แรงบันดาลใจทางชีวภาพ: การประยุกต์ใช้วิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่ซับซ้อนของธรรมชาติ

ปะการังช่วยให้สัตว์ทะเลเจริญเติบโตได้โดยการจัดหาที่อยู่อาศัย แต่ยังช่วยรักษาชีวิตมนุษย์ด้วยวิธีการที่สำคัญ เกือบ 75 เปอร์เซ็นต์ของแนวปะการังของโลกกำลังถูกคุกคามจากอุณหภูมิมหาสมุทรที่สูงขึ้นและกิจกรรมของมนุษย์ในท้องถิ่นแอนน์ สเตเปิลส์รองศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมชีวการแพทย์และกลศาสตร์ ของเวอร์จิเนียเทค กล่าว ผู้คนห้าร้อยล้านคนพึ่งพาแนวปะการังเพื่อเป็นอาหาร รายได้ และการปกป้องชายฝั่ง ตามรายงานของCoral Reef Allianceซึ่งเป็นหน่วยงานพัฒนาเอกชนใน

สหรัฐอเมริกาที่มุ่งเน้นการรักษาแนวปะการัง 

National Oceanic and Atmospheric Administration ประมาณการ ว่าเกือบ 1 พันล้านคนต้องพึ่งพาแนวปะการัง อย่างไรก็ตาม การปกป้องและทำความเข้าใจทรัพยากรที่สำคัญนี้อาจเป็นเรื่องยาก ปะการังซึ่ง Staples อธิบายว่าเกือบจะเป็นพืชครึ่งคนครึ่งสัตว์นั้นประกอบด้วยโครงกระดูกที่แตกแขนงซึ่งปกคลุมด้วยเสื่อของสัตว์โพลิปตัวเล็กๆ สาหร่ายอาศัยอยู่ในเนื้อเยื่อของติ่งเนื้อและให้ผลพลอยได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสง สารอาหารเหล่านี้รวมถึงสารอาหารที่ส่งไปยังปะการังในน่านน้ำของมหาสมุทรทำให้ติ่งเนื้อสามารถมีชีวิตอยู่ได้ ความโปร่งแสงของปะการังที่มีกิ่งก้านหนาแน่นทำให้ยากต่อการวัดการไหลระหว่างกิ่ง ดังนั้นการวิจัยเกี่ยวกับอุทกพลศาสตร์ของปะการังส่วนใหญ่จึงดำเนินการที่ด้านบนหรือที่ขอบของแนวปะการัง

Staples ซึ่งเข้าร่วมคณะที่มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียเทคในปี 2551 เป็นหนึ่งในนักวิจัยกลุ่มแรกๆ ที่ใช้วิธีการคำนวณเพื่อศึกษาการไหลของมหาสมุทรผ่านกิ่งก้านสาขาของปะการัง ในการทำเช่นนั้น เธอช่วยตอบคำถามที่มีมาอย่างยาวนานว่าปะการังได้รับสารอาหารเพียงพอเพื่อรักษาติ่งเนื้อที่อยู่ลึกลงไปในแนวปะการังได้อย่างไร ซึ่งความเร็วของกระแสน้ำจะต่ำกว่าที่ขอบแนวปะการังมาก การคำนวณของ Staples เปิดเผยว่าแม้ว่าการไหลของน้ำจะช้าลงเมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านแนวปะการัง – คล้ายกับการที่ลมช้าลงเมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านต้นไม้ – การถ่ายเทมวลจะเท่ากันทั่วทั้งแนวปะการังเพราะกิ่งก้านจะกวนการไหล ทำให้สารอาหารไปถึง ติ่งเนื้อด้านใน

“การทำความเข้าใจว่ากระแสน้ำในมหาสมุทรมีปฏิกิริยาอย่างไร

กับแนวปะการังเป็นพื้นที่วิจัยที่สำคัญ เนื่องจากหนึ่งในสามของชนิดปะการังกำลังใกล้สูญพันธุ์” สเตเปิลส์ ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยในห้องปฏิบัติการสำหรับพลศาสตร์ของไหลในธรรมชาติกล่าว “การค้นพบว่าอัตราการถ่ายโอนมวลผ่านแนวปะการังนั้นคงที่แม้ว่าความเร็วจะลดลงนั้นเป็นช่วงเวลาที่คุ้มค่าอย่างเหลือเชื่อในห้องทดลองของเรา และข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อนี้ เช่น ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีการที่แนวปะการังดูดซับพลังงานคลื่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ สามารถช่วยปกป้องแนวชายฝั่งของเราได้ในขณะที่เกิดพายุบ่อยขึ้นและรุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อระดับน้ำทะเลสูงขึ้น”

แนวปะการังป้องกันการกัดเซาะชายฝั่งและทำหน้าที่เป็นระบบป้องกันน้ำท่วมตามธรรมชาติ ลดผลกระทบจากคลื่นพายุซัดฝั่งด้วยการดูดซับพลังงานคลื่นพายุได้ถึง 97 เปอร์เซ็นต์ Staples กล่าวว่ากำแพงทะเลที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพออกแบบมาเพื่อเลียนแบบโครงสร้างของแนวปะการังนั้นเป็นมิตรกับสิ่งมีชีวิตในทะเล และไม่ก่อให้เกิดการกัดเซาะชายฝั่งเหมือนสิ่งกีดขวางที่ผิดธรรมชาติที่ปิดกั้นการไหลโดยสิ้นเชิง การทำความเข้าใจว่าแนวปะการังมีประสิทธิภาพในการป้องกันชายฝั่งอย่างไรอาจนำไปสู่การออกแบบกำแพงทะเลที่ดีขึ้น

นักเรียนมีส่วนร่วมในการเรียนรู้จากประสบการณ์ในห้องทดลองของ Anne Staples, Fluid Dynamics in Nature  ภาพถ่ายโดย Spencer Roberts แห่งเวอร์จิเนียเทคนักเรียนมีส่วนร่วมในการเรียนรู้จากประสบการณ์ใน Fluid Dynamics ใน Nature Lab ซึ่งนำโดย Anne Staples ภาพถ่ายโดย Spencer Roberts สำหรับมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียเทคเส้นทางไดนามิกในการไหลของของไหลและกลไก

การวิจัยของ Staples ไม่ได้มุ่งเน้นไปที่แนวปะการังเท่านั้น เธอได้รับปริญญาแต่ละใบ ได้แก่ ปริญญาตรี ปริญญาโท และปริญญาเอก – ในวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ Staples ถูกดึงดูดเข้าสู่สาขาพลศาสตร์ของไหลเป็นครั้งแรกหลังจากเข้าร่วมชั้นเรียนในหัวข้อนั้นในฐานะนักศึกษาระดับปริญญาตรีที่ Cornell University Charles Williamson ศาสตราจารย์ของเธอสอนนักเรียนเกี่ยวกับกลศาสตร์ของไหลจากมุมมองต่างๆ การสาธิตที่ดึงดูดความสนใจของ Staples ได้มากที่สุดคือการแสดงภาพการไหลของอากาศเหนือปีกเครื่องบินจำลอง ซึ่งเผยให้เห็นปรากฏการณ์ความปั่นป่วนและการหยุดชะงักอย่างชัดเจน Stall คือเมื่อการไหลของอากาศรอบปีกแยกออกจากพื้นผิวปีกและไม่สามารถสร้างแรงยกได้

credit: webonauta.com hermeselling.com webam10.com WhenPigsFlyBlog.com aikidozaragoza.com FrodoWeb.com nflchampionshipblog.com sysadminblogs.com iqbeatsblog.com buyorsellhillcountry.com