Biomimetyka, czyli sztuka kopiowania doskonałości. Jak natura inspiruje technologie

Spis treści:

1. Natura jest najdoskonalszym inżynierem
2. Biomimetyka, czyli sztuka naśladowania natury
3. Jak to się zaczęło?
4. Jakie dziedziny zrewolucjonizowała biomimetyka?
5. Praktyczne zastosowanie rozwiązań biomimetycznych

Natura kształtowała się w toku trwających miliony lat procesów. Człowiek od dawna bada jej złożoność, ale mimo galopującej technologii świat przyrody wciąż skrywa przed nami wiele tajemnic. Nie ustajemy jednak w pogoni za ich poznaniem, co znajduje odzwierciedlenie w otaczającym nas świecie. Gdybyśmy nie obserwowali organizmów żywych, z całą pewnością nie powstałoby wiele przełomowych wynalazków.

Natura jest najdoskonalszym inżynierem

Postęp technologiczny, który dokonuje się na naszych oczach, jest nieprawdopodobny. Współczesne rozwiązania cechuje nieporównywalnie większa efektywność i trwałość względem tych, które były stosowane jeszcze nie tak dawno temu. Należy jednak podkreślić, że w kwestii zdolności inżynieryjnych, człowiek nie może równać się z naturą. Wszystko, co najdoskonalsze, powstało w wyniku naturalnych procesów.

Weźmy choćby pajęczą sieć. Nici jedwabiu pajęczego wykazują wielokrotnie większą wytrzymałość na rozciąganie niż stal o tym samym przekroju. Albo plaster miodu – struktura składająca się z sześciokątnych komórek, która przy zachowaniu niskiej masy wykazuje niebywałą sztywność i wytrzymałość na ściskanie. Inny przykład? Proszę bardzo – skóra rekina, która dzięki swojej specyficznej budowie znacząco minimalizuje opór wody. Przykładów potwierdzających doskonałość natury jest cała masa.

A gdyby tak wykorzystać zaobserwowane w przyrodzie wzorce i procesy, tworząc na ich podstawie rozwiązania dla wielu dziedzin? To już się dzieje i nie ulega wątpliwości, że naśladowanie natury jest przyszłością nauki.

Biomimetyka, czyli sztuka naśladowania natury

Już sama nazwa „biomimetyka” wskazuje, z jaką dziedziną nauki mamy do czynienia. „Bios”, czyli „życie” i „mimesis”, czyli naśladowanie – biomimetyka to nic innego, jak sztuka naśladowania przyrody.

Biomimetyka (nazywana też bioniką i biomimikrą) to w praktyce nic innego, jak dziedzina nauki, która opiera się na analizowaniu, imitowaniu bądź bezpośredniemu kopiowaniu występujących w przyrodzie struktur fizycznych lub związków chemicznych i przeniesienia ich do świata inżynierii i technologii.

Jak to się zaczęło?

Już starożytni rozumieli, że twory naturalne są doskonalsze od tych, które stworzył człowiek. Przykładem niech będzie mit o Dedalu i Ikarze, w którym ateński wynalazca i jego syn wzbili się w powietrze na skrzydłach inspirowanych ptasimi. Rozumieli, ale nie dysponowali technologią, która pozwoliłaby im odtworzyć to, co w toku trwającej miliony lat stworzyła przyroda.

Wynalazca wizjoner

Pierwsze praktyczne zastosowanie biomimetyki nastąpiło dopiero pod koniec XV stulecia, kiedy Leonardo da Vinci zbudował ornitopter, którego mechanizm lotu naśladował ruch skrzydeł ptaków i nietoperzy. Maszyna nie wzbiła się w powietrze, ale wraz z innymi wynalazkami Włocha, opartymi o występujące w przyrodzie struktury, zapowiadała naukowy trend, który miał dopiero nastać. To właśnie da Vinci zainspirował kolejne pokolenia do odtwarzania zjawisk przyrodniczych.

Praktyczne zastosowanie naturalnych wzorców dzięki rozwojowi obrazowania

Prawdziwą rewolucję w tej dziedzinie przyniósł dopiero XX wiek. W 1931 roku Ernst Ruska i Max Knoll skonstruowali pierwszy mikroskop, który do obrazowania wykorzystywał wiązkę elektronów. Świat, który do tamtej pory pozostawał niewidzialny, nagle stanął przed naukowcami otworem, prezentując złożoność budowy pozornie prostych struktur.

Termin „biomimetyka” ukuł się około 1950 roku. Jego autorem był Otto Schmitt, amerykański inżynier i biofizyk, wynalazca układu elektronicznego, znanego jako przerzutnik Schmitta. Dziesięć lat później, na konferencji w Dayton, po raz pierwszy użyto terminu „bionika”.

Jakie dziedziny zrewolucjonizowała biomimetyka?

Naukowcy dowiedli, że materiały i konstrukcje, naśladujące budowę organizmów żywych w wielu przypadkach wykazują wyraźnie lepsze parametry techniczne niż tradycyjnie stosowane rozwiązania. Pozwoliło to wprowadź nowe produkty i zmodyfikować wiele istniejących.

