![Кожа кальмара вдохновила учёных на новые «жидкие окна» для экономии энергии Кожа кальмара вдохновила учёных на новые «жидкие окна» для экономии энергии](/uploads/posts/2023-02/liquidwindow1-800x533.jpg)
Кожа кальмара вдохновила учёных на новые «жидкие окна» для экономии энергии
Кальмары и некоторые другие моллюски могут быстро менять окраску благодаря уникальной структуре кожи. Инженеры из Университета Торонто черпали вдохновение в биологии, чтобы создать прототип «жидких окон».
Изобретение изменяет длину волны, интенсивность и распределение света, проходящего через окна, тем самым существенно экономя затраты на электроэнергию. Результаты исследования опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Рафаэль Кей, соавтор исследования, отметил, что здания потребляют много энергии для обогрева, охлаждения и освещения помещений. Если получится контролировать количество, тип и направление солнечной энергии, поступающей в дома, то можно значительно сократить использование обогревателей, вентиляции и светильников.
Кей любит думать о зданиях как о живых организмах, у которых тоже есть «кожа», то есть внешний слой фасадов и окон. Но установка жалюзи — примитивный способ снижения нагрузки на системы освещения и отопления / охлаждения. Электрохроматические окна, которые меняют свою прозрачность при подаче напряжения, уже более сложный вариант. Но такие системы стоят дорого и у них ограниченный диапазон непрозрачности. Невозможно также затенить одну часть электрохроматического оконного стекла, не прикрыв другую.
Поэтому учёные обратились за вдохновением к природе. В прошлом году инженеры из Торонто создали систему с массивами оптико-жидкостных ячеек. Пример подала, например, тилапия — эта рыба может рассеивать и собирать пигментные гранулы в коже, изменяя окраску и её оттенок. Прототипы ячеек состояли из тонкого слоя минерального масла между двумя прозрачными листами пластика. Введение небольшого количества воды с красителем через трубку, подсоединённую к центру ячейки, запускает изменения. Форма пятен зависит от скорости потока, которую можно регулировать с помощью цифрового насоса. Низкая скорость потока создаёт круглые пятна, более высокие скорости потока — сложные ветвящиеся узоры.
Кожа кальмара полупрозрачна и имеет внешний слой пигментных клеток, называемых хроматофорами, которые контролируют поглощение света. Каждый хроматофор прикреплён к мышечным волокнам, которые выстилают поверхность кожи, а эти волокна, в свою очередь, соединены с нервами. Достаточно просто стимулировать нервы электричеством, заставляя мышцы сокращаться. А поскольку мышцы тянутся в разных направлениях, клетка расширяется вместе с пигментированными участками, изменяя цвет. Когда клетка сжимается, то же самое происходит и с пигментированными участками.
Под хроматофорами находится отдельный слой иридофоров. В отличие от хроматофоров, иридофоры не основаны на пигменте, а являются примером структурного цвета, похожего на чешуйки в крыльях бабочки, за исключением того, что иридофоры кальмара являются переменчивыми, а не статичными. Они могут быть настроены для отражения света с разной длиной волны. Два слоя работают вместе, создавая уникальные оптические свойства кожи кальмара.
Скорость, с которой кальмар может изменять свой цвет, впечатляет. Кей и его коллеги подумали, что структура кожи кальмара может быть ключом к созданию динамичных, настраиваемых фасадов зданий.
— Рафаэль Кей, соавтор исследования.
В итоге Рафаэль Кей с коллегами сконструировали прототип микрофлюидической системы из листов пластика с множеством тонких каналов для перекачки жидкостей. Добавление специальных пигментов или частиц в жидкость изменяет длину волны света, а также направление, в котором этот свет распространяется. Эти листы можно комбинировать в многослойные комплекты, при этом каждый будет выполнять различные оптические функции: фильтровать длину волны, регулировать рассеивание проходящего в помещение света и менять интенсивность — всё это контролируется небольшим насосом с цифровым управлением.
По словам Кея, этот простой и недорогой подход может позволить создавать «жидкие динамические фасады зданий» с настраиваемыми оптическими свойствами для экономии энергии, то на отопление, то на охлаждение, а также на освещение.
Хотя созданный прототип — это пока лишь доказательство концепции, команда учёных провела компьютерное моделирование вероятной производительности системы в качестве динамичного фасада здания, реагирующего на изменение погоды. Их модели показали, что один слой, контролирующий пропускание ближнего инфракрасного света, приведёт к экономии в 25%. Добавление второго слоя, контролирующего пропускание видимого света, может обеспечить экономию энергии почти в 50%.
Изобретение изменяет длину волны, интенсивность и распределение света, проходящего через окна, тем самым существенно экономя затраты на электроэнергию. Результаты исследования опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Рафаэль Кей, соавтор исследования, отметил, что здания потребляют много энергии для обогрева, охлаждения и освещения помещений. Если получится контролировать количество, тип и направление солнечной энергии, поступающей в дома, то можно значительно сократить использование обогревателей, вентиляции и светильников.
