Od ptaka do samolotu: jak natura inspiruje technologię

Natura wywarła przemożny wpływ na wiele z największych wynalazków świata. Samoloty naśladują lot ptaka. Pomysł na rzep narodził się, gdy jego wynalazca usuwał haczyki łopianu (rzepy) z sierści swojego psa po spacerze. A komarom zawdzięczamy mikroigły, które minimalizują ból zastrzyków.

W poszukiwaniu trwałych rozwiązań dla wyzwań technicznych projektanci coraz częściej pozwalają przejąć inicjatywę nie tylko swojej wyobraźni, lecz także przyrodzie. Zajmuje się tym inżynieria bioniczna – biomimetyka, nazywana także biomimikrą, która bada istniejące organizmy, czerpiąc pomysły z ich struktur i mechanizmów działania i wykorzystując je w różnych dziedzinach techniki.

– Wszystkich nas łączy wyobraźnia – mówi Robert Blasiak, naukowiec z działającego przy Uniwersytecie Sztokholmskim Centrum Odporności (SRC), które zajmuje się badaniami nad przywróceniem związków człowieka z naturą. – I myślę, że biomimetyka to dziedzina, która wymaga marzeń, by wszystko dobrze funkcjonowało – dodaje.

Ptaki wzorem dla pociągów 

Klasycznym przykładem biomimetyki jest japoński pociąg Shinkansen, wprowadzony do użytku w 1964 roku. Przy maksymalnej prędkości 320 kilometrów na godzinę sieć szybkich pociągów zrewolucjonizowała japoński transport masowy i stworzyła czystą alternatywę dla prywatnych samochodów.

Wcześniejsze konstrukcje nie były takie „szczupłe” i aerodynamiczne jak dzisiejsze, co skutkowało wibracjami i hałasem podczas jazdy – zwłaszcza, gdy pociąg przejeżdżał przez tunele i wywoływał uderzenia dźwiękowe.

W 1994 roku inżynierowi Eiji Nakatsu zlecono wyeliminowanie huku, wibracji i fali uderzeniowej oraz wymyślenie rozwiązań zapewniających płynniejszą jazdę. Jako zapalony obserwator ptaków Nakatsu dokonał zmian w dizajnie pociągu, zainspirowanych skrzydłami sowy i wrzecionowatym kształtem ciała pingwinów białookich.

Aby wyeliminować uderzenia dźwiękowe, ukształtował nos pociągu na wzór długiego i spiczastego dziobu, który pozwala pingwinom nurkować i łowić ryby bez rozpryskiwania wody. Nieprzyjemne dźwięki ustały, pociągi mogły jeździć nawet o dziesięć procent szybciej i zużywały o piętnaście procent mniej energii elektrycznej.

Od motyli i liści po bardziej wydajne ogniwa słoneczne

W miarę jak świat próbuje odejść od paliw kopalnych, fotowoltaika staje się według Międzynarodowej Agencji Energetycznej „najbardziej opłacalną opcją w produkcji energii nowej generacji w większości części świata”.

Aby uczynić ją jeszcze bardziej efektywną, inżynierowie wykorzystali budowę i działanie skrzydeł motyla róży pospolitej. Ten pochodzący z Azji Południowo-Wschodniej motyl pochłania energię słoneczną, aby się ogrzać. W tym celu zwierzątko wyewoluowało czarne skrzydła z otworkami o średnicy zaledwie jednego mikrometra. Rozpraszają one światło, które trafia na ciemną powierzchnię skrzydeł, ułatwiając motylowi wykorzystanie energii słonecznej do ogrzania się.

Z inspiracji tym naturalnym procesem opracowano ogniwa słoneczne nowej generacji z niewielkimi otworami, które są cieńsze i lżejsze niż poprzednie. I nie tylko to – pochłaniają one też więcej energii.

Z kolei naukowcy z Uniwersytetu Princeton, by poprawić wydajność fotowoltaiki, wykorzystali strukturą liści. Na powierzchni paneli utworzyli mikroskopijne fałdki, aby skanalizować fale świetlne, zwiększając wytwarzanie energii o prawie 50 proc.

