Från att skörda energi till att bygga nätverk har naturen löst problem i miljarder år längre än vad människor har gjort.
Hur exakt förvandlar man solljus och vatten till användbar energi? Om det var möjligt att ställa den här frågan till vilken levande organism som helst på jorden, skulle du kunna göra mycket bättre än att fråga en biolog eller en kemist, eller någon annan människa för den delen, och ta frågan direkt till a blad. Det är målet med biomimik: att ta mänskliga problem och fråga naturen "hur skulle du lösa detta?" Och i allt högre grad förändrar sådana frågor allt, från energi till informationsteknologi till hur vi bygga städer.
Klicka för att starta fotogalleriet
För att se hur ett löv fungerar med sin magi, leta inte längre än till Dr Daniel Noceras labb vid MIT. Igår meddelade Noceras team att de har skapat första praktiska "konstgjorda blad", en syntetisk kiselanordning som delar vatten i syre och väte för bränsleceller med solljus precis som ett naturligt löv gör. Noceras
blad är inte en perfekt imitation av fotosyntes – det kräver till exempel material som nickel och kobolt som måste utvinnas från jorden, och katalysatorer som stimulerar reaktioner som annars inte skulle hända på dem egen. Men det är ett tecken på en växande förändring i hur människor löser stora problem genom att se till naturen för eleganta lösningar snarare än att böja den naturliga världen efter deras vilja.
Med sitt 4,5 miljarder år långa försprång på mänskligheten har den naturliga världen utvecklats en del smart mekanismer för att lösa stora problem, och den naturliga skickligheten är inte bara att informera om nya sätt att generera energi. Det informerar sakta men säkert allt från hur akutmottagningar är utformade till hur datanätverk kommunicerar. Den kräver att elnäten fungerar som bin och att företag hanterar resurser som korallrev hanterar kalorier. Allvarligt.
"Biomimicry är ett vackert sätt att rama in designprocessen för att vara medveten om hur naturen gör saker", säger Dr. John Warner från Warner Babcock Institute for Green Chemistry. "Jag tror att människor under århundradena har blivit lite egoistiska när de försöker böja material och saker till vår vilja."
Warner och hans kollegor är på den vetenskapliga sidan av biomimicrys samarbete mellan biologi och design. Som grön kemist utvecklar han och hans labb nya miljövänliga material som ofta lånar från naturliga processer längs vägen. I Warners värld är värmen, det höga trycket och de giftiga tillsatserna som är inbyggda i mycket konstgjord kemi borta, ersatta med processer som ligger närmare hur naturen skapar material.
På andra sidan av den ekvationen finns ingenjörerna som letar efter nya och bättre material att designa med. Och alltmer finns en starkare dialog mellan de två, delvis driven av en ökad miljömedvetande, men framför allt genom ett pressande krav att lösa stora, övergripande problem vid makro skala.
Ta Noceras blad till exempel: i ljuset av en ständigt hotande global energi- (och miljö)kris, ett sätt att generera elektricitet från rikligt (och förnybart) vatten och solljus kan lösa ett antal enorma problem, både naturliga och mänskliga gjord. Svaret finns där i bladet, och har varit i årtusenden – lås upp den naturliga mekanismen på ett genomförbart, ekonomiskt livskraftigt sätt och du har en vacker lösning på problem som sträcker sig från miljön till det humanitära till det geopolitiska.
"När du tänker på den naturliga världen överträffar naturen oss i sin mångfald, i sin komplexitet, men gör det vid omgivningstemperatur, vid låga tryck, med vatten till största delen som lösningsmedel." Warner säger. Genom att hjälpa människor att tänka mer som ett löv (eller en myrkulle, eller en 1 200 år gammal ek eller en bakteriekoloni), biomimik utnyttjar det mångmiljardåriga försprånget för att ge människor samma typ av komplexitet och mångfald uppfinning.
Klicka dig fram till Galleri att se sex sätt på vilka bioinspirerade lösningar omformar världen på 2000-talet.
