Biomimetic Design
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 outback just south of Alice Springs and eased the right hind leg of a thorny devil into a dish of water.
A
‘Its back is completely drenched!’ Sure enough, after 30seconds, water from the dish had wicked up the lizard’s leg and was glistening all over its prickly hide. In a few seconds more 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 thorny-devil-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.’
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.
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.
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 self-satisfaction. 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, looked 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 fly like virtuosity.
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. To make the toe pads for Stickybot, Cutkosky and doctoral student Sangbae Kim, the robot’s lead designer, produced a urethane fabric with tiny bristles that end in 30-micrometer points. Though not as flexible or adherent as the gecko itself, they hold the 500-gram robot on a vertical surface.
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 feet 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.
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. . . ’
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.
Do the following statements agree with the information given in Reading Passage? In boxes 1-7 on your answer sheet, write
TRUE if the sataement agrees with the information
FALSE if the statement contradicts the information
NOT GIVEN if there is no information on this
1 Andrew Parker failed to make effective water device which can be used in desert.
2 Skin of lizard is easy to get wet when it contacts water.
3 Scientists apply inspiration from nature into many artificial engineering.
4 Tiny and thin hair under gecko’s feet allows it to stick to the surface of object.
5 When gecko climbs downward, its feet release a certain kind of chemical to make them adhesive.
6 Famous cases stimulate a large number of successful products of biomimetics in real life.
7 Velcro is well-known for its bionics design .
Filling the blanks below. Write NO MORE THAN THREE WORDS AND/OR A NUMBER from the passage for each question of robot below
Ronald Fearing made tiny components of robotic fly in 8 ………………… by specialized Techniques.
The robotic fly’s main structure outside is made of 9 …………………… and long and thin wires which make it unlike fly at all.
Cutkosky applied an artificial material in stickybot’s 10 ………………………. as a tendon to split pressure like lizard’s does.
Fill the blanks below. Write NO MORE THAN THREE WORDS AND/OR A NUMBER from the passage for each answer about facts of stickybot.
11 Stickybot’s feet doesn’t have function which makes it only be able to walk on smooth surface.
12 DARPA are planning to use stickybot for .
13 Cutkosky assume that stickybot finally has potential in or other human-related activities
1 NOT GIVEN
2 FALSE
3 TRUE
4 FALSE
5 NOT GIVEN
6 FALSE
7 TRUE
8 the same way
9 carbon-fiber
10 limbs
11 self-cleaning
12 surveillance
13 lifesaving
Con gì có vây như cá voi, da như thằn lằn và mắt như bướm đêm? Tương lai của kỹ thuật. Andrew Parker, một nhà sinh vật học tiến hóa, đã quỳ xuống trên nền cát đỏ như nung ở vùng hẻo lánh của Úc, ngay phía nam Alice Springs và làm dịu chân sau bên phải của một con thằn lằn quỷ gai vào một đĩa nước.
"Lưng nó hoàn toàn ướt sũng!" Quả thật, sau 30 giây, nước từ đĩa đã di chuyển lên chân con thằn lằn và lóng lánh khắp bộ da đầy gai của nó. Trong vài giây nữa, nước đến miệng nó, và con thằn lằn bắt đầu đập mạnh hàm với vẻ hài lòng rõ ràng. Nó đang thực sự uống nước bằng chân. Nếu có thêm thời gian, thằn lằn quỷ gai có thể thực hiện cùng một thủ thuật ảo thuật này trên một mảnh cát ẩm - một lợi thế cạnh tranh sống còn trong sa mạc. Parker đến đây để khám phá chính xác cách nó làm điều này, không chỉ vì mục đích sinh học thuần túy, mà còn hướng đến một mục tiêu cụ thể: tạo ra một thiết bị lấy cảm hứng từ thằn lằn quỷ gai, giúp mọi người thu thập nước cứu sinh trong sa mạc. "Nước đang lan ra cực nhanh!" anh ấy nói, khi những giọt nước từ ống nhỏ mắt của anh ấy rơi xuống lưng con thằn lằn và biến mất như phép thuật. "Da của nó kỵ nước hơn nhiều so với những gì tôi nghĩ. Có thể có những mao mạch ẩn giấu, dẫn nước vào miệng."