Кей любит думать о зданиях как о живых организмах, у которых тоже есть «кожа», то есть внешний слой фасадов и окон. Но установка жалюзи — примитивный способ снижения нагрузки на системы освещения и отопления / охлаждения. Электрохроматические окна, которые меняют свою прозрачность при подаче напряжения, уже более сложный вариант. Но такие системы стоят дорого и у них ограниченный диапазон непрозрачности. Невозможно также затенить одну часть электрохроматического оконного стекла, не прикрыв другую.
Поэтому учёные обратились за вдохновением к природе. В прошлом году инженеры из Торонто создали систему с массивами оптико-жидкостных ячеек. Пример подала, например, тилапия — эта рыба может рассеивать и собирать пигментные гранулы в коже, изменяя окраску и её оттенок. Прототипы ячеек состояли из тонкого слоя минерального масла между двумя прозрачными листами пластика. Введение небольшого количества воды с красителем через трубку, подсоединённую к центру ячейки, запускает изменения. Форма пятен зависит от скорости потока, которую можно регулировать с помощью цифрового насоса. Низкая скорость потока создаёт круглые пятна, более высокие скорости потока — сложные ветвящиеся узоры.
Кожа кальмара полупрозрачна и имеет внешний слой пигментных клеток, называемых хроматофорами, которые контролируют поглощение света. Каждый хроматофор прикреплён к мышечным волокнам, которые выстилают поверхность кожи, а эти волокна, в свою очередь, соединены с нервами. Достаточно просто стимулировать нервы электричеством, заставляя мышцы сокращаться. А поскольку мышцы тянутся в разных направлениях, клетка расширяется вместе с пигментированными участками, изменяя цвет. Когда клетка сжимается, то же самое происходит и с пигментированными участками.
Под хроматофорами находится отдельный слой иридофоров. В отличие от хроматофоров, иридофоры не основаны на пигменте, а являются примером структурного цвета, похожего на чешуйки в крыльях бабочки, за исключением того, что иридофоры кальмара являются переменчивыми, а не статичными. Они могут быть настроены для отражения света с разной длиной волны. Два слоя работают вместе, создавая уникальные оптические свойства кожи кальмара.
Скорость, с которой кальмар может изменять свой цвет, впечатляет. Кей и его коллеги подумали, что структура кожи кальмара может быть ключом к созданию динамичных, настраиваемых фасадов зданий.
Солнечный свет содержит видимые волны, которые влияют на освещение в здании. Но он также содержит невидимые длины волн, такие как инфракрасный свет, который мы можем рассматривать в основном как тепло. В середине дня зимой вы, вероятно, захотите впустить и то, и другое, но в середине дня летом вы захотите впустить только видимый свет, а не тепло. Современные системы обычно не могут этого сделать: они либо блокируют оба, либо ни то, ни другое. Они также неспособны направлять или рассеивать свет благоприятным образом
— Рафаэль Кей, соавтор исследования.
В итоге Рафаэль Кей с коллегами сконструировали прототип микрофлюидической системы из листов пластика с множеством тонких каналов для перекачки жидкостей. Добавление специальных пигментов или частиц в жидкость изменяет длину волны света, а также направление, в котором этот свет распространяется. Эти листы можно комбинировать в многослойные комплекты, при этом каждый будет выполнять различные оптические функции: фильтровать длину волны, регулировать рассеивание проходящего в помещение света и менять интенсивность — всё это контролируется небольшим насосом с цифровым управлением.
По словам Кея, этот простой и недорогой подход может позволить создавать «жидкие динамические фасады зданий» с настраиваемыми оптическими свойствами для экономии энергии, то на отопление, то на охлаждение, а также на освещение.
Хотя созданный прототип — это пока лишь доказательство концепции, команда учёных провела компьютерное моделирование вероятной производительности системы в качестве динамичного фасада здания, реагирующего на изменение погоды. Их модели показали, что один слой, контролирующий пропускание ближнего инфракрасного света, приведёт к экономии в 25%. Добавление второго слоя, контролирующего пропускание видимого света, может обеспечить экономию энергии почти в 50%.
- Дмитрий Ладыгин
- arstechnica.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
![Западная Европа и США готовятся к худшему Западная Европа и США готовятся к худшему](/uploads/mini/shortstory/c1e/63452ff84713a553fcb2c4b14eb54.jpg)
Западная Европа и США готовятся к худшему
Новая угроза ожидается из Латинской Америки....
![NASA обнаружило таинственное энергетическое поле вокруг Земли NASA обнаружило таинственное энергетическое поле вокруг Земли](/uploads/mini/shortstory/63f/993f5cca125710bd5e7998c3c423d.jpg)
NASA обнаружило таинственное энергетическое поле вокруг Земли
Оно уникально, и, похоже, благодаря нему на планете… появилась жизнь....
