Narava, večni navdih za znanstvenike, izumitelje in oblikovalce
Biomimetika Ose so navdihnile izum papirja, mačke pa nastanek sedežev za astronavte
Narava ima vrhunske rešitve, je pred več kot 2300 leti spoznal starogrški vsestranski znanstvenik Aristotel. Od davnih časov so ljudje načrtno opazovali naravo in na podlagi tega ustvarjali tehnološke rešitve za reševanje človeških težav. Na to sta nas spomnila Peter Aufreiter, direktor Tehniškega muzeja na Dunaju, in njegov kolega iz Španije Luis Alcalá, direktor velikega Parka znanosti v Granadi. V slednjem so zasnovali razstavo BioInspiration – Die Natur als Vorbild (Narava kot vzor) z več kot 200 eksponati, ki je zdaj (najmanj do konca poletja 2023) postavljena v dunajskem Tehniškem muzeju.
V izumih narave nič ne manjka in nič ni odveč, je dejal renesančni genij Leonardo da Vinci. V približno 3,8 milijarde let evolucije se je prilagodila življenjskim razmeram na Zemlji. Rešitve, do katerih je prišla, so bile preizkušene in izpopolnjene v številnih dolgotrajnih poskusih in napakah. Zaradi izjemnega razvoja znanosti in tehnologije lahko danes veliko bolje razumemo in posnemamo naravne sisteme. V zadnjih desetletjih se močno razvijata bionika in biomimetika ali biomimikrija.
Pojem bionika kot skupni izraz za razvoj sodobnih sistemov oziroma skupnih funkcij, ki temeljijo na podobnih sistemih v naravi, je leta 1960 uvedel ameriški zdravnik in polkovnik Jack Steele na simpoziju letalskih sil. Leta 1969 pa je bioizik in izumitelj Oto Schmit prvi opisal biomimetiko kot proces posnemanja sestave, strukture ali delovanja biološko ustvarjenih snovi z namenom ustvariti ali sintetizirati umetni izdelek. Biomimetični razvoj na splošno velja za močan motor znanstvenega in tehnološkega razvoja ne le v visokotehnoloških panogah, ampak tudi nekaterih tradicionalnih. Razvoj materialov je za znanstvenike največji in najbolj privlačen segment biomimetike. Tudi nanotehnologija se vedno bolj zgleduje po rešitvah iz narave.
Kaj imajo ose opraviti z izumom papirja
Legenda pravi, da je kitajski državni uslužbenec Cai Lun na začetku drugega stoletja našega štetja, torej pred več kot 1900 leti, dobil idejo za nov material za pisanje, papir. Cai Lun je menda opazoval, kako ose delajo gnezda iz svoje sline in prežvečenih lesnih vlaken. Nato je iz natrganega drevesnega lubja, konoplje, riževe slame, starih krp in ribiških mrež, zmešanih z vodo in škrobom, naredil kašo in iz nje papir.
Zapenjanje z ježkom oziroma trakovi velcro pa je slovit primer sodobne biomimetike. Leta 1941 je švicarski inženir Georges de Mestral po sprehodu s psom moral iz njegove dlake odstranjevati plodove repinca ( Arctium lappa). Pozorno si jih je ogledal, in ko je podrobno analiziral njihovo površino, je naredil dva trakova: enega z drobnimi kljukicami, drugega z zankami. Material je poimenoval velcro, tržiti pa ga je začel konec petdesetih let prejšnjega stoletja. Uporablja se na številnih področjih, pri oblačilih, v medicini, vojski, letalstvu, vesoljskih raziskavah ...
Potreba po pridobivanju vse večjih količin energije iz obnovljivih virov je spremenila številne krajine. Marsikje na kopnem in morju vidimo gozdove električnih vetrnic. Na Nizozemskem so razvili vetrno turbino in jo poimenovali po Arhimedu. Ima tri rotorje, ovite drug okoli drugega. S to speciično zasnovo črpajo veter v turbino in tako veliko bolje izkoriščajo vetrno energijo kot običajne vetrnice z dolgimi rotorji. Starogrški matematik in izik Arhimed je opisal takšne spirale, pogoste v naravi. Strokovnjake za razvoj turbin so navdihnili tudi kiti. Kit grbavec, katerega masa lahko presega 35 ton, plava zelo hitro, zahvaljujoč prsnim plavutim, ki imajo na sprednji strani štrleče izbokline. Po njihovem zgledu so industrijski oblikovalci zasnovali učinkovitejše rotorje vetrnic.
