Mózg szczura za sterami samolotu! Szwajcarski inżynier George de Mestral, zmęczony ciągłym czyszczeniem po spacerach sierści swego ulubionego psa, zbadał pod mikroskopem tkwiące w niej nasiona rzepienia pospolitego (Xanthium strumarium) i wymyślił velcro - uniwersalne zapięcie zwane rzepem. Wkrótce w sklepach pojawi się odzież z materiału lepszego niż polar, który w niskiej temperaturze zapobiega utracie ciepła, a w wyższej umożliwia wentylację ubrania. Prof. Julian Vincent z brytyjskiego University of 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.
- Na razie tylko w wypadku 10 proc. produktów wykorzystano technologie odwołujące się do mechanizmów stosowanych przez żywe organizmy, ale w najbliższych latach pojawi się wiele nowych wyrobów tego rodzaju - powiedział w rozmowie z "Wprost" prof. Vincent, który zajmuje się biomimetyką, czyli podpatrywaniem rozwiązań istniejących w przyrodzie. Przykładem może być futro niedźwiedzia polarnego, które zainspirowało specjalistów firmy Malden Mills pracującej nad lekką i ciepłą tkaniną mogącą zastąpić wełnę. Uczeni wykorzystali cienkie włókna poliestrowe, których sploty przypominają układ włosów na niedźwiedziej skórze. Stworzony w ten sposób polartec został uznany przez tygodnik "Time" za jeden z najważniejszych wynalazków XX wieku.
Pajęczyna na prąd
Popularne zapięcia na rzepy mogą się wkrótce doczekać konkurencji - tym razem wzorowanej na nogach pająków, owadów i jaszczurek. Te stworzenia potrafią chodzić po gładkich powierzchniach, takich jak ściana czy szyba. Rekordzistami są gekony, które potrafią zawisnąć na czubku palca przyklejonego do podłoża. Miliony mikroskopijnych włosków pokrywających stopy tych zwierząt przywierają do dowolnego podłoża dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu między atomami. Ten mechanizm jest odporny na wodę i zabrudzenia, można go stosować nawet w próżni - udowodnili uczeni z Lewis and Clark College. Wyniki ich pracy pozwoliły na wyprodukowanie pierwszego syntetycznego "kleju gekona" na University of California w Berkeley. Okazało się, że najważniejsze są wymiary włosków - im mniejsze, tym lepiej przylegają. "Nie musimy więc dokładnie naśladować natury, co pozwoli na tanią i masową produkcję" - mówi prowadzący badania dr Roland Fearing.
Bliscy osiągnięcia tego celu są też uczeni, którzy od dziesięcioleci próbują skopiować strukturę pajęczych nici. Są one lekkie, rozciągliwe nawet do 50 proc. pierwotnej długości, przyjazne dla środowiska, a wytrzymałością dorównują kevlarowi, z którego są produkowane kamizelki kuloodporne. Pająki w odróżnieniu od jedwabników nie nadają się jednak do hodowli - są samotnikami i kanibalami (mają silny instynkt ochrony terytorium). Dlatego uczeni postanowili wyizolować geny odpowiedzialne za produkcję pajęczyny i wszczepić je do komórek innych zwierząt. Firmie Nexia udało się to w wypadku kóz, które pajęcze białka wydzielały wraz z mlekiem.
Wygodniejszą metodę znaleźli izraelscy i niemieccy uczeni. "Wykorzystaliśmy komórki pobrane od gąsienicy sówki, ponieważ jest blisko spokrewniona z pajęczakami, co ułatwia przeniesienie genów" - tłumaczy dr Uri Gat z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie. Dzięki sztucznym modyfikacjom będzie można wyprodukować włókna pajęczyny o niespotykanych w naturze właściwościach, na przykład przewodzące prąd albo zawierające składniki bakteriobójcze.
