Natura matką wynalazków. Od naśladowania do kopiowania rozwiązań biologicznych
Biomimetyka powstała jako termin w Stanach Zjednoczonych w latach 50. XX wieku. Jego autorstwo przypisuje się Otto Schmittowi. Rozumie się ją jako naśladowanie naturalnych, spotykanych w przyrodzie metod wytwarzania substancji chemicznych, naśladowanie rozwiązań i mechanizmów zaobserwowanych z naturze oraz imitowanie organizacji i form zbiorowego życia np. owadów społecznych lub mikroorganizmów. Badania biomimetyki nie zajmują się tylko obserwacją czy imitacją biologicznej struktury, ale raczej wdrażaniem jej rozwiązań do potrzeb człowieka.
Wcześniej nawet niż powstało słowo, bo w 1941 roku, szwajcarski inżynier George de Mestral, trapiony koniecznością ciągłego czyszczenia sierści swego psa po spacerach, zbadał pod mikroskopem przyczepiające się do niej nasiona rzepienia pospolitego i wpadł na pomysł stworzenia VELCRO - uniwersalnego zapięcia zwanego rzepem (1).
Sukces rzepów zachęcił innych do szukania inspiracji w naturze. Futro niedźwiedzia polarnego zaciekawiło na przykład specjalistów firmy Malden Mills, pracujących nad lekką i ciepłą tkaniną, która mogłaby zastąpić wełnę. Polar, a właściwie polartec, powstał w 1979 roku w laboratoriach firmy w USA. Jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych na świecie przykładów zastosowań biomimetyki. Polar składa się ze splotów cienkich rureczek poliestrowych. Pojedyncza mikrorurka może mieć długość nawet czterdziestu kilometrów, przy masie około 5 gramów. W każdym z tych włókien znajduje się powietrze, które daje efekt warstwy termoizolacyjnej. Sam poliester nie absorbuje wody, więc wykonany z niego materiał również jest hydrofobowy. Jednocześnie polar pozwala na swobodne odparowanie potu, który w przeciwnym wypadku tworzyłby warstwę ochładzającą ciało człowieka. Dlatego polar świetnie sprawdza się w ekstremalnych warunkach.
Następczynią polaru może być również nowatorska, biomimetyczna, tkanina. Profesor Julian Vincent z brytyjskiego uniwersytetu w Bath wykorzystał strukturę upierzenia pingwinów oraz mechanizm znany dzięki sosnowym szyszkom, które otwierają się, gdy spada wilgotność. Stworzony przez niego materiał zawiera warstwę mikroskopijnych wełnianych „kolców”, które w wyższych temperaturach podnoszą się, pozwalając na swobodny przepływ powietrza. Powstały w ten sposób materiał ma być termoczuły i reagować na wzrost temperatury. Zbudowany jest z warstwy kolców, które wraz z wzrostem temperatury podnoszą się, umożliwiając swobodniejszy przepływ powietrza. W niższych temperaturach skupiają się, tworząc bardziej zwartą i termoizolacyjną warstwę.
Architektura spod znaku bioinspiracji
Materiały i konstrukcje wykorzystujące np. struktury pszczelich plastrów miodu, struktury komórkowe czy też imitacje układów naturalnych włókien w kościach nie są niczym nowym. Inżynierowie dawno docenili ich zalety i wciąż szukają nowych zastosowań a także materiałów odtwarzających efekty znane w naturze. W architekturze i budownictwie biomimetyka „rządzi” zarówno w skali mikro, jak i makro, czyli całe ogromne projekty wzorowane są na przyrodzie. Znanym przykładem architektury biomimetycznej jest konstrukcja najwyższego na świecie wieżowca Burdź Chalifa w Dubaju. Jego podstawa, mająca kształt litery „Y”, nawiązuje do kształtu kwiatu błonczatki, niewielkiej pustynnej rośliny.
