แมลงเต่าทองสอนบทเรียนเรื่องการควบคุมความชื้น

แมลงสร้างแรงบันดาลใจให้กับพื้นผิวใหม่ที่ดีกว่าในการเก็บน้ำหรือต้านทานการสะสมของน้ำแข็ง

ไม่ว่าจะเป็นแมลงปีกแข็งหรือกระบองเพชร สิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในทะเลทรายมักจะมีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการค้นหาน้ำ ในบางแห่งอาจขาดแคลนน้ำตลอดทั้งปี ในบางช่วงจะมีให้บริการในบางฤดูกาลเท่านั้น เพื่อรับมือกับสภาพอากาศที่แห้งแล้ง สัตว์และพืชที่อาศัยอยู่ในทะเลทรายได้พัฒนาวิธีที่น่าสนใจบางอย่างในการดับกระหายของพวกมัน บางคนได้ทุกสิ่งที่ต้องการจากสัตว์ พืช หรือเมล็ดพืชที่พวกมันกิน นั่นหมายความว่านักทานเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องดื่ม สายพันธุ์อื่นมีเคล็ดลับในการเก็บน้ำจากอากาศบาง

ตอนนี้ วิศวกรกำลังมองหาที่จะยืมกลอุบายเหล่านั้น ในบางกรณี นักวิจัยต้องการดึงน้ำจากอากาศชื้น เช่นเดียวกับสัตว์ พวกเขาอาจต้องการรวบรวมน้ำเพื่อดื่มหรือเพื่อวัตถุประสงค์อื่น หรืออาจต้องการลดความชื้นในอากาศในบริเวณที่มีการไหลเวียนของอากาศไม่ดี ที่สามารถหยุดหรือชะลอการเจริญเติบโตของเชื้อราได้

นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเหล่านี้ (นักวิจัยที่ใช้วิทยาศาสตร์ในการแก้ปัญหา) ไม่ว่าจะมีจุดประสงค์อะไรก็ตาม ได้เริ่มยืมการออกแบบของ Mother Nature

แมลงสร้างแรงบันดาลใจ

ทะเลทรายที่โดดเดี่ยวที่สุดแห่งหนึ่งของโลกตั้งอยู่บนชายฝั่งตะวันตกเฉียงใต้ของแอฟริกา ทะเลทรายนามิบมีขนาดประมาณเซาท์แคโรไลนา บางจุดมีฝนเฉลี่ยเพียง 10 มิลลิเมตร (0.4 นิ้ว) ในแต่ละปี ไซต์หลายแห่งตามแนวชายฝั่งได้รับเงินเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น ไม่น่าแปลกใจเลยที่มีคนไม่กี่คนที่อาศัยอยู่ที่นั่น

ในทะเลทรายบางแห่ง แหล่งน้ำที่พบบ่อยที่สุดคือแอ่งน้ำขนาดเล็กหรือกองทรายเปียกที่สามารถพบได้ใต้ดิน แต่นั่นไม่ใช่กรณีในนามิบ Andrew Parker กล่าว เขาเป็นนักชีววิทยาที่พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติในลอนดอน ประเทศอังกฤษ “ฝนไม่ตกมากนัก และที่นั่นร้อนมาก” เขากล่าว “แหล่งน้ำที่เชื่อถือได้เพียงแหล่งเดียวคือหมอกจากทะเล”

แมลงเต่าทองบางตัวเจริญเติบโตในทะเลทรายนามิบเพราะสามารถดื่มเครื่องดื่มในหมอกได้ นักวิทยาศาสตร์ได้พบสัตว์สี่ชนิดที่ใช้เคล็ดลับนี้ Parker กล่าว แมลงที่ผิดปกติเหล่านี้มีขนาดต่างกัน บางตัวมีเปลือกเป็นหลุมเป็นบ่อ อื่น ๆ มีเปลือกร่อง แต่การจะดื่ม ทุกคนก็ทำแบบเดียวกัน เมื่อมีหมอกเข้ามา ด้วงจะยืนเขย่งปลายเท้าบนเนินทราย แล้วเกาะท้ายทอยขึ้นไปในอากาศยามเช้าที่ชื้น ละอองหมอกกระทบแล้วเกาะหลังด้วง หรือความชื้นสามารถควบแน่นเป็นน้ำได้โดยตรงบนเปลือกของแมลง เมื่อหยดที่นั่นมีขนาดใหญ่พอ พวกมันจะกลิ้งหลังด้วงลงไปที่ปากของมันเพื่อดื่มสดชื่น