Material: Skriva om historien om saker
"Biomimetiska material har potential att skriva om vår historia om saker", säger Tim McGee, seniorbiolog på Biomimicry Group. "För de flesta av de material vi använder idag bryter vi antingen malm eller olja, vi transporterar dem, vi värmer dem, vi bearbetar dem och då brukar de ha produkter inbakade i dem som är lätt giftiga eller inte godartad. Det är helt annorlunda än hur naturliga system använder material." Naturen, säger McGee, använder material som är lätt tillgängliga i närheten och gör det på ett sätt så att när de inte längre behövs kan de brytas ner i sina beståndsdelar och användas igen. Det är inte ett nytt koncept. New York-baserad Ekologisk "växer" förpackningsmaterial, plaster (levande polymerer) och byggnadsisolering från saker som mycel (i princip svamprötter). Den industriella insatsen: jordbruksbiprodukter som boveteskal och bomullsfröskal – inga starka kemikalier, inga globala leveranskedja av råvaror (bilden är Eben Bayer [vänster] och Gavin McIntyre från Ecovative med deras svampbaserade material). Genom att se till ekosystem som en modell skulle vi kunna omorganisera hela vår försörjningskedja av "saker" genom att använda biomimetiska material som kommer från lokalt och manipuleras till i huvudsak vad vi vill att de ska vara utan starka kemikalier processer. Hur? McGee ser en enorm potential i att justera 3D-utskriftsteknik för att bli mer biovänlig. "Just nu använder snabb 3D-utskrift dessa plaster och metaller och andra saker som vi redan vet hur man arbetar med", säger han. "Jag tror att biomimik helt skulle kunna förändra den historien genom att låta dessa snabba prototypmaterial vara bioinspirerade och verkligen prestera på ett sätt som vi aldrig har sett material prestera."
Byggnad: Städer som fungerar som ekosystem
Naturen ger en plan för smarta, effektiva system som till stor del har förbisetts eller ignorerats av dem som organiserar våra befolkningscentra. Det finns mycket att tänka på när det gäller hur vissa kustekar omgärdar sig mot orkanvindar eller i vägen ökenväxter använder sig på det mest effektiva sättet av få nederbörd, men det är bitvisa lösningar på individuella problem. McGee är mer intresserad av en återföreställning av den moderna burgen i grossistledet via "generösa städer" som inte bara livnär sig på sina miljöer, utan istället ger tillbaka till sin omgivning. "Föreställ dig en stad där vattnet som lämnar staden är renare än det som kommer in, eller en stad som bokstavligen andas in koldioxid för att tillverka produkter", säger McGee. "Eller tänk om en stad faktiskt ökar den biologiska mångfalden i en region eller underlättar att det händer på något sätt. Allt detta är möjligt, och folk jobbar på det." Leta inte längre än Calera, ett företag i Kalifornien som framgångsrikt binder koldioxid i betong genom att emulera havskoraller. Istället för att värma kalksten för att skapa betong (och massor av koldioxid), blandar Calera mineralrikt havsvatten med kraftverksutsläpp i en process som gör att kalciumet i vattnet binder till kolet i utsläppen för att bildas cement. Utsläppen från kraftverket binds alltså i betongen som växande städer är byggda av (Calera’s Moss Landing, Kalifornien, pilotanläggning är på bilden).
Ekonomi: Flytta resurser som Coral Reef Calories
Ekonomer av ett visst slag pekar stolt på fria marknader som de mest effektiva fördelarna av resurser. En biolog som studerar hur kalorier rör sig genom korallrev eller de komplexa energicyklerna i afrikansk savann ekosystem kan berätta för dig att avfall är mycket mindre förekommande i naturliga system som maximerar nästan varje bit av energi. Genom att helt enkelt observera näringsnäten är det lätt att se att komplexitet inte alltid föder ineffektivitet, och att system som inte slösar, inte vill. McGee är särskilt intresserad av den här typen av bioinspiration på systemnivå, eftersom det har mindre med att göra skapa något nytt och mer genom att tänka om hur saker som företag och större ekonomiska nätverk är organiserad. "Att hämta inspiration från naturliga system kan hjälpa oss att tänka om eller ombilda våra befintliga system," säger McGee. "Och jag tror att det faktiskt kan få ganska stor inverkan ganska snabbt. Det handlar om hur du organiserar saker, så att du inte behöver material eller utvecklingstid. Du kan sätta den på plats ganska snabbt."
