Das Erste, was Sie an der Abteilung für Entomologiesammlungen, Abteilung Lepidoptera, im Smithsonian Museum of Natural History bemerken, ist ein schwacher, nur schwer bekannter Geruch. Mottenkugeln. Ich dachte kurz über die kosmische Ironie der Mottenkugeln in einem Raum voller Motten (und Schmetterlinge, eine Linie von Motten, die sich tagsüber zum Fliegen entwickelt hat) nach, bevor ich mich an Bob Robbins, einen Entomologen der Forschung, wandte. "Es gibt viele Insekten, die getrocknete Insekten fressen", sagte er, "also haben Sie diese Schädlinge traditionell mit Naphthalin oder Mottenkugeln ferngehalten."
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Wissenschaftler glauben, dass die schillernden Flügel des Morphos-Schmetterlings in der Technologie zum Wohle des Menschen eingesetzt werden könnten
Video: Wie Schmetterlingsflügel zu Innovationen inspirieren
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Die Mottenkugeln wurden auslaufen lassen (zugunsten des Einfrierens neuer Exemplare, um Schädlinge abzutöten), aber dieser anhaltende Geruch sowie die endlosen Schubladen von Insekten, die unter Glas festgesteckt und sorgfältig in einer Reihe von Stahlschränken angeordnet sind, nur für die taxonomische Nachwelt erhöht das Altersgefühl in der stillen Kammer. Die Zeit scheint so still zu stehen wie die Millionen Exemplare.
Aber durch diese Schubladen, durch die genau verteilten Schwadronen von Schwalbenschwänzen und Motten bei Sonnenuntergang beginnt sich eine andere Idee zu bilden: Dies ist kein ruhendes Endlager, sondern ein Labor, das ein außerordentlich erfolgreiches Unternehmen untersucht. In mehr als 150 Millionen Jahren wurden diese „Produkte“ rücksichtslos als Prototypen hergestellt, auf dem Markt getestet, aufgerüstet, weiterentwickelt und auf andere Weise neu und verbessert, während sich die Welt um sie herum veränderte. Jedes dieser zerbrechlichen Exemplare ist ein Innovationspaket, das darauf wartet, verstanden und angepasst zu werden.
Dies ist die Idee hinter der zunehmend einflussreichen Disziplin der Biomimikry: Wir Menschen, die versucht haben, Dinge nur für den Augenblick der Evolution zu schaffen, müssen aus den langen Prozessen der natürlichen Auslese viel lernen, ob es das ist, wie es geht Machen Sie einen Flügel aerodynamischer oder eine Stadt widerstandsfähiger oder eine elektronische Anzeige lebendiger. Vor mehr als einem Jahrzehnt beschäftigte sich ein MIT-Absolvent namens Mark Miles mit mikroelektromechanischer und Materialbearbeitung. Als er durch ein Wissenschaftsmagazin blätterte, wurde er von einem Artikel darüber aufgehalten, wie Schmetterlinge Farbe in ihren Flügeln erzeugen. Das leuchtend schillernde Blau der verschiedenen Morpho-Arten zum Beispiel kommt nicht vom Pigment, sondern von der „Strukturfarbe“. Diese Flügel beherbergen eine nanoskalige Ansammlung von Schindelplatten, deren Form und Abstand in einem präzisen Muster angeordnet sind, das sich auflöst reflektierende Lichtwellenlängen, um das brillante Blau zu erzeugen. Dasselbe Blau aus Pigmenten herzustellen, würde viel mehr Energie erfordern - Energie, die besser zum Fliegen, Füttern und Reproduzieren genutzt werden kann.
Miles fragte sich, ob diese Fähigkeit auf irgendeine Weise ausgenutzt werden könnte. Wo sonst möchten Sie vielleicht unglaublich lebendige Farben in einer dünnen Verpackung? Natürlich: in einem elektronischen Gerätedisplay. Qualcomm, das die zur Entwicklung der Technologie gegründete Firma Miles erwarb, verwendete sie in ihrem Mirasol-Display. „Wir nutzen das Phänomen der optischen Interferenz“, sagt Brian Gally, Senior Director Product Management bei Qualcomm. Unter der Glasoberfläche lauern zahlreiche interferometrische Modulatoren, im Wesentlichen mikroskopische (10 bis 50 Mikrometer im Quadrat) Spiegel, die sich in Mikrosekunden auf und ab bewegen, um die richtige Farbe zu erzeugen.
Wie die Flügel des Schmetterlings "nimmt das Display das weiße Umgebungslicht, weißes Licht oder Sonnenlicht auf und wird uns durch Interferenzen ein Farbbild zurückschicken", sagt Gally. Im Gegensatz zu herkömmlichen LCD-Bildschirmen muss der Mirasol kein eigenes Licht erzeugen. „Die Helligkeit des Displays passt sich automatisch dem Umgebungslicht an.“ Dadurch verbraucht der Mirasol ein Zehntel der Leistung eines LCD-Lesegeräts. Qualcomm hat das Display in einem E-Reader verwendet und bietet es anderen Unternehmen zur Lizenzierung an.
Obwohl die Biomimikry seit Jahrzehnten Innovationen beim Menschen inspiriert - eines der am häufigsten genannten Beispiele ist der Klettverschluss, den der Schweizer Ingenieur Georges de Mestral 1955 patentierte, nachdem er untersucht hatte, wie sich Bohrer an seiner Kleidung festsetzen -, haben bessere Technologien und differenziertere Forschungen immer komplexere Anpassungen ermöglicht . Die von dem deutschen Forscher Claus Mattheck entwickelte und in Opel- und Mercedes-Fahrzeugen verwendete Konstruktionssoftware spiegelt die Art und Weise wider, wie Bäume und Knochen Kraft und Lasten verteilen. Ein von Pax Scientific entwickelter Fächer basiert auf den Mustern von wirbelndem Seetang, Nautilus und Pusteln, um die Luft effizienter zu bewegen. In einem mit Salzwasser bewässerten Gewächshaus in der Wüste von Katar werden Kondenswasser- und Verdunstungstricks eingesetzt, die aus der Nase eines Kamels stammen. Dank kontinuierlicher Innovationen in der Herstellung im Nanomaßstab bringen die Hersteller nun eine wachsende Anzahl von Produkten auf den Markt.
Die Biomimikry selbst ist kein Produkt, sondern ein Prozess, der auf natürlichen Organismen und Prozessen beruht, um Innovationen auszulösen. Unternehmen und sogar Städte können sich von Ökosystemen inspirieren lassen, sagt Tim McGee, Biologe und Mitglied von Biomimicry 3.8, einem in Montana ansässigen Beratungsunternehmen. In Lavasa, das von seinen Entwicklern als „Indiens erste geplante Bergstadt“ bezeichnet wurde und auf den Bau von Häusern für mehr als 300.000 Menschen hoffen soll, beriet sich die Gilde mit Landschaftsarchitekten. So umfasste die Pflanzstrategie Laubbäume, die einen Baldachin bildeten, um den Monsunregen, der auf sie auftrat, zu fangen und durch Verdunstung zu reflektieren. Dieser Effekt verhält sich "wie ein Motor, der den Monsun im Landesinneren antreibt", sagt McGee, was dazu beiträgt, Dürre dort vorzubeugen. Die hydrodynamisch effiziente Form der Blätter von Banyan-Bäumen beeinflusste die Gestaltung einer besseren Dachschindel für die Wasserversorgung, während die Wasserableitungssysteme von der Art und Weise inspiriert wurden, in der Harvesterameisen Wasser von ihren Nestern wegleiten. Die erste Lavasa-Stadt wurde fertiggestellt, vier weitere sollen bis 2020 folgen.
Alle reden über Möglichkeiten, den menschlichen Fußabdruck zu verringern oder die Auswirkungen auf das Netto-Null-Verhältnis zu reduzieren. Aber die Natur, sagt McGee, geht in der Regel einen Schritt weiter: "Es ist fast nie Netto-Null - die Ausgabe dieses Systems ist normalerweise für alle Beteiligten von Vorteil." Was wäre, wenn wir unsere Städte auf die gleiche Weise bauen könnten? „Was wäre, wenn in New York City bei Regen das Wasser, das in den East River fließt, sauberer wäre als bei Fall?“ Und wenn die Wälder in Brand geraten und die Flammen mit nicht abhängigen Mitteln gelöscht werden könnten auf giftige Substanzen? "Die Natur erzeugt ungiftige Flammschutzmittel", bemerkt McGee. "Warum können wir nicht?"
Seit Jahren beschäftigen sich Forscher ohne Ergebnis mit der Chemie von Flammschutzmitteln. Aber vielleicht könnten natürliche Prozesse einen Weg zur Innovation im Labor bieten, sagt McGee. Vielleicht ist es die Art und Weise, wie Zirbenzapfen sich angesichts der Hitze öffnen (um die Fortpflanzung zu ermöglichen, selbst wenn das Feuer den Wald zerstört), oder die Art und Weise, wie Eukalyptusbäume verstreute Rindenstücke ablegen, um Sauerstoff aufzusaugen und das Feuer von der Hauptleitung zu entfernen Kofferraum. Jaime Grunlan, Maschinenbauingenieur bei Texas A & M, hat einen feuerfesten Stoff entwickelt, bei dem Chitosan, ein nachwachsender Rohstoff aus Hummer- und Garnelenschalen (und ein chemischer Verwandter des Chitins in Schmetterlingsflügeln), zur Herstellung einer Nanolayer-Polymerbeschichtung verwendet wird Dadurch entsteht bei Hitzeeinwirkung eine Carbon-Hülle, die den Stoff schützt.
Lepidoptera verkörpert einige der Probleme, die über viele Jahrtausende hinweg auf der Werkbank der Natur aufgetreten sind. In dem evolutionären Ruf und der Reaktion zwischen Beute und Raubtier haben viele Motten die Fähigkeit entwickelt, die Ultraschallklicks von Fledermäusen zu erkennen, und einige können sogar verwirrende Gegensignale senden. Schmetterlingsflügel neigen dazu, näher an ihrem Körper schwarz zu sein, um Wärme einzufangen. Diese Flügel sind mit einer schmutzabweisenden Beschichtung versehen - sie reinigen sich von selbst. Die dekorativen „Augen“ dieser Flügel, die Raubtiere abschrecken sollen, sind häufig in der Nähe des Randes positioniert, um den Schaden der Flügel zu minimieren, wenn der Schmetterling gebissen wird.