“แมลงเต่าทองเหล่านี้ปรับตัวให้เข้ากับสภาพอากาศที่รุนแรงของทะเลทรายได้เป็นอย่างดี” ปาร์กเกอร์กล่าว เขาอธิบายพฤติกรรมของแมลงเหล่านี้เมื่อสองปีก่อนใน Bioinspiration & Biomimetics (ไบโอมิเมติกส์คือการสร้างเครื่องมือหรือเทคนิคใหม่ ๆ บนพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต มันยังเป็นที่รู้จักกันในนาม biomimicry)

มีสัตว์ในทะเลทรายมากมายที่รวบรวมน้ำในลักษณะที่ผิดปกติ แต่ด้วงในทะเลทรายนามิบน่าจะเป็นแมลงที่มีการศึกษามากที่สุด Parker กล่าว เทคนิคง่ายๆ ของพวกเขาอาจเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดสำหรับวิศวกรในการคัดลอก เขากล่าวเสริม

แต่เขายอมรับว่า “เป็นสิ่งหนึ่งที่ต้องเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ เป็นการใช้ประโยชน์จากมันจริง ๆ อีกเรื่องหนึ่ง”

ลอง ลองใหม่

อย่างที่วิศวกรทุกคนสามารถบอกคุณได้ การออกแบบครั้งแรกสำหรับบางสิ่งอาจไม่ได้ผลเสมอไป บางครั้งการออกแบบต้องการการปรับแต่งหรือสองหรือหลายสิบ นั่นเป็นความจริงแม้ว่าวิศวกรจะเริ่มต้นด้วยพิมพ์เขียวที่พยายามและเป็นจริงอย่างหนึ่งของธรรมชาติ

ลองถามโจแอนนา ไอเซนเบิร์กดูสิ เธอเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในเคมบริดจ์ รัฐแมสซาชูเซตส์ เธอและทีมของเธอเพิ่งสร้างพื้นผิวเพื่อรวบรวมน้ำจากอากาศ พวกเขาเริ่มต้นด้วยการออกแบบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากการกระแทกขนาดเล็กรูปโดมบนเปลือกหอยของแมลงเต่าทองของนามิบ

นักวิจัยพบว่าในอากาศที่ชื้นมาก หยดน้ำจะควบแน่นที่จุดสูงสุดของการกระแทกแต่ละครั้ง การทดสอบของพวกเขาแสดงให้เห็นว่ายิ่งกระแทกเล็กเท่าไหร่หยดก็จะยิ่งโตเร็วขึ้น แต่แล้วนักวิทยาศาสตร์ก็สังเกตเห็นปัญหา ลูกปัดน้ำจะเติบโตอย่างรวดเร็วในตอนแรก แล้วช้ากว่ามาก นั่นเป็นเพราะว่าแต่ละหยดที่กำลังเติบโตจะปกคลุมยอดเขาในที่สุด ซึ่งการควบแน่นจะมีประสิทธิภาพมากที่สุด

ดังนั้นนักวิจัยจึงตัดสินใจเปลี่ยนรูปร่างของกระแทกบนพื้นผิวทดสอบ แทนที่จะเป็นโดมโค้ง พวกเขาทำกล่องทรงแบนที่มีขอบโค้งมนเล็กน้อย การออกแบบนั้นทำให้พื้นที่ราบขนาดใหญ่อยู่ด้านบนของแต่ละชนเพื่อรวบรวมหยด ที่สำคัญกว่านั้น การออกแบบทำให้หยดน้ำที่กำลังเติบโตอยู่ห่างจากขอบโค้งมนของกระแทก ซึ่งหยดน้ำใหม่จะก่อตัวได้ง่ายที่สุด

การออกแบบใหม่นั้นทำให้หยดน้ำเติบโตได้นานขึ้น Kyoo-Chul Park สมาชิกในทีมกล่าวเสริมว่า การเพิ่มการเก็บน้ำในระยะสั้น เขาเป็นวิศวกรเครื่องกลที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด แต่เหมือนเมื่อก่อน ละอองน้ำก็ค่อยๆ ขยายใหญ่ขึ้นเพื่อปกคลุมก้น เมื่อนั้นทีมได้ตระหนักถึงบางสิ่ง: ในการเก็บน้ำต่อไป พวกเขาจำเป็นต้องเอาละอองน้ำออกจากกระแทกเหล่านั้น

