Thế giới tự nhiên kỳ diệu đã trải qua những tiến hóa tuyệt vời. Trong đó, nhiều loại vật có những khả năng mà con người có thể học hỏi, ứng dụng để giải quyết những vấn đề thực tế một cách hoàn hảo.
1. Từ mỏ chim bói cá đến tàu cao tốc Shinkansen (Nhật Bản)
Khi mới ra mắt, tàu cao tốc Shinkansen 500 khi chạy với tốc độ cao ra khỏi đường hầm đã tạo ra một làn sóng áp suất không khí khổng lồ, gây ra tiếng nổ lớn, rất ồn ào, khó chịu và tạo cảm giác bất an cho cộng đồng xung quanh. Vì vậy, các kỹ sư có nhiệm vụ phải khắc phục sự cố này mà không làm thay đổi tốc độ và tính hiệu quả của tàu. Thật bất ngờ, giải pháp đến từ … chiếc mỏ của chim bói cá.
Theo quan sát của kỹ sư trưởng Eiji Nakatsu, con chim bói cá có thể lao từ không trung xuống nước mà không hề làm bắn nước dù môi trường nước đặc hơn không khí rất nhiều. Bí quyết của loài chim này nằm ở chiếc mỏ dài và thon, giúp chúng có thể cắt qua các mặt phẳng với mật độ khác nhau với độ nhiễu tối thiểu. Do vậy, các kỹ sư đã thiết kế lại mũi tàu dựa theo mô phỏng mỏ chim bói cá để có thể giải bài toán kỹ thuật về tiếng ồn khi tàu ra khỏi đường hầm. Việc thay đổi thiết kế này đã được cho là đã làm tăng hiệu suất và tốc độ trong khi vẫn đáp ứng yêu cầu về tiêu chuẩn tiếng ồn.
2. Ứng dụng “bàn chân thằn lằn”
Theo các nhà khoa học, việc thằn lằn có thể bám chặt vào mọi bề mặt dù treo lơ lửng trên trần nhà hay trên mặt lá cây trơn trượt là một điều kỳ diệu. Sau nhiều năm nghiên cứu, họ đã phát hiện ra rằng nhờ những cấu trúc vi mô trên bàn chân, loài vật nhỏ bé này có thể nâng đỡ toàn bộ cơ thể trên mọi bề mặt. Theo đó, mỗi ngón chân thằn lằn được bao phủ bởi hàng triệu các sợi lông nhỏ li ti, mỗi sợi này lại phân nhánh thành hàng trăm sợi nhỏ hơn nữa. Điều kỳ diệu hơn là, thằn lằn có thể dễ dàng tách các lực bám bằng cách thay đổi góc bàn chân, khiến chúng có thể di chuyển vô cùng linh hoạt và nhanh chóng.
Ứng dụng cấu trúc vi mô từ bàn chân thằn lằn, các nhà khoa học đã tạo ra những “băng dính tắc kè” thử nghiệm có tác dụng chịu được trọng lực đáng kể mà không để lại cặn bám. Nguyên lý “bàn chân tắc kè” cũng được ứng dụng để phát triển các loại robot leo trèo để có thể kiểm tra các thiết bị ở vị trí khó khăn hoặc các thiết bị y tế cần gắn tạm thời mà không để lại cặn bám. Gần đây, các nhà nghiên cứu còn phát triển loại băng dính phẫu thuật có thể thay thế chỉ khâu nhờ nguyên lý này.
3. Cấu trúc da độc đáo của cá mập: Hàng rào tự nhiên ngăn ngừa vi khuẩn
Lấy cảm hứng từ cấu trúc da độc đáo của cá mập, kỹ sư Anthony Brennan đã phát triển một loại bề mặt có hoa văn với tên gọi là Sharklet, có tác dụng giảm sự xâm nhập của vi khuẩn và ngăn chặn sự bám dính trên bề mặt trơn nhẵn lên tới 85%. Bề mặt hoa văn này được sử dụng ở các bộ phận tay nắm, dụng cụ y tế và bàn di chuột trong các bệnh viện như một cách tự nhiên chống lại vi khuẩn.
