Z natury

Choć samoloty nie machają skrzydłami jak ptaki lub nietoperze – to obserwacja tych zwierząt skłoniła ludzi do poszukiwania sposobów na poderwanie maszyny do lotu. „Ptak jest instrumentem, który działa zgodnie z prawami matematyki. Człowiek zdoła kiedyś odtworzyć jego ruchy” – przewidywał marzący o zbudowaniu machiny latającej Leonardo da Vinci i badał zwierzęta, zwłaszcza nietoperze, by w końcu nakreślić modele statku powietrznego z bijącymi skrzydłami czy śmigłowca (sformułował też teorię lotu statku powietrznego cięższego od powietrza, ale swoich projektów nigdy nie zrealizował).

Pierwszą maszynę z silnikiem parowym, która oderwała się od ziemi – Eole – skonstruował dopiero w 1894 r. Francuz Clement Ader. Jej pierwowzorem był właśnie nietoperz. Pionier szybownictwa, niemiecki inżynier i przemysłowiec Otto Lilienthal, wzorował się na locie bocianów. Amerykanie, bracia Orville i Wilbur Wright – konstruktorzy pierwszego w historii samolotu z silnikiem spalinowym, sterowania lotem nauczyli się ponoć podglądając myszołowy szybujące nad ich domem w Ohio.

Liść myje się sam

W naszym otoczeniu nie brakuje bardziej bezpośrednich przykładów wzorowania się na naturze. Weźmy chociażby zapięcie na rzep. Jego wynalazca Szwajcar George de Mestral przyjrzał się kiedyś z bliska budowie owocostanów łopianu, które w hurtowych ilościach musiał wyczesywać z sierści swojego psa. To one posłużyły za pierwowzór dwuczęściowej taśmy – składającej się z paska haczyków wczepiających się w pasek pokryty pętelkami – która pod koniec lat 50. pojawiła się na rynku pod nazwą Velcro.

Przyssawki, jakimi mocuje się łazienkowe wieszaki czy maty antypoślizgowe, przyciśnięte do gładkiego kafelka zasysają się dzięki wytworzonemu podciśnieniu. Inspiracją znów była natura: podobnie działają przecież przyssawki na ramionach ośmiornic i kalmarów, które dzięki nim z łatwością mogą przywierać do najbardziej nierównych i pofałdowanych powierzchni. Drapieżniki wykorzystują je podczas polowania: chwytają i oplatają ofiarę ramionami, a przyssawki uniemożliwiają zdobyczy ucieczkę.

Farby do malowania elewacji budynków i woski do pielęgnacji karoserii samochodowej, dzięki którym deszcz z łatwością zmywa z nich każdy brud, też zawdzięczamy przyrodzie. A dokładniej: kwiatowi lotosu i innym roślinom (a także zwierzętom, np. ważkom), u których zaobserwowano tzw. efekt lotosu, czyli zbieranie się wody w krople i wymywanie w ten sposób zanieczyszczeń np. z powierzchni liści. Jest to możliwe dzięki specyficznej powierzchni, pokrytej drobnymi woskowymi wypustkami. Jako pierwszy, w połowie lat 70., zjawisko to opisał i nazwał niemiecki botanik Wilhelm Barthlott.

Od kilkudziesięciu lat naukowym podglądaniem natury zajmuje się dyscyplina zwana bioniką albo – głównie w krajach anglosaskich – biomimetyką. Nazwę bionika – od połączenia biologii z techniką – wymyślił pod koniec lat 50. Jack E. Steele, major amerykańskich sił powietrznych. Niezależnie od terminologii, chodzi tu o jedno: wykorzystywanie wiedzy przyrodniczej do tworzenia nowych rozwiązań przydatnych w różnych dziedzinach naszego życia. Jak mówi prof. Andrzej Samek, chyba najbardziej znany i, trzeba dodać, jeden z niewielu polskich specjalistów w tej dziedzinie (od wielu lat wykłada jej zawiłości na Politechnice Krakowskiej i od niedawna na AGH) – choć sama nauka jest dość młoda, pierwsze pomysły, by spróbować skopiować osiągnięcia natury, są niemal tak stare jak ludzkość. – Czy to nie toczący się pień mógł zainspirować człowieka do skonstruowania koła, a drewno unoszące się na wodzie do zbudowania tratwy? Przyroda jest kopalnią pomysłów. Oferuje nam setki wzorów, z których możemy korzystać. Siły ewolucji
można porównać do ogromnego laboratorium prototypów. Zmiana panujących warunków prowadzi do zmian organizmów, które albo się do tych nowych okoliczności dostosowują, albo ulegają zagładzie. Stąd w przyrodzie tyle perfekcyjnych rozwiązań konstrukcyjnych. Brytyjski specjalista prof. Julian Vincent z Centre for Biomimetic and Natural Technologies na Uniwersytecie w Bath szacuje, że wykorzystaliśmy na razie tylko 10 proc. z nich – głównie na potrzeby automatyki, robotyki, elektroniki czy mechaniki. Ale nie wyłącznie. Prof. Andrzej Samek przytacza też liczne osiągnięcia architektoniczne zainspirowane przyrodą. To m.in. Kryształowy Pałac w Londynie, którego dach, jak wieść niesie, odwzorowywał żebrową konstrukcję liści pewnej lilii wodnej z obszaru Amazonii (budynek spłonął w latach 30.), wieża Eiffla (wzór: struktura kości udowej), stadion olimpijski w Monachium z dachem przypominającym pajęczą sieć czy wreszcie projekt gigantycznej Bionicznej Wieży w Szanghaju – prawie półtorakilometrowego wieżowca dla 100 tys.
ludzi, wzorowanego na pniu cyprysu.

