Mô phỏng sinh học - Biomimétique

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm

Phỏng sinh học (khoa học về mô phỏng sinh vật) là môn khoa học mô phỏng kết cấu, chức năng của các sinh vật, hệ sinh vật để thiết kế, chế tạo ra các hệ thống kỹ thuật, công trình. Phỏng sinh học đã đạt được những thành tựu rất đáng khích lệ, mang lại nhiều ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cao phục vụ cuộc sống con người.

Trong thiên nhiên có vô vàn chủng loại sinh vật và mỗi một loại đó sở hữu một cái gì đó độc nhất vô nhị.

Ngay từ thời tiền sử, những người sống trong hang động đã biết khâu quần áo cho mình bằng một dụng cụ giống như cái kim - đó là những chiếc xương nhọn có một lỗ nhỏ. Chiếc kim y tế dùng để tiêm thuốc đã được con người chế tạo theo mô hình của những chiếc răng rắn nhọn hoắt. Có điều con người không thể đưa vào chiếc kim nhân tạo đó chất gây tê và chất sát trùng mà thiên nhiên đã ban tặng cho loài rắn.

Thời Phục hưng, Leonardo da Vinci đã đề xuất việc chế tạo thiết bị bay mô phỏng theo cách vỗ cánh của con chim.

Nhiều người biết rằng mỗi một con chim bồ câu là một hoa tiêu xuất sắc biết chọn đường bay theo hướng tối ưu. Song không phải ai cũng biết rằng sau khi nghiên cứu chim bồ câu, con người đã chế tạo ra những thiết bị định hướng bay. Nhờ có loài dơi mà chúng ta đã phát minh ra ra - đa.

Các kỹ sư của không lực Hoa Kỳ, NASA và Hãng Boing đã dành mấy năm nghiên cứu loài chim và ong. Và kết quả là họ đã bắt tay vào việc chế tạo loại máy bay phản lực tiêm kích “cánh cụp cánh xòe” để có thể tàng hình trong khi bay và giảm nhẹ trọng lượng của máy bay nhằm tiết kiệm nhiên liệu. Các nhà khoa học của trường Đại học quốc gia Áo đã quan tâm nhiều hơn tới cách bay của con chuồn chuồn: “Mặc dầu có bộ óc rất nhỏ, song loài côn trùng này có khả năng thực hiện những thao tác nhanh chóng và chính xác trong không trung vốn đòi hỏi độ vững chãi và khả năng biết tránh né những sự va chạm”.

Loài nhuyễn thể hai mảnh thường bám chặt lấy đáy tàu biển. Một mặt, điều đó là có hại, nhưng mặt khác, đó lại là ý tưởng để tạo ra chất siêu keo: nó giúp cho việc dán lại những tấm kim loại bị ôxy hóa và thậm chí còn thay thế cả những đường khớp phẫu thuật trên cơ thể con người sau khi mổ.

Bằng cách tiếp thu công nghệ của loài sao biển, các nhà khoa học đã tạo ra những tinh thể có độ chính xác cao mà rồi đây sẽ giúp cho việc cải tiến mạng lưới viễn thông. Phần lớn thấu kính hiện nay được chế tạo bằng phương pháp mài nhẵn thủy tinh một cách kỹ lưỡng. Con sao biển đã sử dụng một phương pháp khác: nó cấy hết lớp canxi này đến lớp canxi khác lên tấm đệm hữu cơ của một phức thể vốn dẫn tới việc tạo ra những thấu kính bằng các tinh thể. Bằng cách vận dụng công nghệ tự nhiên này, các nhà khoa học đã nghiên cứu một phương pháp mới cho phép họ chế tạo ra những tinh thể toàn vẹn của canxi có những cấu trúc mà kích cỡ không vượt quá một phần mười độ dày của sợi tóc con người. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng, hàng nghìn tinh thể canxi nằm rải rác trên cơ thể con sao biển đồng thời cũng là cơ quan thị giác của con vật. Những vi thấu kính này bằng một cách tự nhiên đã điều chỉnh những sai lệch vốn tiêu biểu cho loại thấu kính thông thường: sự phân đôi ánh sáng, sự quang sai hình cầu. Những thí nghiệm mô phỏng cấu trúc các tinh thể của sao biển được khởi đầu nhằm mục đích tạo ra vi thấu kính có cấu trúc phức tạp.