Przed odkształceniami spowodowanymi obciążeniami grawitacyjnymi chroni duże konstrukcje struktura kratownicowa. Układ sieci łączonych ukośnie elementów stalowych pozwala na równomierne rozłożenie obciążeń. Jest powszechne w mostach, wieżach, słupach, dźwigach, wieżowcach i wielu innych konstrukcjach, które muszą wytrzymać duże obciążenia (obciążenia, grawitacja, wiatr i inne). Niedawno badacze zauważyli, że ciekawą i potencjalnie lepiej sprawdzającą się pod względem odporności na wyboczenia niż stosowane tradycyjnie kratownice mogą być struktury organizmów morskich o nazwie gąbki szklane. Stworzenia te mają szkielet, który składa się z krzemionkowych szpikulcowatych bloków konstrukcyjnych (spicules). W niektórych gatunkach gąbek, np. u odmiany nazywanej koszyczkiem Wenery, Euplectella aspergillum, kolczaste struktury układają się w sieć nieco podobną do kratownicowej. Badacze brytyjscy z uniwersytetu w Bristolu opracowali symulacje odporności tych struktur na obciążenia, ale także przeprowadzili porównawcze testy mechaniczne na trójwymiarowych replikach różnych wariantów geometrycznych sieci. W końcu uczeni doszli do wniosku, że geometria gąbki szklanej z kwadratowym układem struktury kratownicy poprawia wytrzymałość konstrukcji o ponad 20 proc. Autorzy badań mówią przede wszystkim o wykorzystaniu tych konstrukcji w druku 3D, ale kto wie, czy nie rozszerzy się to na wielkie projekty, mosty i wieżowce.
Znany na świecie projekt wieżowca autorstwa polskich młodych architektów Ryszarda Rychlickiego i Agnieszki Nowak, zwany „deszczołapem”, inspirowany był roślinami magazynującymi wodę. Cała bryła budynku ich projektu przypomina mięsisty liść. Jego kształt ułatwia zbieranie wody z opadów. Fasada Rain Collector Skyscraper to system rynien, po których deszczówka spływa - przechodząc przez system filtrów - do poszczególnych mieszkań. Tam może być wykorzystywana do spłukiwania toalety, podlewania roślin, mycia naczyń w zmywarkach, czyszczenia podłóg, robienia prania oraz wszelkich innych czynności niewymagających użycia wody pitnej. Lej biegnie przez środek budynku aż do fundamentów. Tam nadmiar deszczówki gromadzony jest w wielkim zbiorniku pod wieżowcem. Z tego zbiornika można pobierać wodę, kiedy są dłuższe okresy bez deszczu.
Z kolei architekci z Zimbabwe zajęli się studiami nad lokalnym gatunkiem owadów - termitami i ich technikami regulacji temperatury, wilgotności i przepływów powietrza w kopcach. Efektem tych studiów był projekt centrum handlowego w stolicy tego afrykańskiego kraju - Harare.
Przyroda kopalnią cudownych materiałów i konstrukcji
Przyroda jest niewyczerpanym źródłem innowacji w dziedzinie technik materiałowych. Jednym z nowzych i na swój sposób zaskakujących przykładów jest sięgnięcie po mięczaki w celu uzyskania rekordowo twardych substancji. Inspirując się materiałem w uzębieniu stworzeń, nazywanych po polsku skałoczepami, zespół naukowców z uniwersytetu w Portsmouth stworzył kompozytowy biomateriał o nadzwyczajnej wytrzymałości, który, ich zdaniem, mógłby stanowić alternatywę dla materiałów takich jak kewlar. Skałoczepy skrobią zębami po nierównych i twardych powierzchniach skalnych w celu zbierania alg, którymi się żywią. Służące im do tego zęby wykazują wielką wytrzymałość. Prace badaczy sprzed kilku lat wykazały, że zęby tych stworzeń mają wytrzymałość na rozciąganie od 3 do 6,5 gigapaskala (GPa). Dla porównania, wytrzymałość włókien pajęczych na rozciąganie to około 1,3 GPa, a stali - 1,65 GPa. Zdaniem uczonych, efekt taki daje występująca w nich gęsta sieć włókien chityny z drobnymi kryształami geotytu zawierającego żelazo. Według „Nature Communications” zespół zbudował układ pozwalający na tworzenie podobnych struktur w laboratorium, gdzie na początku wykorzystuje się szkło pokryte surowicą, a na wierzchu osadza się chitynę i tlenek żelaza. W określonych warunkach udało się wyhodować naśladujące naturalne struktury zębów skałoczepa o szerokości pół centymetra.