– Pofałdowania te tworzą rodzaj falowodu – wyjaśnia Yueh-Lin Loo, profesor bioinżynierii, który należy do zespołu badawczego. – A to oznacza lepsze łapanie światła – dodaje.

Jak zbierać mgłę na pustyni

Innym owadem, który posłużył jako wzór dla technologicznych rozwiązań w duchu zrównoważonego rozwoju, jest chrząszcz żyjący na pustyni Namib w południowo-zachodniej Afryce, która jest jednym z najbardziej suchych miejsc na świecie. Ten mały czarny chrząszcz potrafi łapać kropelki wody z porannej mgły. W tym celu prostuje długie odnóża i trzyma łukowato wysklepiony pancerz na wietrze. Kropelki łączą się i gdy są już wystarczająco duże, spływają po pancerzu do jego pyszczka.

Ta ewolucyjna adaptacja do życia na pustyni zainspirowała projektantów do opracowania systemu wykorzystującego ekrany do wychwytywania wody, która zwykle wydostaje się wraz z wyziewami z przemysłowych wież chłodniczych. Dzięki temu można zaoszczędzić setki milionów litrów wody rocznie.

Półkolisty kształt pancerza chrząszcza z pustyni Namib posłużył także za wzór w opracowaniu materiału przypominającego siatkę, który można rozciągać w suchych regionach świata w celu zbierania wody z powietrza.

Inspiracje podwodnym światem

Naukowcy od lat niestrudzenie badają niedostępne głębiny mórz i oceanów, odsłaniając tajemnice, które przez tysiąclecia umożliwiały rozwój najróżniejszych organizmów wodnych. Na przykład długopłetwiec oceaniczny, nazywany także humbakiem, jest znany z tego, że pomimo swoich dużych rozmiarów jest niezwykle zwinny. Posiada on szereg wypukłości wzdłuż przednich krawędzi płetw.

Jeśli chodzi o dynamikę prądów przepływu długo uważano, że turbiny wiatrowe, by efektywnie działać, muszą być gładkie i opływowe. Jednak badania wykazały, że guzki na płetwach humbaka tworzą maleńkie wiry, które zmniejszają opór powietrza i generowanie dźwięku i pomagają płetwie przecinać wodę. Obserwacja ta utorowała drogę projektom nowych i wydajnych turbin wiatrowych i pływowych, samolotów, jednostek pływających i desek surfingowych.

Inne, mniej mobilne stworzenia morskie, przyczyniły się do ekologicznych rozwiązań w budownictwie. Koralowce mają twardy egzoszkielet z węglanu wapnia, zbudowany z wapnia, węgla i tlenu – substancji obecnych w wodzie morskiej.

Wiedza ta może przydać się branży budowlanej w tworzeniu bardziej ekologicznego cementu. Wykorzystanie węgla pochodzącego z wychwytywania CO2 w zakładach przemysłowych pozwoliłoby na związanie dodatkowych ilości CO2 zamiast emitowania go do atmosfery, gdzie napędza globalne ocieplenie.

Trawa morska i inne rośliny wodne wyposażone są w powłoki, które utrudniają życie bakteriom i innym mikroorganizmom. Dzięki temu mają szansę stać się inspiracją dla stworzenia nowych środków, które mogłyby zastąpić toksyczne chemikalia używane do ochrony łodzi i przybrzeżnych zakładów przemysłowych przed wodorostami, skorupiakami i bakteriami.

Podobnymi właściwościami charakteryzuje się również skóra rekina. Jej szorstka powierzchnia okazuje się nieprzyjazna dla bakterii. Jej struktura zainspirowała projektantów do stworzenia nowych materiałów o podobnych antybakteryjnych powierzchniach, stosowanych na przykład w szpitalach.

Budowanie „emocjonalnej więzi” z naturą

Oprócz innowacji Robert Blasiak ze Sztokholmskiego Centrum Odporności dostrzega jeszcze jedną korzyść wynikającą ze stosowania biomimikry w życiu codziennym: możliwość nawiązania emocjonalnej więzi z innymi formami życia czy ekosystemami.

– Jeśli się ma emocjonalny stosunek do natury, istnieje podstawa do większej troski i poczucia odpowiedzialności za nią oraz pragnienia relacji z ekosystemami w duchu zrównoważonego rozwoju – mówi.