Theo nghiên cứu, làn da cá mập được bao phủ bởi hàng triệu vảy nhỏ có hình chữ V, trông giống như những chiếc răng, tạo nên một bề mặt thô ráp có tác dụng ngăn ngừa các loại vi khuẩn, vi sinh vật và tảo bám vào. Do vậy, giống như một chiếc khiên tự nhiên, làn da này phá vỡ lớp nước mỏng có các loài loại vi khuẩn và vi sinh vật trú ngụ, khiến cho chúng dễ bị nước cuốn trôi.
4. Từ vây cá voi đến sản xuất năng lượng gió
Bạn có biết để sản xuất các tua-bin tạo ra năng lượng từ gió, kể cả khi tốc độ gió rất thấp, các nhà khoa học đã mô phỏng lại nguyên lý hoạt động của chân chèo, vây và đuôi cá voi? Theo quan sát, mặc dù cá voi gù có kích thước khổng lồ nhưng chúng có khả năng bơi lội vô cùng nhanh nhẹn và linh hoạt. Thậm chí, chúng có thể thực hiện những cú ngoặt gấp hay những cú lao mạnh mẽ để săn con mồi dễ dàng.
Để lý giải điều này, các nhà khoa học đã dành nhiều năm nghiên cứu và phát hiện ra rằng chính những những bướu hay còn gọi là gờ sần nằm dọc theo mép trước của vây cá voi đã giúp chúng kiểm soát cơ thể ngay cả ở những góc dấn tốc có thể gây mất thăng bằng. Sau phát hiện này, “hiệu ứng gờ sần” của vây cá voi, chân chèo và đuôi cong của chúng đã được ứng dụng vào các tua – bin gió, giúp các tua-bin này hoạt động êm ái hơn, giảm áp lực lên cấu trúc, đồng thời tránh “chết máy” khi áp lực gió giảm.
5. “Máy điều hòa” của các tổ mối
Sự ra đời của nhiều tòa nhà tiết kiệm năng lượng đã đánh dấu việc biến cảm hứng từ cấu trúc kỳ diệu của tổ mối vào đời sống. Theo quan sát, giữa cái nóng lên tới trên 38°C ở các thảo nguyên khô cằn của Châu Phi, nhiệt độ bên trong của các ụ mối vẫn rất ổn định, đảm bảo cho sự sinh sôi và phát triển của cả đàn mối. Chúng như có một “máy điều hòa nhiệt độ” tự nhiên nhờ có một mạng lưới đường hầm, lỗ thông hơi và ống khói giúp thông gió. Do vậy, không khí nóng sẽ được thoát ra ngoài nhờ các ống khói trung tâm trong khi không khí mát hơn sẽ được hút vào qua các đường hầm gần chân tháp đã được làm mát bởi đất xung quanh.
Học hỏi từ cấu trúc tổ mối, các kiến trúc sư đã thiết kế nhiều tòa nhà thông minh để tiết kiệm năng lượng. Chẳng hạn, trung tâm Eastgate ở Harare, Zimbabwe đã mô phỏng cấu trúc tổ mối để giảm sự phụ thuộc vào điều hòa không khí, tiết kiệm năng lượng trong khi vẫn đảm bảo nhiệt độ ổn định dễ chịu cho cư dân.
6. Ứng dụng cách làm sạch tự nhiên của lá sen
Lá sen vốn có khả năng tự làm sạch nhờ một cấu trúc vi mô và nano kỵ nước do được phủ một lớp sáp. Do vậy, khi nước rơi xuống lá sen, nước sẽ đọng lại thành hạt hình cầu và khi những giọt nước này lăn trên bề mặt lá, chúng sẽ có tác dụng cuốn trôi bụi bẩn và các chất gây ô nhiễm, giúp lá sen sạch sẽ. Bên cạnh đó, nhờ cấu trúc này, lá sen cũng có khả năng chống lại các loại vi khuẩn bám trên bề mặt.
Lấy cảm hứng từ “hiệu ứng lá sen”, các nhà khoa học đã phát triển các loại sơn, kính và vải tự làm sạch. Theo đó, họ đã tạo ra những lớp phủ mô phỏng bề mặt siêu kị nước của lá sen, cho phép nước mưa rửa trôi bụi bẩn hoặc làm cho quần áo chống bám bẩn, giúp giảm thiểu hóa chất tẩy rửa mạnh, góp phần bảo vệ môi trường.