Naukowcy z amerykańskiego Uniwersytetu Karoliny Północnej postanowili w poszukiwaniach nowych wytrzymałych materiałów wykorzystać struktury zaobserwowane w naturze, w kościach i bambusowych pędach. Ich nowe podejście może zrewolucjonizować metalurgię. Metale mają ziarnistą strukturę. Jak wyjaśnia pracujący nad tym Yuntian Zhu, „stosunkowo małe ziarna na powierzchni oznaczają większą twardość, ale mniejszą rozciągliwość, czyli podatność na pękanie przy obciążeniach wzdłuż metalowej konstrukcji”. Rozwiązaniem, które pozwalałoby łączyć twardość z odpornością na rozciąganie, byłoby, jak zauważyli Zhu i jego koledzy, zastosowanie stopniowej zmiany ziarnistości w głąb metalu. Podobną strukturę mają właśnie kości. Badacze z Karoliny Północnej przetestowali tę regułę na wielu metalach, w tym na miedzi, niklu i stali nierdzewnej. Ich zdaniem, osiąga się w ten sposób metale o właściwościach dotychczas poza zasięgiem metalurgii. Ponadto metale te mają być bardziej odporne na korozję i zużycie zmęczeniowe.
Raz poszukuje się w naturze twardości i wytrzymałości, innym razem - miękkości i podatności. W 2018 roku naukowcy opracowali nowy materiał, który naśladuje właściwości skóry, a także zmienia kolor w procesie, zgodnie z artykułem opublikowanym w „Science”. U zwierząt skóra służy jako ważna linia obrony i może szybko usztywnić się, aby zapobiec kontuzjom. A w niektórych gatunkach, takich jak kameleony, skóra może zmienić kolor. Ta naturalna obrona zainspirowała naukowców z Uniwersytetu Karoliny Północnej na wzgórzu Chapel Hill do stworzenia biomimetycznego materiału syntetycznego - jest miękki w dotyku, sztywny, gdy jest zdeformowany, a także zmienia kolor.
Tajemnica skuteczności stroju pływackiego Speedo FastSkin tkwi w podobieństwie do skóry rekina. Charakteryzuje się ona minimalnym oporem stawianym wodzie. Tajemnica skóry rekina tkwi w jej „ząbkach” z mikrowyżłobieniami. Przypominają one miniaturowe płetwy-łopatki z brzegami w kształcie litery V. Kiedy ciało człowieka porusza się wodzie, stwarza zawirowania, których efektem jest opór. „Ząbki” z wyżłobieniami pokrywające kombinezon zmniejszają ten niekorzystny rezultat i umożliwiają wodzie opływać człowieka bardziej efektywnie. Dające się pomyśleć zastosowania rekiniego patentu na powierzchnię to m.in.: zmniejszenie oporu na płaskich powierzchniach statków i samolotów, materiały modelujące skórę rekina redukujące opory wody i powietrza, skafandry do skrócenia czasu zejścia na duże głębokości, wydajny i szybki system rur do dystrybucji wody.
Kolejnym przykładem biomimetycznych inspiracji powierzchniowych jest hydrofobowa farba. Pomysł jej utworzenia wyszedł od obserwacji liści lotosu, z którego nawet duże krople wody spływają, nie zostawiając śladu. Chropowatość powierzchni liścia lotosu jest wynikiem współistnienia mikrowypukłości i nanowłosków pokrytych kryształami wosku o średnicy 1 nm (2). Na większości roślin cząsteczki cieczy i brudu gromadzą się na powierzchni, na liściach lotosu woda zabiera brud.
Zdjęcie: stock.adobe.com
Współcześni poszukiwacze biomimetycznych inspiracji obserwują też barwne połyski skrzydeł owadów i antyrefleksyjne powłoki na oczach ciem. Ich odkrycia i badania dały już doskonalsze wyświetlacze w smartfonach. Analizy połysku okrzemków pozwoliły opracować nowe rodzaje kosmetyków. Zaś w zmarszczkach widocznych w oku muchy w bursztynie sprzed milionów lat znaleziono rozwiązanie redukujące odbicie promieni słonecznych w ogniwach fotowoltaicznych. To nie jedyna zresztą starożytna inspiracja bio-mimetyczna - naukowcy w Niemczech szukają w pierwotnych piórach welociraptorów pomysłu na udoskonalenie skrzydeł samolotów, aby charakteryzowały się mniejszym oporem w powietrzu.