Hälsa: Kämpa mot bakterier med biomimik
Medicin och biologi är av naturen redan tätt sammanflätade, och det finns otaliga exempel på medicinska forskare som återanvänder naturliga processer på riktigt listiga sätt för att skapa allt från bättre lim för lappning ben till proteiner som potentiellt kan behandla blindhet. Men kanske mer spännande än bioinspirerade behandlingar är några av de smarta naturliga mekanismerna som utnyttjas för att hålla patogener och skador i schack. Till exempel Florida-baserad Sharklet Technologies insåg att hajskinn har en unik textur som inte tillåter bakterier och andra organismer att få fäste. Genom att duplicera detta unika mönster på ett självhäftande syntetiskt ark har Sharklet skapat en bakteriefri yta som kan användas på sjukhus, restauranger och andra platser där kontaminering har konsekvenser. Dessutom, eftersom den här tekniken inte dödar bakterier kommer det att vara mycket svårare för dem utveckla ett motstånd mot det, kringgå kärnproblemet med de flesta försök att återskapa bakterier ofarlig. När allt kommer omkring genomgick rotteknologin en 400 miljoner år lång inkubationsperiod i havet, och bakterier har inte kommit på hur de ska omintetgöra den ännu.
Energi: Naturen har redan ett smart nät
Att ta fram ett praktiskt och effektivt sätt att utnyttja fotosyntesen är förmodligen den heliga gralen av energiforskning, men det är inte det enda sättet biomimik har potential att förändra den globala energin paradigm. Biomimicry har potential att koppla om hela världen för billig och riklig energi genom att informera utformningen av smarta nät och annan energiinfrastruktur. Ett företag gör det inte genom att titta på växter, utan på insekter som myror och bin. Toronto-baserad Regen Energy har undersökt "svärmlogik" i flera år nu och utvecklat mjukvara baserad på arbetsprinciperna en insektssvärm – det vill säga att varje enskild nod i systemet behöver inte en direkt order från ledaren för att agera på ett sätt som maximerar nyttan för hela nätverk. Genom att efterlikna svärmintelligens har företaget redan utvecklat ett sätt att hantera energinätverk som HVAC-systemen i stora byggnader för att minska efterfrågan på toppelektricitet. Och för bara några veckor sedan meddelade Regen att Los Angeles Department of Water & Power överväger att utnyttja svärmlogik för att hjälpa till att hantera sitt DOE-finansierade Smart Grid EV-integrationsprojekt, vilket ger bikupans mentalitet till en av USA: s största publik verktyg.
Informationsteknik: Efterliknar naturliga nätverk
Myror och bin informerar inte bara om energinät. "Några av de tidiga framgångarna inom biomimik har redan kommit från miljontals dollar som sparats genom att härma hur en myra kommunicerar information och översätta det till hur du skickar serverpaket över webben eller hur du väljer en rutt för dina lastbilar att köra eller något liknande”, McGee säger. Det finns mycket mer att lära; forskare vid Pacific Northwest National Laboratory har utvecklat en säkerhetssystem för datornätverk baserat på den svärmintelligens myror använder för att försvara sina kullar, och går ända tillbaka till 2007 forskare inspirerade av honungsbins kommunikation byggt ett system som låter nätverk optimera prestanda genom att dra fördel av lediga servrar under perioder med hög efterfrågan. Men McGee tror att vi precis har skrapat på ytan av vad biologi kan göra för IT. "Vi har redan sett en explosion i förhållandet mellan att förstå biologi med hjälp av informationsvetenskap och sedan utveckla idéer inom informationsvetenskap baserat på biologisk insikt", säger han. "Jag tror att det fortfarande finns mycket utrymme där att leka med datavetenskap och biologi genom att lära av biologiska system."