Kurtka, która myśli

Jeśli mowa o pajęczej nici, to od dawna stanowi ona obiekt pożądania naukowców. Uchodzi za jedno z najdoskonalszych osiągnięć natury – jest lekka, elastyczna i kilka razy bardziej wytrzymała niż stal. Niemal identyczną udało się niedawno uzyskać badaczom z kanadyjskiej firmy biotechnologicznej Nexia, we współpracy z amerykańskim US Army Soldier Biological Command. Geny odpowiedzialne za jej wytwarzanie u pająków wszczepiono do komórek krów i chomików, które podjęły produkcję odpowiedzialnych za jej powstawanie białek. Kanadyjczycy sklonowali też kozy, które wydzielają pajęcze białka razem... z mlekiem. Są już prototypy kamizelek kuloodpornych z takiego materiału.

Nie mniej fascynujące od dokonań pająków wydają się właściwości, jakimi mogą poszczycić się gekony. To jaszczurki, którym poruszanie się po najgładszych powierzchniach nie sprawia trudności. Dzieje się tak za sprawą mikroskopijnych włosków, którymi pokryte są spody ich kończyn – wzajemne przyciąganie między nimi a podłożem sprawia, że mogą one chadzać nawet głową w dół. Naukowcy z Manchester University opracowali tworzywo pokryte syntetycznymi rzęskami, które imitują te właściwości. Jak przewidują, może mieć ono wiele zastosowań: od nowoczesnych opon po roboty, które wspinałyby się po szybach i ścianach.

Wraz z rozwojem bioniki naukowcy zaczęli też poszukiwać „inteligentnych” materiałów. Eksperci z Uniwersytetu w Bath opracowali np. prototyp tkaniny, która reaguje na zmieniającą się temperaturę otoczenia. Za wzór posłużyła im sosnowa szyszka: otwiera się, gdy powietrze jest odpowiednio suche, a zamyka, gdy jest zimno i wilgotno. – Materiał składający się z mikroskopijnych łusek umożliwi swobodny przepływ powietrza. Uszyta z niego kurtka, w zależności od warunków atmosferycznych, będzie nas ogrzewać lub chłodzić – wyjaśnia prof. Julian Vincent. Brytyjczycy pokazali ten projekt na ubiegłorocznej Światowej Wystawie Expo w Japonii, której przyświecało hasło Mądrość Natury. Znalazła się tam również sztuczna skóra rekina, którą oprócz Wielkiej Brytanii pokazały też Niemcy (z takiego materiału szyje się m.in. kostiumy pływackie). Rekiny nie mają najmniejszych problemów z pokonywaniem oporu wody – dzięki skórze zbudowanej ze specyficznych łusek. Nie przywierają też do niej małże i inne morskie organizmy, które lubią
się przyczepiać do gładkich powierzchni, czego dowodzi np. skóra wielorybów czy kadłuby statków. Niechciani goście dodatkowo zwiększają opór wody i tym samym przyczyniają się do większego zużycia paliwa. Dzięki sztucznej skórze rekina można go sporo zaoszczędzić. Pokazały to pierwsze próby pokrycia tego typu powłoką fragmentów samolotu.

Dżdżownica w rurze

Podobne projekty – niestety, głównie na papierze – powstają też na naszych uczelniach. Politechnika Krakowska wydawała do niedawna broszury „Bionika” z pomysłami studentów Wydziału Mechanicznego na kierunku Automatyka i Robotyka. Znalazł się tam m.in. robot wzorowany na krabie, chwytak zainspirowany szczękoczułkami pająka, napęd łodzi żaglowych wzorowany na nietoperzu czy budynek jak kopiec termitów.