Ptica plamenec je tudi vir idej za inženirje, ki razvijajo turbine hidroelektrarn. Med iskanjem hrane uporablja svoj kljun kot črpalko, ki vodo premika v različne smeri hkrati. Na podlagi tega je nastal prototip turbine, ki izkorišča energijo nihanja valovanja. Z analizo perja sove so raziskovalci doumeli, zakaj je ta nočna ptica med letom zelo tiha. Nemško podjetje je njihova spoznanja uporabilo pri razvoju tihih ventilatorjev.
V sedemdesetih letih dvajsetega stoletja, ko sta svet zajeli natni krizi, je bila ena od rešitev za varčevanje z letalskim gorivom v potniškem prometu uvedba upognjenih zavihkov kril ( winglets). Podobne imajo nekatere velike ptice. Japonski inženir Eidži Nakacu je ugotovil, zakaj voda okoli vodomca ( Alcedo athis) skorajda ne škropi, ko se ta ptica hitro potaplja. Po obliki vodomčevega kljuna je zasnoval nos superhitrega vlaka, ki zaradi te inovacije porabi manj energije in je manj hrupen.
Kaktusi se združujejo z lišaji, na katerih kondenzira voda iz nočnih meglic. Princip »lovilca megle« z mrežami in sistemom za zbiranje vodnih kapljic danes uporabljajo ljudje v puščavah Južne Amerike in tudi na Kanarskih otokih.
Številni raziskovalci poskušajo najti načine za zmanjšanje negativnih okoljskih posledic cementne industrije, njene izjemne porabe energije in izpustov ogljikovega dioksida. Ugotovili so, da je cement mogoče izdelati tako, kot to počnejo korale v morju. Če pesku primešamo juho iz mikroorganizmov in kalcijevega karbonata, slednji kristalizira okoli zrn peska. Tako izdelana opeka ustreza vsem gradbenim standardom – hkrati pa absorbira ogljikov dioksid.
Eilov stolp kot človeška kost
Leta 1975, ko je bil Američan Van Phillips star 21 let, so mu amputirali nogo pod kolenom. Potem je, kot šolani oblikovalec biomedicinskega inženiringa, izdelal elastično protezo iz posebnega graita, s katero je lahko hodil in skakal. Pri konstrukciji se je zgledoval po prožnosti tetiv in mišic gepardovih zadnjih nog.
Stegnenica, najmočnejša kost v človeškem telesu, je ponudila rešitev Gustavu Eilu in njegovim inženirjem pri gradnji Eilovega stolpa v Parizu. Njihov problem je bil, kako razporediti ogromno maso jekla na štiri noge stolpa. Preučevali so geometrijo vlaken gobastega dela stegnenice in posnemali to strukturo. Podobno se zdaj poskuša kopirati strukturo hrošča Nosoderma diabolicum. Ni ga lahko poteptati, saj prenese težo, ki je do 39.000-krat večja od njegove lastne. Skrivnost je v speciičnih povezavah med delci njegovega zunanjega skeleta, ki so videti kot koščki sestavljanke. Arhitektura termitnjaka daje ideje za naravno klimatizacijo zgradb, površina lotosa pa za oblikovanje materialov, katerih površine se hitro čistijo same. Školjke, gekoni in hobotnice so vir idej za lepila.
Znano je, da mačke zlahka skočijo oziroma padejo z velike višine brez poškodb. (Skoraj) vedno pristanejo na tacah in hkrati upognejo hrbtenico v lok, da absorbirajo energijo udarca ob tla. To je dalo idejo za razvoj ležalnikov, v katerih astronavti ležijo med pristajanjem.
