Thiết kế Phỏng Sinh học (Biomimetic Design) là gì?

Khám phá cuộc hành trình mới qua Thiết kế Phỏng Sinh học (Biomimetic Design) và Thiết kế Sinh học (BioDesign)

Có thể bạn đã biết: tự nhiên là nhà thiết kế tài năng bậc nhất. Tự nhiên xây dựng những công trình kiến trúc siêu bền vững như một tổ kiến nhỏ bé trong góc vườn của bạn; tự nhiên sáng tạo nên những vật liệu cực mảnh chỉ bằng một sợi tơ nhện hay chống nước hiệu quả như lá của hoa sen. Vậy tự nhiên đã làm thiết kế như thế nào? Và con người được gợi ý những gì từ tự nhiên? 

Sinh học là gì?

Sinh học (hoặc Sinh vật học) là bộ môn khoa học về sự sống. 

Sinh học tập trung nghiên cứu về các cá thể sống cùng mối quan hệ qua lại giữa chúng với nhau và với môi trường. Sinh học miêu tả những đặc điểm, tập tính của sinh vật (ví dụ như cấu trúc, chức năng, sự phát triển, môi trường sống...) cùng cách thức các cá thể và loài tồn tại (nguồn gốc, sự tiến hóa và phân bổ sinh thái....) 

 Thiết kế Phỏng Sinh học (Biomimetic Design) là gì?

 Lấy sinh học là hình mẫu sáng tạo

Qua thời gian, sinh vật sống đã hình thành được các loại cấu trúc cùng cơ chế hoạt động đa dạng, từ qui mô vĩ mô đến siêu vi, có khả năng thích nghi hoàn hảo với môi trường sống thông qua quá trình chọn lọc tự nhiên. Áp lực tiến hóa buộc hệ thống tự nhiên phải đưa ra những giải pháp phát triển tối ưu nhất. Con người nhìn tự nhiên để tìm kiếm câu trả lời cho những vấn đề tồn tại của mình. Làm thế nào để chúng ta có thể làm việc hiệu quả giống như vậy?

Phỏng Sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là việc con người mô phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc. Tiềm năng áp dụng những nguyên tắc và cơ chế dựa trên Phỏng Sinh học là rất lớn, do sự phức tạp của các cấu trúc sinh học và số lượng lớn các tính năng được tìm thấy. Chính vì vậy, Phỏng Sinh học mở ra cánh cửa của nhiều công nghệ tiên tiến và thiết kế tương lai, lấy cảm hứng sinh học để giải quyết các vấn đề như:  khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống thấm nước, tự lắp ráp, khai thác năng lượng mặt trời…

Một lĩnh vực tương tự là Bionics (Kĩ thuật Sinh học) được đặt tên bởi Jack E. Steele vào năm 1958. Theo đó, Steele định nghĩa: Bionics là khoa học nghiên cứu các hệ thống có một số chức năng sao chép từ thiên nhiên, hoặc đại diện cho đặc tính của cơ cấu tự nhiên hoặc tương tự chúng.

Đôi chút về lịch sử Phỏng Sinh học, thuật ngữ này đầu tiên có lẽ đã được gọi bởi các nhà vật lý sinh học của Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt từ những năm 1950. Đó là trong một nghiên cứu về các dây thần kinh mực ống để cố gắng tạo nên thiết bị nhân rộng hệ thống truyền thần kinh sinh học. Mặc dù vậy, những ví dụ rõ rệt về Phỏng Sinh học chỉ thực sự xuất hiện vào năm 1982. Đến năm 1997, thuật ngữ “Phỏng Sinh học” một lần nữa mới được phổ biến bởi các nhà khoa học và đặc biệt là tác giả Janine Benyus, trong cuốn sách mang tên: Biomimicry: Innovation Inspired by Nature (tạm dịch: Phỏng sinh học: Sự đổi mới Lấy cảm hứng từ thiên nhiên).

Thiết kế Phỏng Sinh học - Tương lai của thiết kế là làm việc với tự nhiên

Thiết kế Phỏng Sinh học (Biomimetic Design) hay còn có cách gọi khác là Thiết kế lấy cảm hứng Sinh học (Bio-inspired design) là phương pháp tiếp cận thiết kế dựa trên cảm hứng, thước đo và sự sao chéo ngoại hình hoặc bản chất của một đối tượng sinh học.“Bạn có thể nhìn tự nhiên như một cuốn catalog sản phẩm mà tất cả chúng đều là nguồn lợi từ một giai đoạn nghiên cứu và phát triển trong vòng 3,8 tỷ năm. Với nguồn tư liệu trình độ này, thật hợp lí để sử dụng nó.” - Michael Pawlyn, Kiến trúc sư, một trong những người đứng đầu về tư tưởng Kiến trúc Phỏng Sinh học.

Chúng ta đã mô phỏng những gì?

 Hãy khoan bàn đến những thiết kế ứng dụng cơ chế sinh học phức tạp, chỉ riêng hình dáng của sinh vật thôi đã trở thành nguồn cảm hứng rất lớn. Mời độc giả cùng chiêm ngưỡng!

Ghế Bướm (Butterfly Chair) thiết kế bởi Eduardo Garcia Campos tại cuộc thi A’ Design Award 2012-2013

 Concept thiết kế xe hơi Bionic - Mercedes Benz lấy cảm hứng từ cá nắp hòm

Làm thế nào để con người bay lên bầu trời? Đây hẳn là câu chuyện không mới! Một trong những ví dụ sớm nhất của Thiết kế Phỏng Sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim để chế tạo ra máy bay. Và mặc dù không thành công trong việc tạo ra một chiếc "máy bay" thật, Leonardo da Vinci (1452-1519) vẫn đánh một dấu mốc rất quan trọng khi ông quan tâm đến giải phẫu học của chim cùng các phác thảo dựa trên những quan sát cho cái gọi là "máy bay" của mình. Để rồi sau này, anh em nhà Wright - những người thực sự thành công trong việc chế tạo tàu lượn vào năm 1903 - cũng bắt nguồn cảm hứng tương tự từ việc những quan sát những chú chim bồ câu đang bay.

 Những phác thảo của Leonardo da Vinci

 Thử nghiệm bay với bộ cánh của nhà tiên phong hàng không người Đức, Otto Lilienthal 

 Chiếc tàu lượn đầu tiên của anh em nhà Wright 

Đây là một thiết kế chắc chắn sẽ được nhắc tới ở mọi chuyên đề về Thiết kế Phỏng sinh học: khóa dán (khóa velcro). Đó là hai dải sợi nilông một nhám và một trơn sẽ dính chặt nhau khi bị ép lại. Ngay cả khi đôi giày hoặc cái áo khoác nào đó của bạn đã cũ và sờn rách, băng khóa dán vẫn trơ trơ ra đó và hoạt động theo một cách không thể dễ dàng hơn. Thật tình cờ, khóa Velcro được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941, sau một chuyến đi săn ở vùng Alps. Ông đã phải nhổ bỏ những quả gai trên bộ lông chú chó của mình và nhận ra cách mà chúng dính chặt vào nhau. Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi.

Hiệu ứng lá sen (lotus effect) được mô phỏng bằng công nghệ nano để tạo ra các vật liệu có khả năng tự làm sạch và siêu kị nước như sơn chống thấm, mái lợp ngói, vải...thuộc tính này cũng đồng thời được tìm thấy trên da cá mập - cảm hứng làm nên bộ đồ bơi của Michael Phelps tại Olympic mùa hè năm 2008. Còn nữa, tính chất khúc xạ ánh sáng của cánh bướm được khai thác trong các cải tiến màn hình Mirasol kỹ thuật số, hiển thị hiệu quả hơn với ít năng lượng bị tiêu thụ hơn. Sản phẩm gốm sứ đạt chất lượng tốt hơn bằng cách sao chép các thuộc tính của vỏ sò và việc bắt chước sự sắp xếp của lá trên cây trồng giúp thu được nhiều hơn năng lượng mặt trời... Quả thật rất khó để tôi kể hết với các bạn những thành quả chúng ta đã đạt được nhờ Thiết kế Phỏng Sinh!

