środa, 23 września 2015

Naśladując przyrodę - biomimikra

Mimikra to jedno ze zjawisk obserwowanych w skali ewolucji biologicznej. Polega na upodabnianiu się jednego gatunku do innego, w celu uzyskania jakichś korzyści. Standardowymi, klasycznymi przykładami są niejadowite węże, chcące przypominać jadowite, aby odstraszyć agresorów oraz rośliny, których części nadziemne imitują samice niektórych owadów, dzięki czemu są zapylane przez samce. W tym wpisie będzie jednak o czymś innym – o biomimikrze – czyli analogicznym stosowaniu rozwiązań powstałych naturalnie, w przyrodzie, w świecie wynalazków. Artykuł jest gościnnym wystąpieniem Mateusza z bloga Węglowy Szowinista.

biomimikra
(Pixabay)

Gecko
Gekony mogą wspinać się po szkle, pozornie klejąc się do każdej powierzchi, choć ich łapki są suche. Jak się okazuje wykorzystują one siły van der Waala. W mikroskali, łapki gekona pokrywa coś na kształt szczeciny, drobnych włosków zakończonych “szpatułkami”. Są one tak małe, że kiedy wchodzą w kontakt z inną powierzchnią do głosu dochodzą oddziaływania między elektronami w atomach, tak zwane siły van der Waala. Drobne fluktuacje w rozkładzie ładunków w zbliżonych cząsteczkach sprawiają, że przyciągają się one wzajemnie. Kluczowa jest tu powierzchnia kontaktu - stąd te drobne włoski, dostosowujące się do dowolnej powierzchni.

Wypracowane kształty
Można powiedzieć, że samoloty od samego początku były inspirowane ptakami, ale to mylne. Samoloty wykorzystują prędkość by nabrać siły nośnej, ptaki (kiedy nie szybują) głównie wtłaczają powietrze pod siebie za pomocą mięśni. A jednak podglądanie ptaków pomogło projektantom samolotów. Czubek skrzydeł odrzutowców generuje silne wiry powietrza, które zwiększają opór (co podnosi zużycie paliwa) oraz mogą przeszkodzić innym samolotom jeśli znajdą się zbyt blisko. Podpatrując niektóre z szybujących ptaków, jak np. orły i bociany zauważono, ustawione niemal pionowo pióra na końcach ich skrzydeł. Jak się okazało świetnie redukują one wspomniane wiry i ocenia się, że wprowadzenie ich odpowiedników w samolotach poprawiło ich wydajność nawet o dzięsięć procent.

Podglądanie ptaków pomogło również konstruktorom japońskich Shinkansenów. Chcieli oni zredukować hałas generowany przez superszybki pociąg i zauważyli, że nurkujące zimorodki, wpadając z ogromną predkością pod wodę, wywoływały na powierzchni zaledwie drobną falę. Nos pociągu w kształcie ptasiego dziobu okazał się idealny - zmniejszył nie tylko hałas ale zwiększył wydajność, jednocześnie pozwalając na jeszcze szybszą podróż.

Podwodne inspiracje
Innym dość znanym przykładem biomimikry jest faktura skóry rekinów. Łuski w skali nano nie tylko zmniejszają opór, ale jak się okazuje utrudniają przywieranie mikroorganizmom. Wolne od alg ciała rekinów okazały się świetnym wzorem do naśladowania. Od lat 80tych pewne zamieszanie wywołują kostiumy kąpielowe i pokrycia łodzi naśladujące rekinią skórę. Jednocześnie świetnie sprawdzają się na poszyciach komercyjnych statków, gdzie zwiększenie wydajności o choć jeden procent i zmniejszenie zanieczyszczenia algami jest warte miliony.

Rozwiązania podwodnego świata znajdują też zastosowanie na lądzie. Przednia krawędź płetw wielorybów nie jest gładka, ale pokryta nieregularnymi guzkami. Raz jeszcze okazuje się, że w toku ewolucji powstał kształt, który zmniejsza turbulencje i opór. Obecnie inżynierowie wyposażają już w takie kształty łopaty wiatraków elektrowniach wiatrowych.

Mrówki i pszczoły rozwiązujące problemy
Owady społeczne nie mają centralnej kontroli. Królowa nie jest mózgiem ula czy kopca. Mimo to kolonie są zdolne do rozwiązywania złożonych problemów i optymalizacji pracy. Najczęściej zawdzięczają to pewnym formom komunikacji pomiędzy pojedynczymi, prostymi osobnikami. Mrówki poszukując trasy do jedzenia kierują się feromonami. Mrówka która znalazła pokarm wraca do mrowiska zostawiając na drodze zapach. Jeśli droga jest krótka, to nie rozproszy się on zbyt szybko i nakieruje na cel więcej krewniaczek. Pszczoły również kierują rozkładem sił w ulu za pomocą ciągłej wymiany informacji.

Koncepcje te znajdują odbicie w sieciach komputerowych gdzie algorytm mrówkowy pomaga łatwo odnajdywać dobre trasy pomiedzy węzłami. Zachowania mrówek wykorzystywane są w balansowaniu zużyciem energi w ośrodkach przemysłowych. Ostatnio coraz odważniej mówi się o kontrolowaniu rojów robotów, by mogły wykonywać różne prace - od skali nano (niszczenia komórek raka) po skalę makro (konstrukcje w kosmosie).

Motyle skrzydła
Przeciętny motyl waży mniej niż gram. Dla takiego zwierzątka kropla wody może być wyrokiem śmierci - mogłaby nie tylko wytrącić go z równowagi, ale wręcz u szkodzić skrzydło. Dlatego na drodze ewolucji motyle wykształciły skrzydła, która zachowują potrzebne do lotu właściwości a jednocześnie radzą sobie z wodą. Po raz kolejny to mikroskop ujawnia sekrety natury.

Skrzydła pokrywa struktura przypominająca malutką kratownicę. W tej skali do głosu dochodzi napięcie powierzchniowe wody - jest ono na tyle duże, że krople mają minimalny kontakt ze skrzydłem i po prostu się z niego ześlizgują. Powierzchnie takie obecnie nazywa się superhydrofobowymi i można je nakładać na różne materiały za pomocą farb i natryskiwanych środków. W ten sposób można oblać materiał błotem lub betonem a ten pozostanie czysty, chronić lejek przed farbą a także chronić powierzchnie przed korozją i oblodzeniem.

9 komentarzy:

  1. Bardzi ciekawy artykuł. Czasem, jak patrzę na ludzi, to odnoszę wrażenie, że im również owe zjawisko nie jest obce...

    OdpowiedzUsuń
  2. Miło jest tu czytać rzeczy o których zwyczajnie wiem bo nauczyłam się o nich w szkole :D Na prawdę, jak trafię na coś co znam i mam o tym pojęcie to aż się uśmiecham :D

    OdpowiedzUsuń
  3. świetny artykuł, ale jest jedno 'ale' - nie czasem siły van der Waalsa (nie Waala)?

    OdpowiedzUsuń
  4. Dobry artykuł, jednak na zdjęciu pokazany jest gekon lamparci, który po szybach nie potrafi się wspinać.

    OdpowiedzUsuń
  5. Od razu mi się z "Ptaśkiem" Williama Whartona skojarzyło...

    OdpowiedzUsuń
  6. lubię czytać blogi o takiej tematyce:)

    OdpowiedzUsuń
  7. Aaa... to teraz już wiem o co chodzi z tym ,,pancerzem rekina" :D Ale szczerze, większość z tych wywodów rozbroiła mój tok myślenia :) ( mrówki)

    OdpowiedzUsuń