Stacja kosmiczna z termitów
Biomimetyka wykracza poza tworzenie nowych materiałów. Inspirację z biologii czerpią konstruktorzy nowych samolotów, które będą mogły płynnie zmieniać geometrię skrzydeł w czasie lotu (odpowiednią aerodynamikę zapewni im pokrycie płytkami wzorowanymi na rybich łuskach). Zachowanie chrząszcza strzela bombardiera (Brachinus fumans) ma zastosowanie w pracach nad nowym typem silnika odrzutowego - wzorem jest jego system obrony przed wrogami, których owad spryskuje strumieniem wrzącego płynu.
Biomimetyka jest też wykorzystywana w architekturze. Konstrukcja wieży Eiffla była wzorowana na wewnętrznej strukturze najmocniejszego elementu ludzkiego szkieletu - kości udowej. Olbrzymie liście wiktorii amazońskiej utrzymujące się na powierzchni wody były inspiracją dla budowniczych słynnego londyńskiego Pałacu Kryształowego, który spłonął w 1938 r. Zaprojektował go Joseph Paxton - ogrodnik bez kwalifikacji inżyniera czy architekta.
Uczeni podpatrują też termity żyjące na pustyniach Namibii. "Chcemy zbudować nowy typ budynku, który będzie samowystarczalny i odporny na niekorzystne warunki pogodowe. Być może w ten sposób będzie można konstruować nawet stacje kosmiczne na Księżycu czy Marsie" - prognozuje dr Rupert Soar z Loughborough University. Szczególnie interesuje go skomplikowana sieć kanałów wewnątrz termitiery, która działa jak naturalne urządzenie klimatyzacyjne nie wymagające żadnego zasilania.
Pełzające roboty w jelitach
Kopalnią pomysłów na nowe rozwiązania techniczne są stawonogi - najliczniejszy i najróżnorodniejszy typ zwierząt. Pustynne chrząszcze Stenocara mają na grzbiecie skraplacz, który pozwala im na uzyskiwanie wody z porannej mgły. Jest on kilka razy wydajniejszy niż najlepsze systemy stosowane przez ludzi - pozwala na zebranie kilkudziesięciu litrów płynu z metra kwadratowego tkaniny umieszczonej na drodze wiatru niosącego mgłę. Z kolei pospolite karaluchy stały się obiektem zainteresowania konstruktorów maszyn. Robot RHex swoją wyjątkową mobilność zawdzięcza budowie nóg wzorowanej na strukturze odnóży owadów. W laboratoriach powstają też inspirowane budową krabów, skorpionów, minogów i węży roboty, których zadaniem jest przedostanie się w niedostępne dla ludzi miejsca, na przykład do ruin budynku. Uczeni ze Scuola Superiore Sant'Anna w Pizie skonstruowali endoskop Bioloch, którego końcówka porusza się jak nereida (Nereis diversicolor), morski robak spokrewniony z pijawkami i dżdżownicami. Dzięki falującym ruchom urządzenie będzie mogło się przemieszczać przez jelito grube, nie wywołując u badanego przykrych doznań towarzyszących standardowej kolonoskopii.
Chrząszcze przeciwpożarowe
Dla uczonych niedościgłym wzorem są narządy zmysłów zwierząt. Amerykańska armia intensywnie bada m.in. ciemniki czarne (Melanophila acuminata) - chrząszcze, które potrafią dostrzec pożar nawet z odległości 50 km. Ich narządy, wykrywające promieniowanie podczerwone, są o wiele czulsze niż najlepsze wojskowe noktowizory i kamery szpiegowskie. Najbardziej złożoną, a zarazem najtrudniejszą do skopiowania strukturą w przyrodzie jest jednak mózg. Nawet prosty układ nerwowy doskonale radzi sobie z zadaniami, które przerastają możliwości współczesnych komputerów, takimi jak rozpoznawanie partnerów czy wyszukiwanie pożywienia. Owady i skorupiaki mają narządy zmysłów podobne do ludzkich, ale do wykonania tych samych zadań używają znacznie mniej zasobów. Do tego, do czego my potrzebujemy setek neuronów, im wystarczy kilka.
Kawałek szczurzego mózgu, hodowany w laboratorium, potrafi pilotować myśliwiec - ogłosili uczeni z University of Florida. Udało im się stworzyć coś, co nazywają żywym komputerem - układ złożony z 25 tys. neuronów pobranych z kory mózgowej szczura. Komórki początkowo są rozproszone, ale z biegiem czasu wytwarzają połączenia i są w stanie wykonywać proste zadania. Metodą prób i błędów opanowały posługiwanie się komputerowym symulatorem lotu myśliwca F-22. W przyszłości najsprawniejsze komputery będą połączeniem elektroniki i żywych komórek.
Pajęczyna na prąd
Popularne zapięcia na rzepy mogą się wkrótce doczekać konkurencji - tym razem wzorowanej na nogach pająków, owadów i jaszczurek. Te stworzenia potrafią chodzić po gładkich powierzchniach, takich jak ściana czy szyba. Rekordzistami są gekony, które potrafią zawisnąć na czubku palca przyklejonego do podłoża. Miliony mikroskopijnych włosków pokrywających stopy tych zwierząt przywierają do dowolnego podłoża dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu między atomami. Ten mechanizm jest odporny na wodę i zabrudzenia, można go stosować nawet w próżni - udowodnili uczeni z Lewis and Clark College. Wyniki ich pracy pozwoliły na wyprodukowanie pierwszego syntetycznego "kleju gekona" na University of California w Berkeley. Okazało się, że najważniejsze są wymiary włosków - im mniejsze, tym lepiej przylegają. "Nie musimy więc dokładnie naśladować natury, co pozwoli na tanią i masową produkcję" - mówi prowadzący badania dr Roland Fearing.
Bliscy osiągnięcia tego celu są też uczeni, którzy od dziesięcioleci próbują skopiować strukturę pajęczych nici. Są one lekkie, rozciągliwe nawet do 50 proc. pierwotnej długości, przyjazne dla środowiska, a wytrzymałością dorównują kevlarowi, z którego są produkowane kamizelki kuloodporne. Pająki w odróżnieniu od jedwabników nie nadają się jednak do hodowli - są samotnikami i kanibalami (mają silny instynkt ochrony terytorium). Dlatego uczeni postanowili wyizolować geny odpowiedzialne za produkcję pajęczyny i wszczepić je do komórek innych zwierząt. Firmie Nexia udało się to w wypadku kóz, które pajęcze białka wydzielały wraz z mlekiem.
Wygodniejszą metodę znaleźli izraelscy i niemieccy uczeni. "Wykorzystaliśmy komórki pobrane od gąsienicy sówki, ponieważ jest blisko spokrewniona z pajęczakami, co ułatwia przeniesienie genów" - tłumaczy dr Uri Gat z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie. Dzięki sztucznym modyfikacjom będzie można wyprodukować włókna pajęczyny o niespotykanych w naturze właściwościach, na przykład przewodzące prąd albo zawierające składniki bakteriobójcze.
Stacja kosmiczna z termitów
Biomimetyka wykracza poza tworzenie nowych materiałów. Inspirację z biologii czerpią konstruktorzy nowych samolotów, które będą mogły płynnie zmieniać geometrię skrzydeł w czasie lotu (odpowiednią aerodynamikę zapewni im pokrycie płytkami wzorowanymi na rybich łuskach). Zachowanie chrząszcza strzela bombardiera (Brachinus fumans) ma zastosowanie w pracach nad nowym typem silnika odrzutowego - wzorem jest jego system obrony przed wrogami, których owad spryskuje strumieniem wrzącego płynu.
Biomimetyka jest też wykorzystywana w architekturze. Konstrukcja wieży Eiffla była wzorowana na wewnętrznej strukturze najmocniejszego elementu ludzkiego szkieletu - kości udowej. Olbrzymie liście wiktorii amazońskiej utrzymujące się na powierzchni wody były inspiracją dla budowniczych słynnego londyńskiego Pałacu Kryształowego, który spłonął w 1938 r. Zaprojektował go Joseph Paxton - ogrodnik bez kwalifikacji inżyniera czy architekta.
Uczeni podpatrują też termity żyjące na pustyniach Namibii. "Chcemy zbudować nowy typ budynku, który będzie samowystarczalny i odporny na niekorzystne warunki pogodowe. Być może w ten sposób będzie można konstruować nawet stacje kosmiczne na Księżycu czy Marsie" - prognozuje dr Rupert Soar z Loughborough University. Szczególnie interesuje go skomplikowana sieć kanałów wewnątrz termitiery, która działa jak naturalne urządzenie klimatyzacyjne nie wymagające żadnego zasilania.
Pełzające roboty w jelitach
Kopalnią pomysłów na nowe rozwiązania techniczne są stawonogi - najliczniejszy i najróżnorodniejszy typ zwierząt. Pustynne chrząszcze Stenocara mają na grzbiecie skraplacz, który pozwala im na uzyskiwanie wody z porannej mgły. Jest on kilka razy wydajniejszy niż najlepsze systemy stosowane przez ludzi - pozwala na zebranie kilkudziesięciu litrów płynu z metra kwadratowego tkaniny umieszczonej na drodze wiatru niosącego mgłę. Z kolei pospolite karaluchy stały się obiektem zainteresowania konstruktorów maszyn. Robot RHex swoją wyjątkową mobilność zawdzięcza budowie nóg wzorowanej na strukturze odnóży owadów. W laboratoriach powstają też inspirowane budową krabów, skorpionów, minogów i węży roboty, których zadaniem jest przedostanie się w niedostępne dla ludzi miejsca, na przykład do ruin budynku. Uczeni ze Scuola Superiore Sant'Anna w Pizie skonstruowali endoskop Bioloch, którego końcówka porusza się jak nereida (Nereis diversicolor), morski robak spokrewniony z pijawkami i dżdżownicami. Dzięki falującym ruchom urządzenie będzie mogło się przemieszczać przez jelito grube, nie wywołując u badanego przykrych doznań towarzyszących standardowej kolonoskopii.
Chrząszcze przeciwpożarowe
Dla uczonych niedościgłym wzorem są narządy zmysłów zwierząt. Amerykańska armia intensywnie bada m.in. ciemniki czarne (Melanophila acuminata) - chrząszcze, które potrafią dostrzec pożar nawet z odległości 50 km. Ich narządy, wykrywające promieniowanie podczerwone, są o wiele czulsze niż najlepsze wojskowe noktowizory i kamery szpiegowskie. Najbardziej złożoną, a zarazem najtrudniejszą do skopiowania strukturą w przyrodzie jest jednak mózg. Nawet prosty układ nerwowy doskonale radzi sobie z zadaniami, które przerastają możliwości współczesnych komputerów, takimi jak rozpoznawanie partnerów czy wyszukiwanie pożywienia. Owady i skorupiaki mają narządy zmysłów podobne do ludzkich, ale do wykonania tych samych zadań używają znacznie mniej zasobów. Do tego, do czego my potrzebujemy setek neuronów, im wystarczy kilka.
Kawałek szczurzego mózgu, hodowany w laboratorium, potrafi pilotować myśliwiec - ogłosili uczeni z University of Florida. Udało im się stworzyć coś, co nazywają żywym komputerem - układ złożony z 25 tys. neuronów pobranych z kory mózgowej szczura. Komórki początkowo są rozproszone, ale z biegiem czasu wytwarzają połączenia i są w stanie wykonywać proste zadania. Metodą prób i błędów opanowały posługiwanie się komputerowym symulatorem lotu myśliwca F-22. W przyszłości najsprawniejsze komputery będą połączeniem elektroniki i żywych komórek.
Więcej możesz przeczytać w 3/2005 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.