W tym ostatnim wzięto pod uwagę właściwości termitiery: dobra izolacja i wentylacja zapewniają utrzymanie w owadzim gnieździe właściwej temperatury i wilgotności. Podpatrując, jak robią to termity, można by budować schrony, magazyny, a nawet – w skrajnych przypadkach – mieszkania. W szczególnych warunkach klimatycznych, takich jak tropiki, budowle mogłyby służyć do przechowywania żywności. Pomieszczenia wewnątrz konstrukcji byłyby połączone tunelami, wykorzystywanymi np. do transportu. Najniżej znajdowałyby się kanały ściekowe.

Prof. Samek przyznaje jednak, że w Polsce bionika nie ma jeszcze zbyt wielu reprezentantów. Przede wszystkim brakuje kształcących w tym kierunku katedr i instytutów (założoną przez niego na Politechnice Krakowskiej Pracownię Badań Bionicznych zlikwidowano 10 lat temu ze względów finansowych). Dlatego wypadamy bardzo słabo w porównaniu chociażby z przodującymi w tej dziedzinie Niemcami, którzy mają 24 ośrodki akademickie zajmujące się wyłącznie bioniką, czy Japończykami. – Wszystko z powodu pewnego konserwatyzmu w kształceniu naszych specjalistów. Dla inżynierów obecnej generacji liczą się przede wszystkim obiekty, które da się opisać za pomocą modeli matematycznych. Tylko jak to zrobić z żywymi organizmami? – pyta prof. Samek. Nic dziwnego, że trudności sprawia zdobycie finansów na nowatorskie projekty, nie mówiąc o wprowadzaniu ich na rynek. Jak opowiada inż. Jerzy Zamorski, długoletni współpracownik prof. Samka i podobnie jak on entuzjasta bioniki, 21 lat temu w ich pracowni powstał m.in. prototyp robota
naśladującego ruch dżdżownicy: – Dostaliśmy zlecenie na zbudowanie urządzenia, które mogłoby poruszać się w rurach i badać ich stan. Miało być wykorzystane w planowanej wtedy w Żarnowcu elektrowni atomowej. Kiedy inwestycja upadła, na krótko zainteresowała się nim elektrownia w Bełchatowie, bo po udoskonaleniu robot mógł też służyć do czyszczenia rur. Ale ostatecznie nie zdecydowano się zaryzykować i pomysł upadł. Teraz naszą „dżdżownicę” można podziwiać w gablocie na uczelni. Nie udało się też nikogo zainteresować poruszającym się jak pijawka urządzeniem do czyszczenia i malowania szybko rdzewiejących słupów wysokiego napięcia. – Dzisiaj robotów kroczących w rurach jest wiele, oczywiście wszystkie za granicą – podsumowuje prof. Andrzej Samek.

Nauka z przyszłością

Obydwaj specjaliści zgadzają się, że potrzebna jest zmiana podejścia do bioniki. Dla wielu to wciąż nie do pomyślenia, że można połączyć dwie tak, zdawałoby się, różne dyscypliny jak biologia i technika. – Nowoczesny inżynier nie może być tylko „dokręcaczem śrubek”. Powinien być zdecydowanie bliżej przyrody, mieć szersze horyzonty. Tylko niekonwencjonalne ścieżki wytyczają postęp – tłumaczy profesor Samek. Jest jednak nadzieja, bo z roku na rok przybywa zdolnych studentów, którzy kipią pomysłami i chcą wprowadzać je w czyn. Pod jego kierunkiem na politechnice powstał właśnie prototyp urządzenia pływającego, wzorowanego na kalmarze. Na ukończeniu jest też podręcznik dla inżynierów jego autorstwa.

Jaka jest przyszłość bioniki? – To bionika jest przyszłością – przekonuje Manuel Spaeth, biolog z Uniwersytetu w Bonn, współpracownik wspomnianego już odkrywcy efektu lotosu. Według innego z niemieckich ekspertów prof. Wernera Nachtigalla – autora wydanej i u nas popularnonaukowej książki „Natura matką wynalazków. Wielka księga bioniki” – dziedzina ta będzie się rozwijać przede wszystkim, jeśli chodzi o tworzenie nowych materiałów. Sukces wróży on też bionice budowlanej, która obrała sobie za cel m.in. opracowanie nowych metod klimatyzacji i wentylacji, jak we wspomnianym już kopcu termitów (naukowcy z brytyjskiego Loughborough University prognozują, że w przyszłości będzie można w ten sam sposób konstruować np. stacje kosmiczne na Marsie czy Księżycu). Natomiast bionika ruchu, imitująca sposoby poruszania się zwierząt, będzie jego zdaniem powoli tracić na znaczeniu.

Czy zatem można się spodziewać, że coraz to nowe wynalazki, jakie będą powstawać dzięki podglądaniu natury, zmienią nasze codzienne życie? Eksperci zgodnym chórem odpowiadają: to pewne.

Grażyna Morek