Kdor obišče del Münchna, kjer so leta 1972 potekale poletne olimpijske igre, bo opazil, da je olimpijski stadion kot pajkova mreža. Arhitekt Frei Oto je rad uporabljal takšne naravne rešitve pri obliko
Repinec je bil navdih za ježke, trakove velcro.
vanju zgradb velikih prostornin z malo materiala. Na dunajski razstavi vidimo tudi, kako narava navdihuje arhitekte, ne le s svojimi oblikami. Londonski arhitekturni studio Tonkin Liu, specializiran za »z naravo navdihnjeno arhitekturo, krajino in umetnost«, razvija tanke strukture, ki so hkrati zelo močne. Pri iskanju rešitev se zgledujejo po lupinah mehkužcev. S
temi strukturami je mogoče izdelati orjaške objekte, kot so nebotičniki, pa tudi izjemno majhne, kot so opornice za širjenje žil.
Pred dvema stoletjema je angleški inženir Marc Brunel zasnoval rešitev, podobno tisti, ki živemu svedru ( Toredo navalis), črvu podobni morski školjki, ščiti glavo med vrtanjem skozi ladijski les. Takšna konstrukcija je varovala delavce v predoru pod Temzo v Londonu. Ta predor, odprt leta 1843, prvi na svetu izkopan pod plovno reko, je zdaj del londonskega podzemnega sistema mestnega prometa.
Športni plavalec kot morski pes
Vlakna športnih oblačil prejšnjih generacij so vpijala vlago, se širila, postajala manj porozna, zato je bilo izhlapevanje vlage iz njih oteženo. Da bi dosegli nasprotni učinek, olajšali sušenje majic med treningom, so izdelali vlakna, ki se širijo in odvajajo vlago. Začetno zamisel je bilo mogoče uresničiti na podlagi spoznanj, kako se zaradi vlage spreminja oblika jelkinih storžev. Znano je tudi, da so znanstvene raziskave površja kože morskega psa privedle do novih materialov za oblačila športnih plavalcev.
Rok uporabnosti zdravil in cepiv bi lahko bistveno podaljšali (slednja bi lahko shranjevali tudi pri sobni temperaturi), če bi znanstvenikom uspelo razvozlati sposobnost nekaterih majhnih živali, ki lahko dolgo preživijo tako, da se dehidrirajo in svoje celice napolnijo z vrsto sladkorja, ki preprečuje njihovo smrt. Neboleče medicinske igle bomo imeli, ko bo mehanizem komarjev mogoče posnemati v množični proizvodnji mikroigel. Anatomija njihovega bodala je takšna, da neboleče prebodejo kožo žrtve, ko ji potem sesajo kri.
Marsikoga moti, ko na odprtem, zunaj hiše, zaradi odboja svetlobe ne vidi, kaj je na zaslonu mobilnega telefona. Raziskovalci zato med drugim iščejo rešitve, podobne nanometričnim izrastkom v očeh moljev in na krilih nekaterih vrst metuljev, ki ne odbijajo svetlobe. Pri tem je zanimivo, da sta dve vrsti živih bitij razvili identične strategije za različne dele telesa.
Zlasti v letalstvu in pri vesoljskih raziskavah se pogosto pojavljajo heksagonske oblike. Matematiki so dokazali, kar čebele vedo, odkar obstajajo: s šesterokotniki je mogoče najučinkoviteje zapolniti površino. Šesterostranična oblika omogoča manjšo težo, ne da bi se trdnost strukture zmanjšala. Zato se vedno znova uporablja na različnih področjih človekovih dejavnosti.
Stegnenica, najmočnejša kost v človeškem telesu, je ponudila rešitev Gustavu Eilu in njegovim inženirjem pri gradnji Eilovega stolpa v Parizu.
Pojem bionika kot skupni izraz za razvoj sodobnih sistemov oziroma skupnih funkcij, ki temeljijo na podobnih sistemih v naravi, je leta 1960 uvedel ameriški zdravnik in polkovnik Jack Steele.