Készítette a természet

A természet körülvesz minket, de ha ezt halljuk nem csak a növényekre és állatokra kell gondolnunk. A tudósok lopnak az élővilágtól, de nem akármit, hanem ötleteket. Hogy mi a közös a tépőzár, az úszók ruhája, a repülő, a magas épületek, az esőkabát és az informatika forradalmasításában? A következőkben ennek járunk utána.

A biomimetika egy interdiszciplináris terület, amelynek alapját képezi a mérnökség, a kémia és a biológia. Ezen területeket alkalmazza anyagok szintéziséhez, rendszerek és gépek megalkotásához, amelyek funkciójukban utánozzák a biológiai folyamatokat. A biomatériák lehetnek bármilyen természetes vagy szintetikus anyagból, amely kölcsönhatásba lép bármely biológiai rendszer egy részével. Biomimetikus tervezést használhatnak a regeneratív medicinában, a szövet „mérnökségnél”, a célzott gyógyszerkezelésnél és számos más területen is. Röviden annyit jelent, hogy a szakemberek ellesnek a természetből valamit és annak fizikai és kémiai alapjait az emberi lét hasznára fordítják. Hogy is tudnánk jobbat kitalálni annál, mint amit már az evolúció hosszú évek alatt a tökélyre fejlesztett? Elöljáróban csak pár példát említenék: a versenyszerű úszóknak minden másodperc számít, így ruhájuk a cápák bőréhez hasonlít, hogy ezzel is csökkentsék a vízben a közegellenállást. A tépőzár is egy hatalmas, az átlag ember életét is megkönnyítő találmány, gondolták volna, hogy ezt az ötlet a növényi terméseken lévő tüskéken alapul? A repülőgépek alakja a madaraktól kapta az inspirációt, bár ez nem meglepő. A stabil épület szerkezeteket pedig a Turbo undulatus nevű tengeri kagylóról másolják.

Bizonyára sokan hallották már azt az anekdotát, hogy ha a Föld történetét 1 évre összesűrítenénk, akkor az ember csak az utolsó 15 percben jelenne meg. Ráadásul az ipari forradalom az utolsó 15 perc utolsó 1 percében indulna meg. Annak ellenére, hogy ilyen kis részben vett részt a Föld életében az ipari fejlődés gyorsabban zajlott a múlt évszázadban, mint valaha az emberiség történetében. Bár az iparosodás sok előnnyel járt, segített meghosszabbítani a várható élethosszt és túlélni számos betegséget, hozadéka a környezetszennyezés és a környezeti károk növekedése, amelyek ugyancsak befolyásolják az emberi életminőséget. A megoldás a források hiányára és az emberi túlélésre nem mindig világos, de a választ mindig meglelhetjük a temészetben. Egy érdekes módszer lehet a biomimetika, amely megoldja ezeket a problémákat azáltal, hogy a természetet hívja segítségül, mint végső megoldás, standard és tanácsadó. Az utóbbi időben egyre több erőfesztés és siker van a biomimetikus technológia terén.

Múlt, jelen és jövő

Nehéz definiálni ezt a kezdeményezést. A biomimetika szó a görög „bios” (élet) és „mimesis” (utánozni) szóból ered, bár a meghatározása nem annyira egyszerű, hogy ez a két szó leírja. Pontosabban a biomimetika egy kreatív formája a technológiának, amely utánozza a természetet, hogy javítsa az emberi életet. A koncepció nem egy mai elképzelés vagy trend, az elképzelés, hogy a természetből merítsünk inspirációt már elég rég megfogalmazódott.

A biomimetika története már nagyon régre visszanyúlik. Könnyen megtalálhatók a mindennapi életben „termékei” és gyakran tudtunkon kívül használjuk őket. A késektől és a baltától kezdve, amiket a mára már kihalt állatok fog struktúrája inspirált egészen a legerősebb vágó felületű szén nanoanyagokig, a biomérnökség mindig együtt fejlődött az emberiséggel.

Leonardo da Vinci (1452–1519) munkája alapvető példa a biomimikrire. Készített egy „repkedő gépet”, amelyet a madarak ihlettek. A Távol Keleten Yi Sun-Sin épített egy „teknőshajót”, egy hadihajót, ami egy teknősre hasonlított, hogy harcolni tudjanak a japán fosztogatókkal az inváziók során. A Wright fivérek (1867–1948) megfigyelték a sasok szárnyait és olyan motoros repülőgépet építettek, amellyel az ember először képes volt repülni 1903-ban. A következő században a repülőgép sokkal gyorsabbá, sokkal stabilabbá és aerodinamikusabbá vált. Schmitt volt, aki a biomimetika kifejezést létrehozta 1957-ben és kijelentette, hogy ez fordulópontja a biológiának és a technológiának. A NASA-nál dolgozó Jack E. Steele, aki megalkotta a bionika kifejezést 1960-ban, volt az első, aki használta a biomimetika kifejezést 1969-ban egy tudományos tanulmányban, amivel hozzájárult, hogy 1974-ben a szó bekerüljön a szótárba. 1997-ben Janine M. Benyus Biomimikri című könyvét publikálta, amiben hangsúlyozta, hogy a biomimetika a vezető irány, ami a technikai fejlődés új korához vezethet. Ahelyett, hogy nyersanyagként tekintünk rá, órákat kell vennünk a természettől, hogy a termékeket megalapozzuk. Benyus és mások továbbléptek és egy társadalmi vállalkozást szerveztek, amelyet Biomimikri 3.8-nak neveztek el és ezen keresztül osztják meg elképzeléseiket és koncepcióikat a Biomimetika és a Biomimikri terültén, valamint kapcsolatot tudnak létesíteni interdiszciplináris kutatókkal, tudósokkal, művészekkel, mérnökökkel, üzleti vezetőkkel és az érintettekkel.