Công việc của Parker chỉ là một phần nhỏ trong phong trào mô phỏng sinh học (biomimetics) toàn cầu ngày càng mạnh mẽ. Các kỹ sư ở Bath, Anh và West Chester, Pennsylvania đang nghiên cứu các gờ trên mép trước của vây cá voi lưng gù để học cách chế tạo cánh máy bay bay linh hoạt hơn. Ở Berlin, Đức, các lông vũ chính hình ngón tay của chim săn mồi đang truyền cảm hứng cho các kỹ sư phát triển các cánh thay đổi hình dạng trên không để giảm lực cản và tăng hiệu quả nhiên liệu. Kiến trúc sư ở Zimbabwe đang nghiên cứu cách mối điều hòa nhiệt độ, độ ẩm và luồng khí trong các gò mối của chúng để xây dựng những tòa nhà thoải mái hơn, trong khi các nhà nghiên cứu y tế Nhật Bản đang giảm đau khi tiêm bằng cách sử dụng kim tiêm được viền răng cưa nhỏ, giống như vòi của muỗi, giúp giảm thiểu kích thích thần kinh.
Ronald Fearing, giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học California, Berkeley, đã nhận một trong những thách thức lớn nhất: chế tạo một con ruồi robot thu nhỏ, nhanh nhẹn, nhỏ bé và có khả năng điều hướng đủ để sử dụng trong các hoạt động giám sát hoặc tìm kiếm cứu nạn. Fearing đã tự chế tạo ra một con, anh ấy dùng nhíp kẹp để tôi xem, một thanh mỏng như tơ dài khoảng 11 mm và không dày hơn nhiều so với râu mèo. Fearing cũng buộc phải chế tạo nhiều thành phần nhỏ khác của con ruồi theo cách tương tự, sử dụng laser vi cơ gia công và hệ thống tạo mẫu nhanh cho phép anh ấy thiết kế các chi tiết nhỏ trên máy tính, tự động cắt và xử lý chúng qua đêm, và lắp ráp chúng bằng tay vào ngày hôm sau dưới kính hiển vi.
Bằng tia laser siêu nhỏ, anh ấy cắt cánh ruồi từ một tấm polyester dày hai micron mỏng đến mức chỉ cần thở vào là bị nhàu nát, và cần được gia cố bằng các thanh giằng sợi carbon. Đôi cánh trên mô hình hiện tại của anh ấy vỗ tới 275 lần mỗi giây - nhanh hơn cả cánh của côn trùng thật - và tạo ra tiếng vo ve đặc trưng của loài đom đóm. "Sợi carbon vượt trội hơn cả chitin của ruồi", anh nói với một chút tự mãn. Anh ấy chỉ vào một hộp nhựa bảo vệ trên bàn thí nghiệm, chứa chính robot ruồi, một khung giống như origami được tạo thành từ các thanh giằng sợi carbon đen và dây mỏng như sợi tóc, trông không giống ruồi thật chút nào, điều đó cũng không có gì ngạc nhiên. Một tháng sau, nó đã cất cánh trong một chuyến bay được kiểm soát trên một giá đỡ. Fearing hy vọng robot ruồi có thể bay lơ lửng trong hai hoặc ba năm tới, và cuối cùng có thể nghiêng mình và lặn xuống với sự điêu luyện như ruồi thật.
Nhà nghiên cứu robot học tại Đại học Stanford, Mark Cutkosky, đã thiết kế một robot leo tường lấy cảm hứng từ tắc kè, mà ông đặt tên là Stickybot (Robot dính). Thực tế, chân tắc kè không dính - chúng khô và mịn khi chạm vào - và khả năng bám dính đáng chú ý của chúng nhờ vào khoảng hai tỷ sợi lông có đầu hình thìa trên mỗi centimet vuông trên miếng đệm ngón chân của chúng, mỗi sợi chỉ dày khoảng một trăm nanomet. Trên thực tế, những sợi lông này nhỏ đến mức chúng tương tác ở cấp độ phân tử với bề mặt mà tắc kè đi bộ, tận dụng các lực van der Waals cấp thấp do các điện tích âm dương thoáng qua của phân tử tạo ra, hút bất kỳ hai vật thể nào nằm cạnh nhau lại với nhau. Để tạo ra miếng đệm ngón chân cho Stickybot, Cutkosky và sinh viên tiến sĩ Sangbae Kim, nhà thiết kế chính của robot, đã sản xuất ra một loại vải urethane với những lông nhỏ xíu có đầu nhọn 30 micromet. Mặc dù không linh hoạt và bám dính bằng tắc kè thật, nhưng chúng có thể giữ robot nặng 500 gam trên bề mặt thẳng đứng.