Und dann ist da noch die Farbe - woran wir denken, wenn wir an Schmetterlinge denken. "Die Leute nennen sie fliegende Blumen", sagt Robbins. Während einige Farben zur Tarnung verwenden, gehen die lebhaftesten Arten den anderen Weg und bewerben ihre Toxizität gegenüber möglichen Feinden in einem farbenfrohen Display. Der Schriftsteller David Quammen bezeichnet sie als "Bimbos der natürlichen Welt", als "evolutionäres Experiment in rein dekorativem Übermaß". Insgesamt, so schreibt Quammen, stellen Schmetterlinge "ein Ideal der Süße und sanften Anmut dar, das für die gesamte unbarmherzige evolutionäre Freiheit beinahe unschuldig zu sein scheint -für-alles. “Und es gibt eine Fülle von Inspirationen, die darauf warten, auf diesen hauchdünnen Flügeln die Flucht zu ergreifen.
Forscher der Shanghai Jiao Tong University, die von Schmetterlingen mit Vogelflügeln inspiriert sind - der schwarze Bereich ihrer Flügel ermöglicht eine fast vollständige Lichtabsorption, um die Wärme einzufangen -, schaffen einen strukturell ähnlichen, superschwarzen, amorphen Kohlenstofffilm, der zu einer effizienteren Solartechnologie beiträgt. Ein Projekt namens NOtES, das aus Forschungen an der Simon Fraser University in British Columbia hervorgegangen ist, verwendet lichtinterferierende Strukturen im Nanomaßstab, um einen fälschungssicheren Stempel herzustellen, der schwieriger zu knacken ist als ein Hologramm und nicht nur am Ufer „gedruckt“ werden kann stellt fest, aber auf einer ganzen Reihe von anderen Objekten. RFID-Tags (Radio Frequency Identification), die für die Verfolgung des Inventars bis hin zur Leistungsmessung der Reifen verwendet werden, funktionieren in extremen Umgebungen, insbesondere dort, wo Wasser oder Metall vorhanden sind, in der Regel nicht gut. Daher hat ein Unternehmen namens Omni-ID das Interferenzprinzip angepasst, um eine zuverlässigere RFID-Technologie zu schaffen. Dabei wurden winzige Metallskalen in den Tags verwendet, um die Übertragung von Funksignalen zu verbessern.
Angesichts der Tatsache, dass der Morpho Farbe einsetzt, um Aufmerksamkeit zu erregen, scheint es angebracht, dass der Schmetterling auch die menschliche Mode inspiriert hat. Donna Sgro, Modedesignerin in Sydney, Australien, und selbst beschriebener „gelegentlicher Lepidopterist“, schuf drei Kleider aus einem Stoff namens Morphotex, einem pigmentfreien, schillernden blauen Material, das seine Farbe von optischen Interferenzen ableitet. Sgro sagt, dass Morphotex zwar keine Farbstoffe benötigt (und daher möglicherweise einen geringeren ökologischen Fußabdruck aufweist), ihr Interesse jedoch über den üblichen Ansatz des Entwurfs nach Art einer Problemlösung hinausreichte, dem Biomimisten tendenziell folgen. Mode ist schließlich mehr als das Grundbedürfnis nach Kleidung. Wie kann die Art und Weise, wie die Natur mit Ästhetik umgeht, unsere Art und Weise beeinflussen? Sgro promoviert derzeit in Biomimik und Mode am Royal Institute of Fashion in Melbourne.
Robbins und ich verließen das Sammlungszentrum des Naturhistorischen Museums und gingen zum nahe gelegenen Schmetterlingspavillon. Es war wie ein lepidopteröses Liebesfest. Eine Frau hielt ihr Smartphone schräg, um einen Monarchen zu fotografieren, der sich von einer Blume ernährt. Eine japanische Touristin rief aus, als eine Golf-Perlmutter auf ihrer Umhängetasche landete. Ein Kind quietschte, als ein Morpho-Peleides langsam mit seinen schillernden blauen Flügeln wehte. Es ist nicht leicht vorstellbar, dass diese Szene mit einem anderen Insekt auftritt. Mit oder ohne Recht besuchen wir keine Maden- oder Ameisenpavillons.
Ich fragte nach der besonderen Anziehungskraft dieser Insekten. "Sie stechen nicht, sie beißen nicht", sagte er. „Diejenigen, die die Leute sehen, sind im Allgemeinen hübsch. Einige von ihnen sind schädlich für die Landwirtschaft, aber sie sind ziemlich freundliche Typen und um einiges hübscher als die meisten anderen Insekten. “Wenn nur, dachte ich, könnten die Leute jetzt wissen, wie nützlich all diese Schönheit sein kann.