Loài gián thường làm chúng ta ghê sợ và hôi hám, khiến con người rượt đuổi chúng để tiêu diệt, nhưng gián ta đã trốn thoát một cách tài tình. Và không phải là ngẫu nhiên. Vấn đề là ở chỗ gián có một hệ thần kinh rất phát triển. Nó kiểm soát liên tục những biến đổi nhỏ nhất xảy ra ở chung quanh và khi xuất hiện mối nguy hiểm thì nó liền phản ứng một cách nhanh chóng, dứt khoát và điều chủ yếu nhất là cực kỳ chính xác. Các nhà khoa học Mỹ nghiên cứu rất kỹ cách ứng xử của con gián trong giây phút hiểm nguy và từ đó đã bắt đầu thực hiện một công trình về hệ thống cảm giác vận động nhạy bén cho phép tránh được những vụ vạ chạm của xe ô tô dưới đất và của máy bay trên trời. Chính con gián góp phần giảm thiểu những tai nạn giao thông đáng tiếc! Người ta sáng tạo ra được một mô hình điều khiển tự động bằng vô tuyến điện với “bộ não của con gián”. Và trong một tương lai không xa sẽ xuất hiện một loại ôtô không cần người cầm lái, bởi lẽ điều khiển nó sẽ là “con gián- máy vi tính”. Con gián cũng bắt các nhà khoa học New Zealand phải động não. Sau chừng mười lăm năm nữa những con rôbốt sẽ đến với chúng ta với tư cách là người giúp việc trong nhà và sẽ đảm nhiệm một phần lớn công việc nội trợ như hút bụi, cắt cỏ, rửa bát đĩa, lau sàn nhà và cửa sổ, trải giường...

Trong cơ thể của một loài nhện Mỹ la-tinh có gen tạo tơ. Thông qua công nghệ sinh học, các nhà khoa học cấy gen này vào một loài khuẩn để sản xuất ra protein tạo thành tơ nhện. Nhờ vậy, đã sản xuất được loại tơ giống tơ nhện. Độ bền của loại tơ này rất cao, có thể kéo dài mà không đứt. Người ta đã nghĩ tới việc dùng chất này để chế tạo vật liệu bền chắc giống như sợi silic lại rất nhẹ để làm lớp vỏ ngoài bảo vệ máy bay; áo, mũ chống đạn; ô che và những bộ nữ trang lấp lánh, hiện đại. Các nhà khoa học Châu Âu cũng đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu dùng chất protein tơ nhện nhân tạo để chế tạo ra các khớp xương sụn, cơ nhân tạo dùng cho người và bông băng dùng trong y học. Tấm mạng nhện không chỉ bền gấp 5 lần thép mà còn có sức đàn hồi và độ giãn nở hơn chất nylon tốt nhất khoảng một phần ba lần. Độ bền của tấm mạng nhện chắc đến nỗi nếu như con nhện to bằng người thật thì nó có thể dễ dàng túm được cả một chiếc phản lực chở hành khách không may sa vào tấm mạng của nó. Từ một chất liệu mới “được vay mượn” ở con nhện, các nhà khoa học đã đề nghị sản xuất thắt lưng an toàn, dây dẫn không trọng lượng, chỉ y tế, săm lốp ôtô, thậm chí dây chằng nhân tạo, bởi lẽ chất protein của mạng nhện trên thực tế không bị cơ thể “tẩy chay”.