7. Keo dán lấy cảm hứng từ loài trai
Để tạo ra loại keo dán có khả năng bám chặt vào các bề mặt ướt, gồ ghề, các nhà khoa học đã học hỏi từ cấu trúc của loài trai, loài vật có khả năng bám chặt vào các loại bề mặt dưới nước. Theo đó, trai có những sợi tơ được neo giữ bằng các mảng bám. Nhờ chứa các protein giàu DOPA, một loại axit amin có thể liên kết khi có nước, các mảng bám này cho phép trai có thể bám dính chắc chắn với đá, kim loại hoặc nhựa. Mô phỏng cấu trúc bám dính của trai, các nhà khoa học đã và đang phát triển loại keo dán có khả năng bám trên các bề mặt trong môi trường nước, có thể sử dụng để sửa chữa tàu thuyền hoặc dùng trong y tế. Chẳng hạn, có thể có các loại keo dán phẫu thuật cho các mô bên trong ướt hoặc các chất kết dính cho cấy ghép y tế và các vật liệu sửa chữa xương.
8. Cánh bướm bền màu
Nghiên cứu về đôi cánh xanh óng ánh của bướm Morpho, các nhà khoa học phát hiện ra rằng những màu sắc này được tạo ra nhờ các cấu trúc nano siêu nhỏ trên vảy cánh giúp điều khiển ánh sáng: các bước sóng xanh được tăng cường và phản xạ trong khi các bước sóng khác có thể triệt tiêu nhau, tạo nên những màu sắc lấp lánh thay đổi theo góc nhìn.
Điều này đã tạo nên một nguồn cảm hứng sáng tạo mới cho lĩnh vực vật liệu. Các kỹ sư đang nghiên cứu chế tạo thuốc nhuộm không cần màu sắc mà vẫn duy trì được sự sống động bền vững, các tính năng bảo mật quang học trong phòng chống hàng giả hay các màn hình trình chiếu hiển thị hình ảnh mà không cần đèn màu nền truyền thống.
9. Xúc tu bạch tuộc và những robot có tay linh hoạt
Khi mới xuất hiện, các robot thường có hình dáng khá thô, nặng nề với bàn tay cứng nhắc. Tuy vậy, với cảm hứng từ những chiếc tua bạch tuộc linh hoạt, các nhà khoa học đã và đang phát triển các robot có tay mềm mại, có thể nắm giữ các vật dễ vỡ hay thậm chí có thể hoạt động dưới nước an toàn.
Theo quan sát, bạch tuộc có những “đôi tay” vô cùng khéo léo, giúp chúng có thể kẹp, khám phá và cảm nhận mọi vật nhờ những giác hút đặc biệt. Những xúc tu này có cơ chế hoạt động phức tạp, giúp bạch tuộc có thể bám chặt tạm thời trên các bề mặt ướt, gồ ghề hoặc nhẵn chính xác. Nghiên cứu và học hỏi từ cơ chế xúc tu của bạch tuộc, các nhà khoa học hy vọng có thể ứng dụng những “xúc tu” này trong sản xuất dụng cụ phẫu thuật, dụng cụ dưới nước hoặc cánh tay robot phục vụ cho các ngành sản xuất tinh xảo.
10. Ứng dụng nhờ chiếc lưỡi kỳ diệu của tắc kè hoa
Nghiên cứu về chiếc lưỡi kỳ diệu của tắc kè hoa, các nhà khoa học tại Đại học Nam Florida đã phát hiện ra rằng nhờ các cơ quấn quanh một xương thon bên trong lưỡi, lưu trữ năng lượng đàn hồi, tắc kè hoa có thể phóng lưỡi ra ngoài với tốc độ lên tới 16 feet (5 m) mỗi giây. “Cơ chế bắn lưỡi” này đã và đang truyền cảm hứng cho các kỹ sư nghiên cứu các công cụ y tế và robot. Nếu thành công, các thiết bị nhỏ bé dựa trên cơ chế bắn nhanh như lưỡi tắc kè có thể loại bỏ các cục máu đông trong các mạch máu mỏng manh. Trong công nghệ robot và vũ trụ, các hệ thống tương tự có thể giúp thu gom các mảnh vỡ trong các vụ sập nhà hoặc bắt giữ các vật thể trong điều kiện không trọng lực.