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
Таинственная «дверь» обнаружена в Антарктиде
Теория заговора против официальной науки: кто окажется прав?...
15 000 американских городов станут призраками в ближайшие десятилетия
Ученые уверены, что «там просто некому будет жить»....
Не по вкусу: комары пьют кровь не у всех подряд
Полезно понимать для защиты от опасных насекомых....
НЛО управляют армией беспилотников, которые следят за военными базами США
Загадочные дроны буквально терроризируют американских военных летчиков....
Странный случай: укус змеи подействовал на австралийца спустя 15 часов
Только 10% укушенных на самом деле получают дозу яда....
Собаки поднялись на новую ступень эволюции
Третья стадия одомашнивания — что это значит?...
20 млн жителей США могут остаться без воды
Великие озера поразила небывалая засуха....
Первые оседлые люди в Европе: в Сербии обнаружили дом возрастом 8000 лет
Обгорелое жилище перевернуло представления о ранних поселенцах....
Вспененный гель быстро останавливает кровотечение и снижает риск заражения
Учёные изобрели спасающую жизнь «повязку»....
Кошки могут понимать многие слова
Но для экспериментов голос хозяина произносил бессмыслицу....
Google срочно переходит на атомную энергию
АЭС опасны, но у Америки просто нет выхода....
Первая частная космическая станция появится на орбите в 2025 году
Комплекс, созданный с учетом проблем астронавтов, потянул на миллиард долларов....
Американские ученые отрицают ускорение глобального потепления
Формально, так и есть, но это ещё не всё....
Окаменелости в Индии рассказали о самом раннем случае разделки слонов людьми
Это произошло не менее 300 тысяч лет назад....
Детекторы ИИ ложно обвинили студентов в плагиате
Ничто не ново на всё 100%....
Режиссер фильма «Я, робот» утверждает, что Илон Маск крадет его идеи
Смех смехом, но новые проекты Маска удивительно похожи на кадры из фильма....