W pełni pojąć natury nie jesteśmy w stanie, nie umiemy też naśladować jej w sposób doskonały, ale próbujemy – i udaje nam się to coraz lepiej. Inżynierowie podglądają mechanizmy wypracowane w toku ewolucji i robią z nich techniczny użytek. Efekty bywają niezwykłe. Oto sześć wynalazków przyrody skopiowanych przez człowieka.
Cóż jest piękniejsze niż droga w lesie, gdy słońce świeci, a wóz się toczy? Cóż nam następny zakręt przyniesie, czym się napełnią zdziwione oczy?
Mirosław Hrynkiewicz „O drodze w lesie”
Niepokalany w bagnie
Dla wielu kultur azjatyckich lotos jest wzorem doskonałości. Symbolizuje piękno, czystość, świętość, reinkarnację. Ten piękny kwiat rośnie w mulistych rzekach i jeziorach. Zadziwiające są liście tej rośliny, które – choć często zanurzone w brudnej wodzie – nigdy nie noszą śladów zanieczyszczeń.
Niemieccy botanicy Wilhelm Barthlott i Christoph Neinhuis wyjaśnili niezwykłą zdolność do samooczyszczania się lotosu. Komórki zewnętrznej warstwy liścia tworzą wypustki wielkości 20–50 μm, które z kolei mają mniejsze wypustki wielkości 0,5–3 μm pokryte kryształkami wosku średnicy 1 nm. To wszystko nadaje powierzchni specyficzną chropowatość: krople wody nie spływają po liściu jak deszczówka po szybie, ale dzięki napięciu powierzchniowemu wody przybierają postać kuli i turlają się, zbierając cały brud.
Badacze nazwali to zjawisko efektem lotosu. Dziś produkuje się już farby, dachówki, szyby, papier, tkaniny i środki do pielęgnacji samochodów wykorzystujące ten fenomen.
Nęcąca lucyferyna
Szczególna zdolność chrząszczy, zwanych potocznie robaczkami świętojańskimi, przyczyniła się do rozwoju diod LED. Na początku lata (czerwiec–lipiec) samica świetlika wabi potencjalnego partnera sekwencją błysków świetlnych. Owady te emitują światło, utleniając związek chemiczny zwany lucyferyną na skutek działania enzymu lucyferazy. Proces ten jest niezmiernie efektywny i jego wydajność sięga 98%. (Dla porównania: sprawność zwykłej żarówki to przeważnie nie więcej niż 10%).
Organ odpowiedzialny za emisję światła jest umieszczony z tyłu odwłoka świetlika. Fotony, zanim wydostaną się z ciała owada, przechodzą przez warstwy oskórka i część, odbita, wraca do środka. Ale nie u świetlików z rodzaju Photuris. U nich odwłok pokryty jest maleńkimi łuskami przypominającymi zachodzące na siebie dachówki, co powoduje, że światło nie wraca. Dzięki temu owad świeci o 50% jaśniej, niż gdyby łuski tworzyły płaską powierzchnię.
Międzynarodowe grupy badawcze kierowane przez Annick Bay z Université de Namur w Brukseli i Ki-Hun Jeonga z Koreańskiego Instytutu Zaawansowanej Nauki i Technologii opracowały diody LED wykorzystujące tę obserwację. Odpowiednie karbowanie powierzchni diody zastępuje warstwę antyrefleksyjną, a jest od niej znacznie tańsze.
Czaszka ptaszka
1200 razy więcej niż przyspieszenie ziemskie – takie przeciążenia powstają, gdy dzięcioł, z częstotliwością 22 uderzeń na sekundę, puka dziobem w drzewo. Człowiek doznaje wstrząśnienia mózgu już przy 80 do 100 g, jak więc dzięcioł to wytrzymuje? Otóż w toku ewolucji powstał u niego mechanizm ochronny, na który składa się kilka czynników: twardy, ale elastyczny dziób; długa, sprężysta kość gnykowa otaczająca i chroniąca czaszkę; mające strukturę gąbki kości w wewnętrznej części czaszki; wreszcie – bardzo mało miejsca na płyn mózgowo-rdzeniowy pomiędzy czaszką a mózgiem.
Sang-Hee Yoon i Sungmin Park z University of California w Berkeley postanowili, wzorując się na dzięciole, opracować ochronne warstwy „czarnych skrzynek” lotniczych. We wnętrzu stalowego pojemnika (odpowiednik dzioba dzięcioła) umieścili pojemnik aluminiowy (to czaszka), oddzielony od niego grubymi taśmami gumowymi (kość gnykowa) i wypełniony ciasno ułożonymi kulkami szklanymi (imitującymi gąbczastą wyściółkę czaszki). Taki pojemnik chronił umieszczone w nim układy elektroniczne przed przeciążeniami do 60 000 g, co jest bardzo dobrym wynikiem, zważywszy, że obowiązująca norma wynosi 3400 g. Niewykluczone, że możliwe będzie zastosowanie tego pomysłu w zderzakach samochodowych oraz do ochrony pojazdów kosmicznych przed uderzeniami meteorytów.