A biomimetikai alapkutatási metódus hat lépésből áll, amit alkalmazni lehet a biomimetikai tervezéshez, termékekhez, szolgáltatásokhoz és a mezőgazdasághoz.

Például a „ragacsos anyag” a gekkók lábán, a biológia által inspirált tervezés által biztosított funkcionális lehetőséget kell kutatni, minthogy csak szimplán felhasználni arra a dologra, amire az élőlény is hasznosítja. Bár a felfedezés vagy az innovatív technológia elengedhetetlen a magas profithoz az egyszerű kreatív ötlet nagyobb kényelmet biztosíthat az emberek életében. Az élőlény tulajdonságának funkciójának, az alapelvnek, amellyel ezt a működést elérjük és a kettőjük között lévő kapcsolatnak megalapozottnak kell lennie. A kutatások által felhalmozódott tudást és a különböző anyagok felhasználási lehetőségeit adatbázisokban tárolják. A kapcsolatot a funkció és a struktúra között általában a felületi szerkezet határozza meg, amit pásztázó elektronmikroszkópos technikával (scanning electron microscopy; SEM) lehet megfigyelni. Ez a finomstruktúra fontos szerepet játszik az élőlényben és ahogy mondani szokták, ez az első lépés a biomimetikában. Az amerikai kutatók pratikus adatbázisként a Biomimikri taxonómiát használják. A legnagyobb kihívás, amivel a biomimetika szembe néz, hogy meghatározza a nano- és mikrostruktúrák fukcióját az élőlény és környezetének kapcsolatában, de ezek még nem telesen feltárt részletek. A valódi példák találása a biológia, természettörténet és az anyagtudomány integrálásával a következő lépés a biomimetikai kutatásban. A következő mérföldkő, hogy azonosítsák az élőlények különböző funkcionális és környezeti adaptációs mechanizmusait és az energiaminimalizáló berendezkedésüket. Erre sikeres példa a fényvisszaverő bevonat, amit az éjjeli lepke szeme inspirált, amelyben 200 nm-es struktúrák tükrözik vissza a látható fénysugarakat. A jövő a hierarchikus struktúrákban van. A már ismert anyagok struktúrája és funkciója teszteken és értékeléseken megy keresztül azért, hogy az így nyert adatok segítsenek az új anyagok morfológiai kialakításában és fejlődésében. Azzal, hogy kombinálják ezt a tudást a jelenlegi fejlesztésekkel az orvoslásban, a kémiában  és a nanotechnológiában, valamilyen új hasznos dologgal állhatnak elő, melyek előnyösek lehetnek az ember számára.

Biomimetikai az iparban

Cipzár

Az 1940-es években egy svájci mérnök, George de Mastral vette észre és jegyezte fel, hogy a Fészkesvirágzatúak rendjébe tartozó Xanthium strumarium növény száraz és tüskés termése milyen könnyen ragad bele a kutyájának a bundájába és mennyire nehezen lehet onnan eltávolítani. Kíváncsiságának eleget téve mikroszkóp alatt kezdte el vizsgálni a termés kampós mikroszerkezetét, ami lehetővé teszi a rögzítést. Ő írta le először, hogy ezeknek a kampóknak a mennyisége (denzitása) egyenes arányban áll a stabil rögzítés mértékével. Ez a szerkezet inspirálta a mérnököt arra, hogy hasonló kapcsokat hozzon létre, amik valahogy szabályozhatóak a nyitás-zárás (ragaszkodás) szempontjából. Először műanyag (nylon) alapú szerkezetet hozott létre, ami működőképes volt. Annak érdekében, hogy fokozni tudja az adhéziós képességét a találmányának olyan kapcsolódó végeket alakított ki, aminek csak az egyik oldalán található a már jól ismert horog-szerkezet, míg a másik oldal egy szalagon elhelyezett kerekebb hurok található. Ez a fajta aszimmetria lehetővé tette, hogy egy megfelelő nyitó-záró szerkezettel és kisebb erőfeszítéssel lehessen széthúzni (kinyitni) és összehúzni (bezárni) a kapcsokat. Ennek a felismerése, leírása és a leginkább a textiliparban való alkalmazása forradalmasította és megkönnyítette a ruhák viseletét és alakját.