Powierzchnie, które chcemy zakamuflować, możemy pokryć żelem imitującym komórki barwnikowe rozmieszczone pod skórą mątw, które tworzą lustrzane odbicie koloru dominującego w otoczeniu. Na podstawie ich analizy opracowano substancję, którą będzie można smarować sprzęt wojskowy wymagający maskowania. Żelem można pokryć np. wytrzymalszą od stali pajęczą sieć, niemal dokładnie odwzorowaną przez kanadyjską firmę Nexia w celu wytwarzania nowoczesnych kamizelek kuloodpornych.
Jak się okazuje, łuski węża też mogą odnaleźć się w technice. Tym razem w walce z tarciem na stalowych powierzchniach. Instytut Technologiczny z Karlsruhe opracował technikę przenoszącą ten rodzaj powierzchni do zastosowań użytkowych, np. w stawach protez. Niemieccy specjaliści użyli lasera do żłobienia powierzchni stali w kształcie wężowych łusek. Każda z nich ma 5 µm (mikronów) wysokości i szerokość ok. 50 µm. Prawdziwe łuski na skórze węża są znacznie drobniejsze - mają od 300 do 600 nanometrów. Jednak efekty w postaci zmniejszenia tarcia powierzchniowego wciąż są zadowalające, podobnie jak to miało miejsce w przypadku robotycznego gekona, którego sztuczne wypustki były sto razy większe niż naturalny pierwowzór, a mimo to wykazywały właściwości adhezyjne. Stworzenia te potrafią chodzić po gładkich powierzchniach, takich jak ściana czy szyba, nawet w pionie. Gekony potrafią zawisnąć na czubku palca przyklejonego do podłoża. Wyniki pracy nad elektromagnetycznym oddziaływaniem włosków gekonów pozwoliły na wyprodukowanie pierwszego syntetycznego „kleju gekona” na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Potem okazało się, że najważniejsze są wymiary włosków - im mniejsze, tym lepiej przylegają.
Frapują nas niesporczaki. Te drobne stworzenia są w stanie wytrzymać w zakresie temperatur od prawie absolutnego zera do punktu wrzenia wody. Żyją wszędzie, od biegunów po równik, od głębokości 4000 metrów aż po szczyty o wysokości 6000 metrów nad poziomem morza. Można je wysuszyć, a one, zachowując jedynie 3 proc. wilgotności, przeżyją. Wykryto je nawet w stratosferze. Gdy temperatura spada poniżej zera, wytwarzają cząsteczki zapobiegające powstawaniu kryształków lodu, niszczących błony ich komórek. Mechanizmy wykorzystywane przez te drobne stworzenia bardzo interesują projektantów wszelkiego rodzaju osłon i zabezpieczeń, np. skafandrów kosmicznych. Natura podpowiada też naszej technice nowe kształty, które mogą znacznie poprawić parametry pracy naszych maszyn.
Airbus od lat pracuje nad samolotem koncepcyjnym z rozpościerającymi się końcówkami skrzydeł i rozkładanym ogonem na podobieństwo piór drapieżnego ptaka. Zdaniem firmy, nowe biomimetyczne rozwiązania projektowe mają pozwolić m.in. na cichsze lądowanie samolotów i zmniejszenie zanieczyszczeń. „Aktywną kontrolę lotu”, podobną do tego, co widać u orłów czy jastrzębi zapewniać miałyby indywidualnie sterowane lotki-, „pióra” na końcówkach skrzydeł maszyny. Także ogon konstrukcji odchodzi od tego, co znamy w tradycyjnych samolotach, w swoim klinowym kształcie przypominając ptasie ogony, zaś kadłub byłby zakrzywiony. Według Airbusa, zbudowane według inspirowanych biologiczne reguł samoloty o zasięgu regionalnym, z 80 pasażerami na trasach do 1500 km, spalałyby 30…50 proc. mniej paliwa niż dziś używane samoloty.
Mercedes-Benz z kolei, korzystając z podglądania żyjącej w Morzu Czerwonym ryby o nazwie boxfish, zaprojektował samochód uzyskujący nadzwyczajne właściwości aerodynamiczne i użytkowe. Superszybki pociąg Shinkansen również swój wygląd zawdzięcza naturze - wzoru nosa pociągu dostarczył… zimorodek. Egzoszkielety, czyli zewnętrzne szkielety, które w naturze zaobserwować można wśród mięczaków i stawonogów, stają się wzorem dla konstrukcji przywracających mobilność niepełnosprawnym lub dającym pracownikom fabryk nadludzką siłę. Japończycy widzą w kłujkach komarów szansę na opracowanie techniki bezbolesnych zastrzyków. Przykłady pomysłów i projektów biomimetycznych można by mnożyć.