![Спасение человечества находится на дне Северного Ледовитого океана Спасение человечества находится на дне Северного Ледовитого океана](/uploads/mini/shortstory/b16/5cda8ba33085ef44bb4cc9b986200.jpg)
Спасение человечества находится на дне Северного Ледовитого океана
Финские ученые уверены в этом на 100%....
![Starliner Boeing снова в новостях: теперь там что-то жутко стучит и лязгает Starliner Boeing снова в новостях: теперь там что-то жутко стучит и лязгает](/uploads/mini/shortstory/124/739e8816037bad0a313bd7f3476af.jpg)
Starliner Boeing снова в новостях: теперь там что-то жутко стучит и лязгает
NASA придумывает объяснения, а бывший командир МКС говорит, что это не к добру....
![«Титаник» разваливается прямо на глазах «Титаник» разваливается прямо на глазах](/uploads/mini/shortstory/8a2/1d2eb1dfde31d5f5369b4d0d48d62.jpg)
«Титаник» разваливается прямо на глазах
Кто же ускоряет гибель легендарного корабля: люди или природа?...
![Прорыв или кошмар? Искусственный интеллект стал изменять собственный код Прорыв или кошмар? Искусственный интеллект стал изменять собственный код](/uploads/mini/shortstory/1be/9b06786bac11541ae0e4d76991468.jpg)
Прорыв или кошмар? Искусственный интеллект стал изменять собственный код
Ученые говорят: ничего страшного. Но так ли это на самом деле?...
![Форресты Гампы отменяются Форресты Гампы отменяются](/uploads/mini/shortstory/1f0/4b4ba26a87069298154cbaaf7521f.jpg)
Форресты Гампы отменяются
Американские ученые «взломали» код аутизма....
![Сосуд из найденного в Шотландии клада викингов оказался иранским Сосуд из найденного в Шотландии клада викингов оказался иранским](/uploads/mini/shortstory/b9b/6c5a16607870dcee7ded870025f56.jpg)
Сосуд из найденного в Шотландии клада викингов оказался иранским
Никто не ожидал, что сокровище прибыло из столь отдаленных мест....
![Безглазая смерть чует тьму: как именно грибок превращает мух в зомби-некрофилов Безглазая смерть чует тьму: как именно грибок превращает мух в зомби-некрофилов](/uploads/mini/shortstory/e7b/f7bb936b1fafeefb602fbc6b7740b.jpg)
Безглазая смерть чует тьму: как именно грибок превращает мух в зомби-некрофилов
Главное случается ночью....
![Новый метод поможет раскрыть секс-преступления во много раз быстрее Новый метод поможет раскрыть секс-преступления во много раз быстрее](/uploads/mini/shortstory/0f3/39f1637a6f4b732bda029be4a1ff5.jpg)
Новый метод поможет раскрыть секс-преступления во много раз быстрее
Открытие ускорит проверку улик....
![Азиаты оккупируют Британию: сначала мигранты, теперь желтоногие шершни Азиаты оккупируют Британию: сначала мигранты, теперь желтоногие шершни](/uploads/mini/shortstory/fa6/3b50ed6fd66775e77a87003ce5250.jpg)
Азиаты оккупируют Британию: сначала мигранты, теперь желтоногие шершни
Экологи бьют тревогу и массово рассылают методички населению....
![Космический корабль BepiColombo невероятно близко подлетел к Меркурию Космический корабль BepiColombo невероятно близко подлетел к Меркурию](/uploads/mini/shortstory/83d/c7e5e8717f2100b5313e052890584.jpg)
Космический корабль BepiColombo невероятно близко подлетел к Меркурию
Свежие снимки рябой планеты удалось сделать благодаря возникшим в полёте неполадкам....
![Компания 1X анонсировала повседневного помощника — гуманоидного робота NEO Beta Компания 1X анонсировала повседневного помощника — гуманоидного робота NEO Beta](/uploads/mini/shortstory/1b0/526e645ecf476da55256bb5a433aa.jpg)
Компания 1X анонсировала повседневного помощника — гуманоидного робота NEO Beta
Похожий на человека механический слуга умеет ходить, бегать и подниматься по лестнице....
![Роботы и 3D-печать сделали бетон прочнее благодаря особой структуре Роботы и 3D-печать сделали бетон прочнее благодаря особой структуре](/uploads/mini/shortstory/11b/f9e2330b21c4d24c2519784700a4f.jpg)
Роботы и 3D-печать сделали бетон прочнее благодаря особой структуре
Имитируя природу, бетон можно уложить так, чтобы повысить прочность на 63%....
![Учёные не нашли связи между мобильными телефонами и раком мозга Учёные не нашли связи между мобильными телефонами и раком мозга](/uploads/mini/shortstory/152/0835ee76c49c6c0c1dcc9ac68693a.jpg)
Учёные не нашли связи между мобильными телефонами и раком мозга
В общем, болтай часами — не хочу....