngoài phòng thí nghiệm của Cutkosky, năm nhóm nghiên cứu hùng mạnh khác hiện đang cố gắng bắt chước độ bám dính của tắc kè, và cho đến nay vẫn chưa ai tiến gần đến việc sánh được với độ bám mạnh mẽ, có định hướng, tự làm sạch của loài thằn lằn. Tương tự như vậy, các nhà khoa học vẫn chưa tái tạo lại một cách có ý nghĩa cấu trúc nano của bào ngư, thứ tạo nên sức mạnh của vỏ nó, và một số công ty công nghệ sinh học được tài trợ tốt đã phá sản khi cố gắng tạo ra tơ nhện nhân tạo.