ดังนั้นพวกเขาจึงยืมกลอุบายจากสิ่งมีชีวิตในทะเลทรายอีกชนิดหนึ่ง – กระบองเพชร กระบองเพชรหลายชนิดมีหนาม โดยทั่วไปแล้วกระดูกสันหลังจะแหลมที่ปลายและหนากว่าที่ฐาน การมีหนามช่วยปกป้องแคคตัสจากสัตว์กินพืชได้อย่างแน่นอน แต่หนามเหล่านี้มีประโยชน์อีกอย่างหนึ่งเช่นกัน น้ำค้างที่สะสมอยู่บนกระดูกสันหลังจะถูกดึงจากปลายแหลมลงมายังฐานที่กว้างขึ้นโดยการกระทำของเส้นเลือดฝอย โมเลกุลของน้ำดึงกันไปตามพื้นผิวที่วางอยู่ ส่งผลให้น้ำไหลเข้าหาต้นพืชแล้วไหลลงสู่พื้นดิน เป็นการออกแบบที่ช่วยรดน้ำต้นกระบองเพชรนั่นเอง!

นักวิจัยได้เปลี่ยนรูปร่างของการกระแทกบนพื้นผิวอีกครั้ง พวกเขาทำให้พวกเขาดูเหมือนทางลาดสเก็ตบอร์ดขนาดเล็กที่มียอดแคบและฐานกว้าง ด้วยรูปร่างนั้น หยดน้ำก่อตัวขึ้นบนกระแทก แล้วไหลออกไป Park ตั้งข้อสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้การกระแทกส่วนใหญ่ปราศจากหยดน้ำขนาดใหญ่ ในทางกลับกัน ปล่อยให้หยดเติบโตอย่างต่อเนื่องและเพิ่มการเก็บน้ำโดยรวม

พืชกินเนื้อช่วยชีวิต

นักวิจัยจึงขอยืมกลอุบายจากธรรมชาติอีกอย่างหนึ่งเพื่อช่วยให้หยดละอองไหลออกจากกระแทกได้เร็วยิ่งขึ้น คราวนี้พวกเขาได้รับคำใบ้จากพืชกินเนื้อที่เรียกว่าต้นเหยือก พืชเมืองร้อนเหล่านี้ได้รับสารอาหารมากมายจากการบริโภคสัตว์ ซึ่งมักจะเป็นแมลง ต้นเหยือกมีโครงสร้างรูปถังซึ่งมักมีขอบที่เรียบมาก แมลงดึงดูดให้พืชเดินบนขอบนั้น หลายคนยังลื่นไถลและตกอยู่ในความหายนะ

ดังนั้นทีมจึงเปลี่ยนการกระแทกอีกครั้ง คราวนี้พวกเขาให้พื้นผิวที่หยาบกร้านซึ่งจะช่วยยึดสารเคลือบมัน การเคลือบนั้นทำให้การกระแทกนั้นเนียนมาก พวกมันลื่นมากจนการกระทำของเส้นเลือดฝอยสามารถดึงหยดน้ำขึ้น ต้านแรงโน้มถ่วง ถ้าส่วนกว้างของกระแทกสูงกว่าส่วนปลาย

ทีมงานอธิบายผลลัพธ์ใน 3 มีนาคม Nature ในการทดสอบในอากาศชื้น พื้นผิวที่มีลักษณะเป็นกระแทกเรียบๆ รูปทรงแปลกตา เริ่มผลิตหยดน้ำหยดแรกในเวลาประมาณ 16 นาที นั่นคือประมาณหนึ่งในสี่ของเวลาที่จำเป็นสำหรับพื้นผิวประเภทอื่น Aizenberg กล่าว การทดสอบที่กินเวลาไม่กี่ชั่วโมงบ่งชี้ว่าพื้นผิวของพวกมันเก็บน้ำได้จริงด้วยความเร็วมากกว่าพื้นผิวอื่นๆ ถึงหกเท่า

เป้าหมายสูงสุดคือการพัฒนาพื้นผิวขนาดใหญ่ที่สามารถเก็บน้ำดื่มจากอากาศให้กับผู้คนที่อาศัยอยู่ในชุมชนทะเลทราย

พื้นผิวเหล่านี้อาจมีประโยชน์ในหลาย ๆ ที่นอกเหนือจากทะเลทราย Park กล่าว ตัวอย่างเช่น พวกเขาสามารถทำงานในอุปกรณ์ที่เรียกว่าเครื่องลดความชื้น เครื่องจักรเหล่านี้ใช้การควบแน่นเพื่อดึงไอน้ำจากอากาศชื้นภายในบ้าน ผู้คนใช้เครื่องลดความชื้นเพื่อหายใจได้ง่ายขึ้นหรือรู้สึกสบายขึ้น พวกเขายังใช้เพื่อป้องกันเชื้อราในบริเวณที่ชื้นเช่นห้องใต้ดิน