Cutkosky đã trang bị cho robot của mình những ngón chân bảy đoạn có thể kéo và thả giống như thằn lằn, và một sải chân giống tắc kè giúp nó dính chặt vào tường. Ông cũng chế tạo chân và bàn chân của Stickybot bằng một quy trình mà ông gọi là sản xuất lắng đọng hình dạng (SDM), kết hợp nhiều loại kim loại, polymer và vải để tạo ra cùng một sự chuyển đổi trơn tru từ cứng sang mềm dẻo có trong chân thằn lằn và không có trong hầu hết các vật liệu nhân tạo. SDM cũng cho phép ông nhúng các bộ truyền động, cảm biến và các cấu trúc chuyên dụng khác giúp Stickybot leo trèo tốt hơn. Sau đó, ông ấy nhận thấy trong một bài báo về giải phẫu tắc kè rằng loài thằn lằn này có các gân phân nhánh để phân tán trọng lượng của nó đều khắp bề mặt ngón chân. "Eureka!" (Eureka! - Tôi tìm ra rồi!). Sau đó, ông đã nhúng một "gân" bằng vải polyester phân nhánh vào các chi của robot để phân tán tải trọng theo cách tương tự.
Hiện tại, Stickybot có thể đi bộ trên các bề mặt thẳng đứng bằng kính, nhựa và gạch men tráng men, mặc dù sẽ mất một thời gian trước khi nó có thể bắt kịp một con tắc kè. Hiện tại nó chỉ có thể đi bộ trên bề mặt nhẵn, với tốc độ chỉ bốn cm một giây, chỉ bằng một phần nhỏ tốc độ của loài vật mô hình sinh học của nó. Chất kết dính khô trên ngón chân của Stickybot cũng không tự làm sạch như của thằn lằn, vì vậy nó nhanh chóng bị bám bẩn. ‘Có rất nhiều điều về tắc kè mà chúng tôi buộc phải bỏ qua,’ Cutkosky nói. Tuy nhiên, một số ứng dụng trong thế giới thực đang được lên kế hoạch. DARPA (Cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến thuộc Bộ Quốc phòng), đơn vị tài trợ cho dự án, hướng đến mục đích giám sát: một robot tự động có thể di chuyển 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 dụng. ‘Tôi đang cố gắng để robot đến những nơi chúng chưa từng đến trước đây,’ ông nói với tôi. “Tôi muốn thấy Stickybot có chức năng trong thế giới thực, cho dù đó là đồ chơi hay ứng dụng khác. Chắc chắn rồi, sẽ thật tuyệt nếu cuối cùng nó có vai trò cứu người hoặc nhân đạo…”
Đối với tất cả sức mạnh của mô hình mô phỏng sinh học và những người tài giỏi thực hành nó, cảm hứng sinh học đã dẫn đến một số ít sản phẩm được sản xuất hàng loạt một cách đáng ngạc nhiên và được cho là chỉ có một từ quen thuộc – Velcro, được phát minh vào năm 1948 bởi nhà hóa học Thụy Sĩ George de Mestral, bằng cách sao chép cách mà cây ké đầu ngựa bám vào lông con chó. Ngoài phòng thí nghiệm của Cutkosky, năm nhóm nghiên cứu uy tín khác hiện đang cố gắng bắt chước khả năng bám dính của tắc kè, và cho đến nay không nhóm nào có thể sánh được với khả năng bám dính mạnh mẽ, định hướng và tự làm sạch của loài thằn lằn này. Tương tự như vậy, các nhà khoa học vẫn chưa tái tạo một cách có ý nghĩa cấu trúc nanô của bào ngư tạo nên độ bền của lớp vỏ của nó và một số công ty công nghệ sinh học được tài trợ nhiều tiền đã phá sản khi cố gắng tạo ra tơ nhện nhân tạo.