Đôi cánh của một loài bướm có hai màu vàng và lam, đồng thời có vô số những rãnh nhỏ lõm xuống tạo ra những dốc nghiêng. Vì kích thước rãnh quá nhỏ, khi tia sáng chiếu vào đáy rãnh bị phản xạ hai lần thì mắt người không thể phân biệt được rõ ràng hai màu vàng và lam, mà trở thành màu lục. Các nhà khoa học áp dụng những đặc điểm kết cấu cánh của loài bướm này chế tạo tiền giấy và thẻ tín dụng. Những kẻ làm tiền giả không thể có được công nghệ tạo ra vô số những rãnh nhỏ với kích thước và mật độ phân bố như ở tiền và thẻ tín dụng thật, chỉ cần đưa qua thiết bị quang học chuyên môn, người ta có thể phát hiện chính xác được tiền và thẻ giả.

Các nhà khoa học Pháp đã chọn mắt ruồi để gắn cho một thế hệ người máy mới, tạo cho người máy sự nhanh nhẹn chuẩn xác. Người máy mắt ruồi này có một đôi mắt phức tạp được tạo thành từ 1000 chiếc mắt nhỏ giống như những thấu kính. Người máy này sẽ căn cứ vào những dữ liệu thông tin thu được từ mỗi thấu kính để có những phản ứng trước những thay đổi của môi trường. Một đặc điểm nữa là bề mặt mắt của ruồi được tạo thành từ hàng loạt những ô nhỏ dạng hình bình hành lồi lên, khiến cho ruồi có thể tiếp nhận tia sáng lệch 72 độ so với phương thẳng. Các nhà khoa học đã mô phỏng theo kết cấu này thiết kế những tấm pin mặt trời sẽ tăng năng lượng sản xuất hơn 10%.

Các nhà khoa học đã tách thành công gen phát quang của đom đóm cấy vào trong các loài hoa, cỏ khiến cho các cây hoa, cỏ này nhấp nháy sáng. Bột huỳnh quang sản xuất theo cách này có thể dùng để tạo ra những bức tường phát quang không bức xạ nhiệt hoặc sinh ra ánh sáng lạnh. Điều này có ý nghĩa lớn đối với các phòng phẫu thuật trong y học, các phòng thí nghiệm và giúp bộ đội hoạt động vào ban đêm được thuận lợi.

Nhà thực vật học Đức Wilgelm Barlot của Trường đại học Bonn với sự trợ giúp của chiếc kính hiển vi điện tử đã nghiên cứu trong vòng 20 năm cấu tạo bề mặt của hàng nghìn loài thực vật để hiểu rõ tại sao hoa sen trắng sống trong bùn mà vẫn sạch sẽ tinh tươm, “chẳng hôi tanh mùi bùn”. Ông đã phát hiện ra rằng những cánh hoa sen trắng được rải đầy những mũi nhọn bé xíu. Trên các mũi nhọn như vậy các hạt bụi bẩn rất khó trụ vững, và một cơn mưa nhỏ cũng dễ dàng cuốn sạch chúng đi. Những nhà sản xuất sơn ở Đức đã tận dụng “hiệu quả hoa sen” ấy. Những bức tường được phủ lớp sơn như vậy không cần phải cọ rửa trong vòng 5 năm. Và nhờ có cây hoa hướng dương mà chúng ta đã làm được loại pin mặt trời... Hiểu được cách thiên nhiên đã tạo ra một điều kỳ diệu này hay một điều kỳ diệu khác như thế nào và tái tạo nó ra sao quả là không đơn giản.

Ngành mô phỏng sinh học có sứ mệnh không chỉ thán phục sự hoàn hảo của thiên nhiên mà còn phải học hỏi ở nó để tạo ra những khám phá khoa học mang lại lợi ích cho xã hội loài người.

Dường như bất cứ một vấn đề nào nảy sinh ở loài người thì đều tìm thấy lời giải đáp trong thiên nhiên.

Tham khảo

  • Sự vay mươn thiên nhiên! [1]
  • Mô phỏng sinh học là gì? [2]