Genesis – mô hình cơ thể xe hơi ứng dụng công nghệ in 3D dựa trên kĩ thuật sinh học cơ thể rùa, trong đó có vỏ bảo vệ và đệm áp dụng cấu trúc khung xương con vật này

 Thiết kế lều với cấu trúc sống lá cây -  Ondrej Vaclavik

 Đền Hoa Sen (The Lotus Temple) -  New Delhi, Ấn Độ 

 Cao ốc Chuồn Chuồn (The Dragonfly) - Concept nông trại tương lai tại New York 

 Concept Tháp chọc trời Xương Rồng tại Qatar 

Dưới đây là dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và M-amin Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran. Nhóm thiết kế sử dụng các chiến lược Phỏng Sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà BioArch có thể tự tránh khỏi ánh sáng mặt trời dữ dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc Iran (với nhiệt độ trung bình là 43 độ C vào ban ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ C). Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ mặt trời, chia thành nhiều vùng lớp để tạo ra khu vực đệm và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng. Giải pháp này đồng thời cung cấp độ ẩm và lối thông gió tự nhiên.

Các gò mối Châu Phi có cấu trúc thông khí rất tốt và luôn giữ được nhiệt độ mát ổn định. Không khí nóng bên ngoài luồn qua các lỗ nằm trên mặt đất, kết hợp với mạch nước ngầm tạo thành dòng khí mát tràn vào các khoang, đồng thời đẩy khí nóng khi bị tiếp xúc và trở nên nhẹ hơn thoát ra bên ngoài qua lối thông trên đỉnh. Nhờ nghệ thuật xây dựng này, cao ốc Trung tâm Eastgate (The Eastgate Centre) tại Harare, thủ đô của Zimbabwe có thể điều hòa nhiệt độ quanh năm mà vẫn tiết giảm được 90% nhu cầu năng lượng (tương đương 3.5 triệu USD) so với các tòa nhà cùng quy mô.

Thiết kế Sinh học (BioDesign) là gì?

“Cây cầu rễ sống” - “Living root bridge”, dạng cầu treo “100% thiên nhiên” được hình thành nhờ vào việc uốn nắn các rễ cây phát triển vươn qua khoảng không (có thể lên đến 30 mét) cho đến khi rễ bén vào đầu bên kia bờ sông. Một kiểu thiết kế cầu treo sinh thái gắn với bảo tồn du lịch tại rừng Meghalaya, Ấn Độ.

Thiết kế Sinh học (BioDesign) là sự hòa hợp chặt chẽ giữa đời sống sinh vật - biology và thiết kế - design. Thiết kế Sinh học, chính xác hơn, là đưa sinh vật sống vào trong thiết kế. Thiết kế Sinh học công nhận những lợi ích mà sinh vật đem lại, làm cho thiết kế có khả năng tương tác nhiều nhất đến môi trường sinh thái, đồng thời đạt hiệu suất lâu dài hơn ở đó. 

Thiết kế Sinh học không chỉ đơn thuần là lấy về tín hiệu từ các cấu trúc hữu cơ và hoạt động của chúng. Thiết kế Sinh học chú trọng khai thác bộ máy của thế giới tự nhiên (cách mà tự nhiên lưu trữ và chuyển đổi năng lượng, sản xuất oxy, trung hòa các chất độc, xử lý ô nhiễm...) rồi vận hành những bộ máy đó theo đúng bản chất mà tự nhiên vẫn đang thực hiện để tồn tại.

Sự khác biệt giữa Thiết kế Sinh học (BioDesign) và Thiết kế Phỏng Sinh học (Biomimetic Design) về cơ bản nằm ở sự mô phỏng. Thiết kế Sinh học là bước tiến xa hơn của Thiết kế Phỏng sinh, khi trực tiếp dùng các thành phần sinh vật sống như một phần cần thiết trong thiết kế, thay vì chỉ nghiên cứu và chế tạo lại chúng bằng vật liệu của con người. Thiết kế sinh học thành lập nên các mối quan hệ giữa sản phẩm nhân tạo và sinh vật. Thiết kế sinh học cũng nhấn mạnh những thí nghiệm thay thế các công trình công nghiệp và máy móc cơ khí bằng một quá trình sinh học - cách tiếp cận ngày càng trở nên quan trọng hơn dưới áp lực của khủng hoảng khí hậu.  