เคล็ดลับการหยุดน้ำแข็ง

ท่ามกลางความร้อนแรงของทะเลทรายนามิบ หยดน้ำบนแผ่นหลังที่เป็นหลุมเป็นบ่อของแมลงปีกแข็งไม่เสี่ยงต่อการแช่แข็งอย่างแน่นอน แต่เทคนิคการเก็บน้ำของพวกเขาอาจช่วยวิศวกรออกแบบพื้นผิวที่ปราศจากน้ำแข็งและน้ำค้างแข็งในที่เย็นกว่า

เมื่อหยดน้ำก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวเรียบ พวกมันจะปรากฏขึ้นแบบสุ่มทั่วทุกแห่ง พวกเขาเริ่มต้นจากขนาดเล็ก แต่เมื่อเติบโตขึ้น พวกมันก็จะรวมตัวกัน แล้วร่วมกันทำละอองน้ำที่ใหญ่ขึ้น เมื่อมันโตพอ แรงโน้มถ่วงทำให้มันวิ่งออกไป ทำให้มีที่ว่างสำหรับหยดใหม่ก่อตัวขึ้น (นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับกระจกเย็น ๆ ในห้องน้ำชื้นเป็นต้น)

แต่ลองนึกภาพกระบวนการเดียวกันนี้ที่เกิดขึ้นกลางแจ้ง ในอากาศที่หนาวเย็น บางครั้ง หยดน้ำจะควบแน่นบนพื้นผิวแต่คงสถานะของเหลวแม้ว่าอุณหภูมิของอากาศจะต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง เพื่อให้กลายเป็นน้ำแข็ง ละอองที่เย็นยิ่งยวดเหล่านี้ต้องการอนุภาคในการตกผลึกรอบๆ ในตอนนี้ สมมติว่ามีฝุ่นเล็กน้อยลอยลงมาเป็นหยดเดียวและทำให้เกิดการแช่แข็ง เนื่องจากน้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ ละอองเยือกแข็งจึงขยายตัว หากขอบของน้ำแข็งที่สดใหม่นั้นกระแทกเข้ากับหยดน้ำที่อยู่ใกล้เคียง มันสามารถทำให้หยดนั้นกลายเป็นน้ำแข็งได้ และอื่นๆ ในสภาวะที่เหมาะสม ปฏิกิริยาลูกโซ่นั้นสามารถปกคลุมหน้าต่างหรือกระจกหน้ารถด้วยความเย็นจัด

แต่บางทีอาจมีวิธีที่จะหยุดการแพร่กระจายของน้ำแข็ง Jonathan Boreyko กล่าว เขาเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่ Virginia Tech ใน Blacksburg วิธีหนึ่งในการหยุดหรือชะลอกระบวนการทำไอซิ่ง เขาแนะนำว่า อาจเป็นการป้องกันไม่ให้หยดละอองมารวมกันใกล้พอที่จะสัมผัสได้เมื่อเริ่มแข็งตัว

นั่นเป็นเหตุผลที่ว่าทำไมแมลงเต่าทองในทะเลทรายนามิบจึงนึกถึง บอเรย์โกกล่าว ตามที่ไอเซนเบิร์กและทีมของเธอตั้งข้อสังเกตไว้ หยดน้ำจะควบแน่นบนกระแทกได้ง่ายกว่าที่เกิดขึ้นในช่องว่างระหว่างกัน ดังนั้นการแยกละอองบนกระแทกสามารถทำให้พวกเขาอยู่ห่างจากกัน แต่แทนที่จะทำให้เกิดการกระแทกบนพื้นผิวของพวกเขา Boreyko และทีมของเขาตัดสินใจที่จะใช้แนวทางที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย พวกเขาเลือกที่จะสร้างเกาะเก็บน้ำบนพื้นผิวที่ขับไล่น้ำทุกที่

สำหรับการทดสอบ พวกเขาเริ่มต้นด้วยเวเฟอร์ของซิลิคอน นั่นเป็นวัสดุประเภทเดียวกับที่ใช้ทำชิปคอมพิวเตอร์ พวกเขาล้างพื้นผิวด้วยกรดเพื่อให้แน่ใจว่าสะอาดและปราศจากสารกันน้ำ จากนั้นจึงเคลือบพื้นผิวทั้งหมดด้วยชั้นของพอลิเมอร์ที่กันน้ำได้ (คิดเหมือนสีเคลือบกันน้ำ) ในที่สุด พวกเขาใช้กระแสพลาสม่าร้อนหรืออะตอมที่แยกออกเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกและลบ เพื่อแกะสลักลวดลายในพอลิเมอร์ ขั้นตอนนั้นเผยให้เห็นพื้นที่เล็ก ๆ ของซิลิกอนด้านล่าง และเนื่องจากพลาสมามีออกซิเจน การแกะสลักจึงสร้างแผ่นซิลิกอนออกไซด์ที่ดึงดูดน้ำ