Zastosowanie rozwiązań biomimetycznych w odlewnictwie

Podpatrywanie natury pozwoliło znacząco usprawnić niektóre procesy zachodzące w wielu gałęziach przemysłu odlewniczego, np. w zakresie produkcji elementów konstrukcyjnych samolotów. W celu zwiększenia odporności przy jednoczesnej redukcji masy, wielu elementom współczesnych statków powietrznych nadaje się strukturę plastra miodu.

Zastosowanie rozwiązań biomimetycznych w inżynierii materiałowej

Choć nie widać tego gołym okiem, powłoki wielu organizmów żywych są niezwykle złożone. Mimo że wydają się strukturami jednolitymi, w praktyce składają się z szeregu mniejszych struktur, których specyficzne ułożenie decyduje o ich unikatowych właściwościach.

Weźmy choćby muszle ślimaków, składające się z wielu płytek, pomiędzy którymi występują łączące je struktury białkowe. Taka budowa zapewnia niezwykle efektywne rozpraszanie energii kinetycznej. Na tej podstawie opracowano szereg kompozytów, mających zastosowanie w budownictwie, motoryzacji i lotnictwie.

Inny przykład to wspomniana wcześniej skóra rekina. Te niezwykłe drapieżniki potrafią błyskawicznie zmieniać kierunek i przyspieszać. To zasługa m.in. niewielkiego oporu, jaki stawia woda w kontakcie ze skórą tych ryb. Ta niezwykła właściwość wynika ze specyficznego ukształtowania łusek. Skopiowanie tego naturalnego rozwiązania pozwoliło na opracowanie materiału, z którego korzystają pływacy. Dzięki swoim właściwościom, nie tylko zwiększa prędkość, ale także ogranicza zużycie energii.

Praktyczne zastosowanie rozwiązań biomimetycznych

Które technologie powstały dzięki inspiracji naturą? Przykładów jest wiele. Poniżej wymieniamy kilka z nich.

• Sieci neuronowe – stosowany w informatyce system przetwarzania informacji, odgrywający fundamentalną rolę w dziedzinie uczenia maszynowego, jest inspirowany działaniem ludzkiego mózgu.
• Roboty mogące poruszać się w trudnych warunkach terenowych – także robotyka podpatruje naturę. Systemy ruchu, które pozwalają robotom pokonywać trudny teren, w praktyce są kopią nóg owadów.
• Elastyczne skrzydła – w wielu współczesnych samolotach stosuje się skrzydła zdolne do zmiany kształtu podczas lotu. Ma to na celu poprawę wydajności i właściwości aerodynamicznych. Co stanowiło inspirację dla inżynierów? W tym przypadku były to skrzydła nietoperzy.
• Mikroigły – tradycyjnych igieł iniekcyjnych nie można określić mianem bezbolesnych. W medycynie i kosmetyce coraz częściej stosuje się jednak tzw. mikroigły, przeznaczone do wykonywania precyzyjnych zabiegów, którym nie towarzyszy uczucie bólu. Ten wynalazek był inspirowany aparatem gębowym samicy komara.
• Energooszczędne systemy wentylacji – jedną ze składowych energooszczędności w nowoczesnych budynkach jest minimalizujący zużycie energii system wentylacji. Naukowcy nie musieli „wymyślać koła na nowo”, żeby opracować takie rozwiązanie. Inspiracją dla nich były kopce termitów, w których wymiana powietrza i regulacja temperatury zachodzi niezwykle efektywnie.
• Systemy zbierania wody – w miejscach, w których panuje suchy klimat, każda kropla wody jest na wagę złota. Nowoczesne systemy mogą skutecznie zbierać wodę z mgły, wykorzystując w tym celu specjalne siatki. Dla autorów tego patentu, inspiracją były muszki występujące na pustyni Namib.
• Powłoki antyrefleksyjne – to jeden z tych wynalazków, które znacząco poprawiają nasz komfort życia codziennego. Minimalizują odblaski od szkieł okularów, ekranów urządzeń mobilnych i stacjonarnych czy nawet od muzealnych gablot. Mają też praktyczne zastosowanie w panelach fotowoltaicznych, zwiększając ich efektywność. Także w tej dziedzinie inspiracja naturą wprowadziła niemałą rewolucję. Okazało się bowiem, że efektywność takiej powłoki znacząco wzrasta, gdy nada się jej strukturę oka ćmy.
• Egzoszkielety – zewnętrzne konstrukcje, wspierające ciało człowieka, pozwalają na znaczne zwiększenie siły fizycznej bez nadmiernego obciążania mięśni, stawów i kości. Już teraz mają zastosowanie nie tylko w pracy fizycznej, ale także w rehabilitacji osób z niepełnosprawnością ruchową. W przyszłości, mogą stanowić rozwiązanie dla osób z trwałym uszkodzeniem narządu ruchu. Należy wspomnieć, że te rozwiązania zostały oparte na analizie zewnętrznego pancerza stawonogów.

Nasz autor

Artur Białek

Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.