Areole we mgle
Kaktusy przystosowały się do życia w suchych warunkach na kilka sposobów. Przekształciły łodygi i liście w grube, mięsiste, pokryte nabłonkiem twory, dzięki czemu ograniczyły parowanie. Nauczyły się gromadzić zapasy wody w tkance nazywanej miękiszem wodonośnym. Ważną modyfikacją ewolucyjną kaktusów jest też wykształcenie areoli – są to guzki, z których wyrastają ciernie, kwiaty, a niekiedy pędy boczne. Cierni nie należy mylić z kolcami – te ostatnie służą jedynie do obrony, pierwsze zaś dodatkowo zbierają wodę z mgły. Mechanizm tego gromadzenia nie jest prosty, ale udało się go dobrze opisać w przypadku opuncji drobnokolczastej (Opuntia microdasys). Jej areole, oddalone od siebie o 7–23 cm, mają po około 100 cierni każda. Górna część ciernia pokryta jest czymś w rodzaju zadziorów (jak niechlujnie zatemperowany ołówek) służących do wyłapywania wody z mgły, a dolna część ma małe rowki. Tymi zagłębieniami woda spływa do półkolistej podstawy ciernia, zwanej trichomem, skąd przekazywana jest dalej.
Urządzenia wyłapujące w ten sposób wodę z mgły skonstruowało kilka zespołów badawczych z Chin, Korei i USA. Wszystkie wykorzystują hydrofobowe powierzchnie „obsadzone” maleńkimi stożkami wykonanymi z rozmaitych materiałów: polimerów, różnych metali, nanorurek węglowych czy MOF-ów (metal-organic framework, czyli struktury metaliczno-organiczne). Najprostsza z tych maszyn została zbudowana na uniwersytecie w Pekinie i jest to mała kulista gąbka ze 180 igłami z porowatego srebra. Urządzenia te nie dość, że zbierają wodę z mgły, to jeszcze ją oczyszczają.
Przysługa niedźwiedzia
Młody niedźwiedź polarny ma futro białe, ponieważ jego włosy są przezroczyste – jak kropelki wody tworzące chmurę. Są też puste w środku, dzięki czemu futro jest lekkie i ciepłe. Właściwości termoizolacyjne sierści niedźwiedzia polarnego są tak dobre, że czasami nie można zobaczyć zwierzęcia nawet za pomocą termowizyjnych kamer.
Wzorując się na niedźwiedzim futrze, grupa badawcza z Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Hefei, kierowana przez Shu-Hong Yu, zaprojektowała materiał termoizolacyjny. Naukowcy opracowali aerożel (pianę w stanie stałym) z węglowych rurek – lekki materiał, który zatrzymuje ciepło lepiej niż jakikolwiek znany materiał termoizolacyjny i nie ulega degradacji z upływem czasu. Można też go ścisnąć do 10% objętości, a po rozprężeniu odzyskuje swoje cechy. Jedyną jego wadą jest wysoka cena wynikająca z kosztów produkcji rurek węglowych.
Inny chiński zespół – z Uniwersytetu Zhejiang, kierowany przez Hao Bai – opracował sposób uzyskiwania jedwabnych włókien przypominających włosy niedźwiedzia polarnego, czyli pustych w środku. Naukowcy utkali z nich materiał, z którego uszyli ubranka dla królików. Okazało się, że tkanina ma wyjątkowe właściwości termoizolacyjne – przyodzianych w nią królików prawie nie widać w podczerwieni. Badaniami szybko zainteresowało się wojsko i zostały one utajnione.
Drżenia w szczelinach
W arsenale swoich zmysłów pająk ptasznik ma tzw. narządy lirowate – specjalne organy rejestrujące bodźce mechaniczne. Umieszczone są one zwykle na odnóżach i mają formę niewielkich szczelin w oskórku, w których znajdują się komórki nerwowe. Pod wpływem wibracji szczeliny otwierają się i zamykają, co rejestrują komórki nerwowe.
Peter Fratzl z Instytutu Maxa Plancka w Poczdamie, badając zwyczaje godowe ptaszników, zaobserwował, że nawiązują one porozumienie z potencjalnym partnerem, pocierając liść, na którym siedzą, a obiekt ich zalotów – oddalony nawet o kilka metrów – rejestruje zachęcające wibracje dzięki narządom lirowatym.
Artykuł Fratzla przeczytał Man Soo Choi z Narodowego Instytutu w Seulu i postanowił narząd lirowaty skopiować. Polimerową płytkę o wymiarach 5 × 10 mm pokrył cieniutką (grubości 20 nm) warstwą platyny upstrzoną nieregularnymi szczelinami. Pod wpływem fal akustycznych cała struktura delikatnie wibruje, co powoduje zmiany przewodnictwa elektrycznego, rejestrowane przez elektrody umieszczone na krótszych bokach prostokąta. Mocując taki czujnik na szyi lub na nadgarstku, można odczytać puls badanej osoby oraz zarejestrować to, co mówi. Płytka pozwala rozróżniać pojedyncze słowa z 98-procentową dokładnością oraz rejestrować bardzo ciche dźwięki, np. odgłos skrzydeł lecącej biedronki.
Podziel się tym tekstem ze znajomymi z zagranicy lub przeczytaj go po angielsku na naszej anglojęzycznej stronie Przekroj.pl/en!
Czytaj również:
