Úsporněji a účinněji: Jak příroda inspiruje vědce k napodobování kobylek, úhořů a kolibříků
Všichni chceme, aby naše budoucnost byla efektivnější a spolehlivější než současnost. Znovuobjevujeme díky tomu principy a mechanismy, které již v přírodě miliony let fungují. Daří se nám to se smíšeným úspěchem.
Někteří živočichové a rostliny důmyslně přizpůsobují svá těla podmínkám prostředí; často se kvůli tomu naučili věci, které člověk sám nezvládne a musí se je pracně učit znovu (neměl se Adam zaplést s ovocem, krčí rameny Bůh). Odměnou mu může být nečekaně objevné řešení problémů, o kterých se původním přírodním vynálezcům ani nesní. Zabývá se tím zvláštní mezioborová vědní disciplína zvaná biomemetika. A umí úžasné věci.
K těm nejzásadnějším proměnným přírodních životních podmínek patří světlo, teplota a kvalita vzduchu. Některá zvířata na jejich změny reagují tím, že mění barvu nebo filtrují škodlivé plyny. Biomemetika zkoumá, jak to dělají, a snaží se poznatky aplikovat v průmyslovém designu, stavebnictví a dalších oborech ostatním zvířatům zapovězených.
Imitování přírody již v minulosti řadu úspěchů slavilo, například v případě japonského rychlovlaku Šinkanzen nebo robotů vytvořených po vzoru hmyzu. Má také škálu využití v architektuře, ve správě budov nebo při sledování kvality městského ovzduší.
Řasy a termiti
Jedním z takových úspěšných projektů je budova BIQ v Hamburku. Je to první budova na světě, jíž dodávají energii řasy, a její tvůrci ji prezentují jako tvář budoucnosti ekologicky soběstačného stavebnictví.
Tento rezidenční projekt využívá ve svých oknech sladkovodní řasy, jež produkují biomasu, která se sklízí k výrobě bioplynu. Rostou pod slunečním světlem v zařízení pojmenovaném bioreaktor; v něm z nich vzniká biomasa a následně bioplyn a elektrická energie. Zelená fasáda tak nejen poskytuje stín celé stavbě (což by nejspíš například ve slunné Kalifornii ocenili více než v Hamburku), nýbrž je také sama sobě zdrojem energie. Má to jediný zádrhel: budova stojí od roku 2013, ale mnoho následovníků nikde po světě nemá.
Jiný podobný případ sestrojil britský architekt Mick Pearce v zimbabwské metropoli Harare. Kancelářské a nákupní centrum Eastgate Centre je zajímavé tím, že využívá systém přirozeného chlazení celé stavby.
Budova o 30 tisících metrů čtverečních podlahové plochy se odklání od známého designu ocelovo-skleněných fasád. Její tvůrci se naopak inspirovali přirozeným chladicím systémem termitiště. Vzduch v něm vstupuje do budovy na nižší úrovni a odchází soustavou komínů. Náklady na klimatizaci to uspoří v desítkách procent. Ani „termitiště“ však jinde po světě vznikat nezačala; nápad zůstává ojedinělou vizí budoucnosti i po téměř třiceti letech.
Sbohem, černá záda bratrů
Biomemetika však bez ohledu na pomalý rozjezd ukazuje, že svého původního záměru – přesahovat estetickou nebo čistě povrchovou složku designu – dosáhnout může. „Design je, jak to funguje,“ říkal Steve Jobs a vývoj mu dává za pravdu. Dnešní biomemetičtí průkopníci se snaží přírodu kopírovat stále důmyslnějšími způsoby.
Tak například bavlna. Tričko a džíny jsou prima, ale základní surovina jejich výrobě se velmi špatně sklízí: kuličky drží na keřících absurdně pevně, když se k nim chcete dostat, pekelně se o každý keřík poškrábete, a když na to pustíte stroj, jste také namydlení, protože ony kuličky dozrávají nestejně rychle, takže je nelze sklízet najednou.
Proto začali vědci na jihu Spojených států (kde jinde) vymýšlet, jak by s tím mohla pomoct umělá inteligence.
„Naše práce se zaměřuje na návrh koncového efektoru pro robotickou sklizeň bavlny,“ píše v práci na to téma Hussein Gharakhani, bioinženýr z Mississippi State University. „Koncový efektor je robotická ruka, která umožňuje robotovi interakci s jinými objekty. Naše verze je tříprstá a je určena pro jemný a efektivní sběr bavlny. Inspiruje se přírodou a napodobuje loveckou zdatnost ještěrky.“
Pokud to zní jednoduše, je to klam. Každý prst je těleso zvlášť vytisknuté trojrozměrnou tiskárnou, které obsahuje pohyblivý pás s připevněnými kolíky. Ony zmíněné tři prsty koncového efektoru se jemně přibližují k bavlně, asi jako když ještěrka chňape po kořisti svým lepkavým jazykem. Při kontaktu se vlákna bavlny na prsty stroje přilepí stejně jako hmyz na ještěrčí jazyk.
Úhoř, nejsilnější živá elektrárna
Jiným přírodním géniem je vedle ještěrky úhoř. Nejenže inspiroval Alessandra Voltu k výrobě elektřiny; i moderní elektrotechnici, kteří se snaží transformovat technologii baterií, si z něho berou příklad.
Tým vědců ze Spojených států a Švýcarska v současné době pracuje na novém typu baterie inspirovaném úhoři. Předpokládají, že tato baterie, měkká a ohebná, by jednou mohla být užitečná pro vnitřní napájení lékařských implantátů a takzvaných měkkých robotů. Tým však přiznává, že má před sebou ještě dlouhý kus cesty. „Elektrické orgány úhořů jsou neuvěřitelně sofistikované, jsou mnohem lepší ve výrobě energie než my,“ cituje člena týmu Michaela Mayera v textu na dané téma server theconversation.com Timothy J. Jorgensen, profesor radiační medicíny na Georgetown University.
V roce 2019 vědci ze Smithsonova institutu oznámili objev nového jihoamerického druhu elektrického úhoře. Zjistili, že je to nejsilnější známý generátor bioelektřiny na Zemi. Vědci zaznamenali elektrický výboj jednoho úhoře o napětí 860 voltů, což je výrazně více než u předchozího rekordního druhu úhoře Electrophorus electricus, který dosahoval napětí 650 voltů, a 200krát více než nejvyšší napětí jedné lithium-iontové baterie (4,2 voltu).
Drony jako kolibřík
A jsou tu další příklady. Ilias Berberi, biolog z kanadské Carleton University, popisuje, jak drony imitují kolibříky a jejich specifický způsob letu.
Aby se kolibříci mohli vznášet, mávají křídly ve tvaru osmičky. Tento styl tlukotu křídel jim umožňují zkrácené ramenní kosti, což je mezi ptáky jedinečný rys. Díky němu mohou kolibříci létat do stran i vzad až padesátikilometrovou rychlostí.
Není divu, že se vědci začali zajímat, zda by ten princip bylo možné využít – a zjistili, že to jde. Příkladem takové inspirace je dron Nano Hummingbird společnosti AeroVironment, jenž díky popsanému mechanismu dokáže napodobit manévrovací schopnosti kolibříků. Dostane se tak na místa dosud běžnějším dronům – nemluvě o čemkoli jiném – nedostupná. To lze uplatnit například při monitorování počasí, přepravě zásilek, a dokonce i v kinematografii.
Jiní vědci si berou příklad z tichého letu sov a snaží se využít struktury jejich peří (omezuje hluk způsobený máváním sovích křídel) ke snížení hluku z provozu větrných turbín či ventilátorů. Další formy biomememtického výzkumu najdeme v technologiích zabraňujících otřesům mozku (inspirací je datel) nebo v superaerodynamických konstrukcích vlaků (podle zobáku rybáků).
Kobylky a hedvábná chytrost
A pak jsou tu kapitoly biomemetického pokroku, jež zatím existují jen v představách či na papíře, ale i ty stojí za to. Tak například kobylka chameleon (Kosciuscola tristis) nemá kontrolu nad teplotou svého těla, ale má jednu velmi zvláštní vlastnost: při teplotě 15 °C její zevnějšek velmi ztmavne, téměř zčerná. Když teplota jejího těla naopak stoupne nad 25 stupňů, získá tyrkysově modrý odstín. Tato změna barvy je automatická; probíhá také nezávisle na dalších faktorech, jako je metabolismus. Po určitou dobu se dokonce vyskytuje i u kobylek mrtvých, jež jinak mnoho činnosti nevyvíjejí.
Inspirace touto kobylkou by mohla pomoct designu chromatických senzorů, které by informovaly o teplotě a záření, jež vstřebávají různé povrchy budov. Mohli bychom také navrhovat nátěry na okna a jiné vnější povrchy s proměnlivou odrazivostí pro lepší pasivní tepelnou regulaci.
Inspiraci z podobného soudku poskytuje vědcům leguán pouštní (Dipsosaurus dorsalis), který bydlí na jihozápadě USA a na severu Mexika. Přes den tam čelí extrémním teplotám přes 48 °C, zato v noci je často pod deset stupňů.
Za účelem regulace vlastní teploty dokáže takový leguán své tělo podle potřeby přebarvovat. Když je v noci zima, je tmavý; s východem slunce a rostoucí intenzitou jeho světla naopak zesvětlá i leguán. Biomimetiku zde lze využít k vývoji barevných senzorů, včetně materiálů a fasád, které mění barvu v závislosti na teplotě prostředí.
Na jiný trik přišlo hedvábí, tedy jeho živočišný zdroj bourec morušový (Bombyx mori). Jeho kokony některé plyny, které škodí vývoji jeho larvy (jako je například CO₂), rychle a rovnoměrně z vlastní struktury vypouštějí, ale zpět je nepouštějí. Jiné plyny, které nebezpečné nejsou, jako například kyslík, však mohou procházet oběma směry. Housenka bource si navíc umí udržovat stálou vnitřní teplotu, ačkoli je často vystavena extrémním změnám prostředí.
Kromě toho vychází najevo, že při pohlcování vlhkosti vzniká v kokonu elektrický proud, jehož parametry se mění v závislosti na stoupající či klesající teplotě. Vědci se domnívají, že budou brzy schopni kombinací uvedených tří vlastností vytvořit velmi citlivé senzory CO₂ s vlastním napájením – to vše z organických materiálů.
Užitečná zeleň
Víme, že rostliny mohou fungovat jako filtrační a čisticí systém vzduchu, pohlcovat CO₂ a uvolňovat kyslík. Zelené střechy a zdi domů nejen vylepšují městské ovzduší, nýbrž také umějí snižovat okolní teplotu, a omezovat tak intenzitu tepelných ostrovů.
Kromě toho však jsou některé rostliny citlivé i na další nepěkné látky, jako například ozón (ten může na horní straně jejich listů nadělat světlé nebo přímo bílé skvrny). Přítomnost oxidů síry v ovzduší může rovněž způsobit změnu barvy listů (v důsledku ztráty chlorofylu) nebo rovnou nadělat do listů díry. I to dokládá, že rostliny nejsou pouze zdrojem inspirace pro senzory znečištění ovzduší – jsou samy o sobě živými senzory.
Z popsané nepřehledné změti nápadů v různých stadiích realizace plyne dohromady jeden důležitý poznatek: kromě toho, že biomemetika je působivý intelektuální koncept, sama její existence podtrhuje význam mezioborové spolupráce ve vědeckém výzkumu. Což je přístup, který lze zobecnit i na obory mimo exaktní vědy.