Sztuczne życie, czyli przejście od naśladowania do kopiowania
Niejako naturalną konsekwencją integracji działań biologii i techniki jest biologia syntetyczna, która, gdyby się nad tym zastanowić, jest krokiem oznaczającym już kopiowanie, a nie jedynie naśladowanie natury. Jej propagatorzy uważają, że przeprogramowanie biologii pozwoli wydajniej produkować żywność, zwalczać choroby, generować energię i oczyszczać wodę.
Biologia syntetyczna może być wykorzystywana do tworzenia mikroorganizmów modelowych, takich jak Escherichia coli, za pomocą narzędzi do edycji genomu w celu zwiększenia ich zdolności do wytwarzania produktów, np. leków i biopaliw. Innym przykładem zastosowania biologii syntetycznej jest przeprojektowanie szlaków metabolicznych E. coli za pomocą systemów CRISPR w kierunku produkcji substancji chemicznej znanej jako 1,4-butano-diol, wykorzystywanej w produkcji włókien.
Amerykańscy naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w Vermont, Tufts i Instytutu Inżynierii Inspirowanej Biologicznie na Uniwersytecie Harvarda, którzy stworzyli pierwsze żywe roboty, twierdzą, że te formy życia, znane jako ksenoboty, mogą się rozmnażać. Stworzone przez nich w 2020 r. z komórek macierzystych afrykańskiej żaby szponiastej (Xenopus laevis), od której wzięły swoją nazwę, ksenoboty mają mniej niż milimetr szerokości. Eksperymenty wykazały, że potrafią się poruszać, współpracować w grupach i kurować się samodzielnie. Okazało się, że coś, co pierwotnie pomyślano jako imitacja natury, od natury tej zaczyna się oddalać.
Pod koniec 2021 r. naukowcy poinformowali, że odkryli zupełnie nową formę reprodukcji biologicznej, inną niż jakiekolwiek zwierzę lub roślina znane nauce. Ksenoboty wykorzystywały „replikację kinetyczną”, proces, o którym wiadomo, że zachodzi na poziomie molekularnym, ale nigdy wcześniej nie zaobserwowano go w skali całych komórek lub organizmów. Z pomocą sztucznej inteligencji badacze przetestowali miliardy kształtów, które miały dać ksenobotom większą efektywność w replikacji. Superkomputer wymyślił kształt litery C, który przypominał Pac-Mana, grę wideo z lat 80. Okazało się, że, potrafi on znaleźć maleńkie komórki macierzyste w szalce Petriego, zebrać je w „ramionach”, a te kilka dni później stają się nowymi ksenobotami.
Inicjatywa biologii syntetycznej znana pod nazwą Human Genome Projectwrite sięga jeszcze dalej, zachęcając naukowców do konstruowania całych ludzkich chromosomów. Pojawiły się zarazem obawy dotyczące etyki tworzenia „syntetycznych ludzi” oraz naukowej i komercyjnej wartości takiego projektu. Stwarza to wrażenie wręcz rewolucyjne, ale w rzeczywistości, pomimo pewnych sukcesów w produkcji niektórych wysokowartościowych substancji chemicznych i leków, panuje przekonanie, że biologia syntetyczna wciąż jeszcze jest daleko od spełnienia swoich obietnic.
Rozwiązania znajdowane w naturze są zazwyczaj dopiero punktem startowym innowacji. Nie trzeba odtwarzać skór jaszczurki czy chrząszcza, aby zbudować urządzenie absorbujące wodę ze środowiska, ani konstruować oka ćmy, aby mieć powierzchnię antyrefleksyjną. Nie musiała powstawać syntetyczna wersja chrząszcza z pustyni Namib w Afryce, aby stworzyć naczynia samonapełniające się wodą, które przez wykorzystanie zjawiska hydrofilii pobierają wilgoć z powietrza i skraplają ją, gromadząc zdatną do picia wodę. Wystarczyło zbadać dokładnie, jakie mechanizmy i zjawiska fizyczne wykorzystuje owad. Wierne i pełne kopiowanie natury nie jest w większości przypadków możliwe, ale również trudno je uznać za konieczne do osiągnięcia naszych celów.
Mirosław Usidus