Repülőgépek

A repülés utáni vágy az emberiségben már nagyon korán kialakult, ezért mindig is egyfajta központi szereppel bírt ez a fogalom. A szárnyak alapszerkezetüket tekintve aszimmetrikusak, ugyanis a felső felszínnek a görbülete domború, míg az alsó felszín homorú. Ezzel a szerkezettel a szárny a Bernoulli-törvényen alapulva koncentrálja az erőket és a sebesség növelésével a nyomást csökkenti. Ez által a légáramlat sebessége magasabb lesz a szárny fölött, míg alacsonyabb lesz a szárny alatt. A törvényből adódóan a nyomásviszonyok pont fordítva alakulnak. Többek között ez a fizikai törvény teszi lehetővé, hogy ma akár 100 tonnás repülőgépek repülhessenek. S ez tette lehetővé a Wright fivéreknek a sikeres repülést. Természetesen az első modellekhez képest a rengeteg változást a hosszú évek alatt kutatott különböző madárszárnyak és tollak szerkezete finomhangolta szinte tökéletesre. S nem csak individuumként vizsgálták a madarakat, hanem azok tömeges viselkedését is megfigyelték. Gondoljunk itt a libák jellegzetes V-alakú vonulására. Ennek a formációnak az indoka és a fizikai háttere az, hogy az állatok kevesebb erőfeszítéssel tudnak repülni a kialakuló felszálló légáramlat felhajtóereje miatt. A francia Airbus légitársaság ezeket az alapokat használta fel a repülőgépek tervezéséhez. Továbbá kimutatták, hogy azoknál a madaraknál, akik nagyobb távolságot tesznek meg egyszerre, különbözik a tollazatuk alakja a kisebb migrációt végző társaikétól. Ezek a leírások is meghatározóak voltak a rövidebb és a hosszabb távú légi utazások kialakítása során.

Építészet

A biomimetika felhasználásának legrégebbre visszanyúló története az építészetben van. A régi alkalmazásokat újra és újra fejleszteni kell. A legfigyelemreméltóbb példa a biomimetikus építészetre az afrikai füves pusztán lévő 6 méter magas termeszvár. Ezek a különleges építmények talajból, fakéregből, homokból és a termeszek nyálából készülnek, mégis keménybbek, mint a beton.  A termeszek nagyon érzékenyek a hőségre, mivel több mint 2 millió fős csoportokban élnek. Mégha a külső hőmérséklet el is éri a 40°C-ot a vár belseje fenntartja a 30°C-ot. Bár úgy tűnik, hogy a termeszek csak a külső ingerekre való érzékenységük miatt építik fel ezt a rendszert, de ez a hőmérséklet megtartó szerkezet sokkal hatékonyabb, mint bármelyik ember által készített szellőztetési, fűtési és hűtési rendszer. A zimbabwei Mike Pearce figyelembe vette ezeknek a termeszváraknak tulajdonságait és megépítette a Eastgate Központot, a világ első teljesen természetes hűtésű szerkezetét, Zimbabwe fővárosában, Harare-ban. Az épület teteje és az alsóbb emeletek lyukacsos szerkezetűek, hogy engedjék a levegő természetes áramlását csakúgy, mint ahogy az a termeszvárakban van. A forró levegő távozik a tetőn keresztül és a bejövő hideg levegő szellőzteti az épületet alulról. Ennél fogva az épület energiafogyasztása kevesebb mint 10%, a belső hőmérséklet 24°C marad, még akkor is, amikor kint több, mint 38°C van. Ezen felül Szingapúrban a Esplanade Színház (Michael Wilford & Partners, DP Architects) igazán különös megjelenést kölcsönöz magának azzal, hogy hasonlít egy légy szemére vagy egy durián gyümölcsre. A több, mint 2 000 alumínum függelék kiterjed az egész külső üvegfalra, mindegy egyes alumíniumdarab gondoskodik az üvegfal által előidézett üvegházhatás csökkentéséről a színházban. Ennek eredménye, hogy az épület különleges exteriőrje igen praktikus funkciót is rejt.

Hát nem csodálatosan sokszínű a természet ezzela megannyi remek ötlettel? Bár az acélsodronyt helyettesíthető pókfonal tartósságának titkára még mindig nem sikerül rájönniük az okosoknak, de  talán ez a felfedezés pont az utógenerációra marad?

Forrás:
http://www.nature.com
Hwang, J., Jeong, Y., Park, J. M., Lee, K. H., Hong, J. W., & Choi, J. (2015). Biomimetics: forecasting the future of science, engineering, and medicine. International Journal of Nanomedicine, 10, 5701–5713. http://doi.org/10.2147/IJN.S83642