พื้นผิวที่บอบบางเป็นเครื่องพิสูจน์หลักการ

ในตัวอย่างขนาดเท่าแสตมป์ นักวิจัยได้สร้างลวดลายที่ดึงดูดน้ำในรูปทรงและขนาดต่างๆ มากมาย ตัวอย่างบางส่วนถูกปกคลุมด้วยจุดเล็กๆ อื่น ๆ มีสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ สามเหลี่ยมหรือลายทาง บางครั้งพื้นที่ดึงดูดน้ำก็อยู่ใกล้กัน สำหรับตัวอย่างอื่นๆ พวกมันถูกแยกออกจากกัน

เมื่อพวกเขาทำการทดสอบในห้องแล็บ นักวิจัยสังเกตเห็นบางสิ่งที่น่าสนใจ เมื่อหยดหนึ่งแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง หยดของเหลวที่อยู่ใกล้เคียงก็จะระเหยไป นั่นเป็นเพราะน้ำแข็งดูดความชื้นจากอากาศในขณะที่น้ำแข็งกลายเป็นน้ำแข็ง ที่ลดความชื้นในอากาศรอบ ๆ หยดใกล้ ๆ ที่ยังไม่แช่แข็ง และนั่นทำให้พวกเขาระเหย Boreyko ชี้ให้เห็น เขาอธิบายว่าจุดเยือกแข็งกำลังทำให้พื้นที่รอบๆ ตัวแห้ง

“เมื่อจุดต่างๆ อยู่ห่างกันมากพอ น้ำแข็งจะไม่สามารถกระจายความเย็นไปยังหยดที่อยู่ใกล้เคียงได้อีกต่อไป เพราะพวกมันอยู่ไกลเกินไป” Boreyko กล่าว เขาและทีมของเขาอธิบายผลการทดสอบของพวกเขาในวันที่ 22 มกราคมในรายงานทางวิทยาศาสตร์

พื้นที่ผิวที่ Boreyko และทีมของเขาทำการทดสอบนั้นเป็นแผ่นเล็กๆ ที่วัดได้เพียง 0.5 มิลลิเมตร (0.02 นิ้ว) แต่เขาควรจะทำให้กระบวนการทำงานในพื้นที่ขนาดใหญ่ได้ง่ายเช่นกัน นอกจากนี้ ชั้นกันน้ำที่นักวิจัยเพิ่มไปยังพื้นผิวนั้นมีความละเอียดอ่อน มันคงไม่สามารถทนต่อสภาพโลกแห่งความเป็นจริงได้ อย่างไรก็ตาม ควรออกแบบชั้นที่แข็งแรงขึ้นซึ่งสามารถทนต่อลม ฝน และสภาวะที่รุนแรงอื่นๆ ได้

นักวิจัยกล่าวว่าเทคโนโลยีนี้อาจใช้กันอย่างแพร่หลาย อาจช่วยป้องกันน้ำแข็งไม่ให้สะสมบนเครื่องทำความร้อนและความเย็นภายในบ้าน เป็นต้น แม้กระทั่งอาจช่วยป้องกันไม่ให้น้ำแข็งก่อตัวบนปีกเครื่องบินและใบพัดกังหันลม ซึ่งสามารถช่วยประหยัดเงินได้มาก เนื่องจากสนามบินไม่ต้องซื้อสารเคมีกำจัดน้ำแข็งในปริมาณมาก Boreyko กล่าว การหลีกเลี่ยงสารเคมีที่รุนแรงเหล่านั้นก็จะดีต่อสิ่งแวดล้อมเช่นกัน

“การให้ความสำคัญกับการควบคุมการควบแน่นและการแช่แข็งมากขึ้น เราอาจจบลงด้วยการประหยัดต้นทุนได้มาก” เขากล่าว

พื้นผิวใหม่สามารถช่วยประหยัดเงินและสิ่งแวดล้อมได้ ทั้งหมดนี้ต้องขอบคุณด้วงตัวน้อยที่มีความสามารถพิเศษในการเก็บน้ำ

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ matrix1inc.com