"Tiến hóa đã định hình nên một sinh quyển đầy ắp những bộ máy kỳ diệu. Mức độ mà chúng ta có thể thành công trong việc tích hợp với chúng vì lợi ích chung chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của chúng ta mà thôi." - William Myers, tác giả cuốn sách ​BioDesign: Nature + Science + Creativity (Thiết kế sinh học: Thiên nhiên + Khoa học + Sáng tạo). 

Những thiết kế có - một - không - hai dưới đây giúp bạn rõ ràng hơn về Thiết kế Sinh học (Bio Design):

1. Đây có thể sẽ là chiến dịch quảng bá phim đáng sợ và tuyệt vời nhất trong lịch sử! Năm 2011, Warner Bros. Canada quyết định sử dụng một biển chữ lớn chứa các vi khuẩn sống, bao gồm penicillin, nấm mốc và vi khuẩn màu để quảng cáo cho bộ phim Contagion (tạm dịch: Bệnh truyền nhiễm) tại Toronto. 

2. Bàn Rêu - Moss Table là một concept ứng dụng tiềm năng của công nghệ BPV (Bio-Photo-Voltaic) trong tương lai, hiện đang được nghiên cứu bởi Hội đồng nghiên cứu Kỹ thuật và Khoa học Vật lý (EPSRC) tại Anh. Công nghệ BPV hứa hẹn sẽ có thể tạo ra nguồn điện từ năng lượng ánh sáng, bằng cách khai thác sự quang hợp của các sinh vật sống như vi khuẩn lam, rêu, tảo hay thực vật có mạch. Từ đó tạo ra những thiết bị sinh học điện hóa, có khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện nhờ vào vật liệu sinh học.

Quang hợp là một quá trình mà các loài thực vật chuyển đổi carbon dioxide từ không khí thành các hợp chất hữu cơ sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời, sau đó, chúng sử dụng lại các hợp chất hữu cơ này để phát triển. Khi quang hợp, thực vật giải phóng một số chất hữu cơ vào đất, trong đó có chứa vi khuẩn.  Vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ thực vật tổng hợp được thành những dạng mà chúng cần để tồn tại (như carbohydrate, protein và chất béo), giải phóng sản phẩm dư thừa bao gồm các electron.

Moss Table khai thác các electron bị giải phóng của 112 chậu rêu đặt bên dưới mặt bàn, qua các sợi dẫn điện, tạo ra nguồn điện để thắp sáng đèn tự nhiên vào ban đêm. Tuy nhiên, Moss Table hiện tại chỉ có thể cung cấp năng lượng điện cho một thiết bị nhỏ như đồng hồ kỹ thuật số, với khoảng 50 milliwatt trên mỗi mét vuông (mW / m2) rêu, mà chưa đủ để duy trì đèn sáng.

Mặc dù vậy, các nhà khoa học dự đoán rằng thiết bị BPV trong tương lai có thể tạo ra đến 3W/m2. Cùng với đó, máy tính xách tay hoặc các sản phẩm tiêu thụ năng lượng thấp đồng thời đang được phát triển (ví dụ chiếc XO-1 của Quanta Computer chẳng hạn) có thể hoạt động ở mức độ tiêu thụ ít nhất là 1W điện. Với kịch bản tương lai này, Moss Table hoàn toàn có thể cung cấp năng lượng cho một sản phẩm điện như vậy trong hơn 14 giờ.

3. “Trang sức Sinh trưởng” - “Growing Jewelry” của nhà thiết kế Iceland Hafsteinn Juliusson là bộ sưu tập trang sức đáng ngạc nhiên kết hợp bạc và rêu, một trải nghiệm thú vị bao gồm cả việc làm đẹp và chăm sóc “khu vườn nhỏ” trên ngón tay. Nhà thiết kế cho biết rêu có thể vẫn còn xanh cho đến mười hai tuần nếu được chăm sóc đúng cách.

Không thể phủ nhận, cùng tiềm năng bền vững về mặt sinh thái, nhất là trong giai đoạn con người phải đối mặt với những hậu quả nghiêm trọng từ môi trường hiện nay, Thiết kế Sinh học có khả năng sẽ là nền tảng chủ đạo của thiết kế tương lai.