Anna Wajda, Katarzyna Wybieralska
Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu, Wydział Towaroznawstwa, Katedra Technologii i Analizy Instrumentalnej
prZyKłADy prAKtycZnego
WyKorZyStAniA SKoMpliKoWAnych StruKtur nAtury
Streszczenie: W pracy przedstawiono wybrane patenty ze świata roślin i zwierząt, które, adaptowane przez człowieka, pozwalają na wykorzystanie nowych składników czy materiałów w technologii czy przemyśle. Szczególnie uwzględniono skompliko- waną strukturę kilku roślin i zwierząt, zwracając uwagę na wyrafinowane konstrukcje.
Celem opracowania było przedstawienie ciekawych rozwiązań przetestowanych w toku ewolucji. W czasach triumfu ekologii szczególnie ważne jest poznawanie i naśladowanie przyrody.
Słowa kluczowe: biomimetyka, nowe materiały.
Wstęp
Czynniki determinujące jakość produktów i procesów są bardzo istotne nie tylko dla producentów, handlu, przemysłu, ale przede wszystkim dla zdrowia konsumen- tów. Każdy komponent otaczającego nas świata może wpływać na stan naszego organizmu czy jakość życia. Dlatego wiedza o środowisku i jego wpływie na czło- wieka jest taka ważna. Jakość produktów może się zmienić, ulepszyć, jeśli uważ- niej będziemy się przyglądać otaczającej nas przyrodzie.
Nauka, która bada budowę oraz zasady działania organizmów żywych, dostarcza wielu przez wieki niewykorzystanych, a prostych przepisów na nowe technologie, materiały czy maszyny [Vincent i in. 2006]. Bionika, zwana także biomimetyką biomimikrą czy inżynierią bioniczną, odkrywa coraz to cie- kawsze przyrodnicze patenty. Specjaliści od biomimetyki uważają, że do tej pory wykorzystaliśmy zaledwie kilka procent rozwiązań, które podsuwa nam natura. Badania nie ograniczają się wyłącznie do obserwacji struktur i mecha- nizmów, ale polegają też na wprowadzaniu konkretnych rozwiązań dla potrzeb człowieka. Przyroda to wielka kopalnia wiedzy, z której pomysłów korzystać
mogą projektanci i uczeni. Patenty biologiczne należą do tych, którzy je zgłoszą i odkryją.
W pracy przedstawiamy wybrane ciekawe struktury, których „pomysłodaw- cami” są rośliny i zwierzęta.
1. Zapięcie typu rzep
Jako pierwszy opisany pomysł wykorzystania konceptu przyrody dla poprawy pracy i życia człowieka wymieniany jest drut kolczasty. Powstał w wyniku pro- blemów australijskich farmerów z bydłem, które rozchodziło się po pastwiskach.
Prototypem została roślina o nazwie żółtnica.
Jednak rośliną, która najbardziej kojarzy się z początkiem wielkiej adopcji pomysłów ze świata roślin i zwierząt, jest rzep velcro (od francuskiego velours – welwet i crochet – haczyk) (rysunek 1). Wynalazł go w 1941 roku szwajcarski che- mik George de Mestral, którego zaintrygowały przyczepione do sierści psa rzepy, czyli owocostany łopianu (Arctium l.). Pomysł, początkowo szalony, zaciekawił świat nauki. Szerokie zastosowanie rzepów nastąpiło, kiedy wynaleziono nylon – lepszy, wytrzymalszy materiał od stosowanej wcześniej w tym celu bawełny (rysu- nek 2). Rzepy odniosły prawdziwą popularność, kiedy stały się częścią wyposa- żenia kosmonautów NASA.
rysunek 1. rzep – owoc łopianu pokryty haczykami
Źródło: [www.landarchs.com/biomimicry]
rysunek 2. taśma velcro
Źródło:[www.zissou.com]
2. czysty jak lotos
Lotosy zaintrygowały badaczy, bowiem rosną na błotnistych rozlewiskach, a ich liście i płatki są zawsze idealnie czyste. Okazuje się, że struktura powierzchni to drobne włoski z górkami z wosku (rysunek 4). Nie utrzyma się na nich żadna kropla – spłynie, zabierając po drodze drobiny brudu (rysunek 3). Efekt lotosu wykorzystano już w farbach tworzących samoczyszczące powłoki, pokrywa- jąc odpowiednimi preparatami szyby w budynkach i tworząc mikrostruktury na powierzchni wanien [Barthlott i Neinhuis 1997].
rysunek 3. tocząca się po kropla wody po superhydrofobowej powierzchni zbiera napotkane zanieczyszczenia
Źródło: [http://lotusleafeffect.org/]
Uniwersytet w Bonn, właściciel znaku towarowego Lotus-Effect®, prowadził wspólne badania z różnymi firmami, w wyniku których powstały farby o nazwie Lotu- san (rysunek 5). Kilka firm, w tym Evonik (dawniej Degussa), zaaplikowały farbę do handlu. „Efekt lotosu” jest inspiracją dla innych technologii, np.: specjalnej powłoki (Nikka), polimerów hydrofobowych (Lexan), płasko-wklęsłych powierzchni CVD (Uniwersytet Nagoya) czy wysoce wodoodpornych kosmetyków (Kanebo).
rysunek 4. powierzchnia liści lotosu z kroplami wody – obraz mikroskopu
Źródło: [www.aaet.dk/2009/09/biomimicry]
rysunek 5. Działanie farby lotusan
Źródło: [www.4budowlani.pl]
3. Szybki jak rekin
Wspaniały kostium pływacki, dzięki któremu czołowi pływacy biją rekordy świata, jest wzorowany na skórze rekina. Szybkie i dynamiczne ruchy tak dużej ryby wydały się podejrzane. Przeanalizowano budowę ciała rekina i stwierdzono, że to specjalne wyżłobione łuski zmniejszają opór wody (rysunek 6) [Bechert i in. 2000, Lang i in. 2008]. Nowatorski kostium, który nazwano Fastskin, wykonano z odpy- chającej wodę tkaniny i śliskich paneli z poliuretanu (rysunek 7). Pod względem właściwości i z wyglądu przypomina on skórę rekina.
Eksperci twierdzą, że dzięki strojowi LZR Racer ® firmy Speedo czas pływaka poprawia się o 1,9–2,2%. W jednym z wyścigów Phelps wygrał z Serbem Milora- dem Čaviciem o jedną setną sekundy – tajemnicą pozostanie, czy była to zasługa stroju, czy łut szczęścia.
Podczas pracy nad kolejną, udoskonaloną wersją kostiumu LZR Racer wyko- rzystano modelowanie komputerowe. Maszyna symulowała zachowanie cieczy opływającej kostium i ciało pływaka w wodzie. Skóra rekina stała się inspiracją nie tylko dla pływaków. Trwają prace nad zastosowaniem podobnej struktury w budo- wie samolotów bądź łodzi podwodnych. Zmniejszenie oporu powietrza czy wody gwarantuje uzyskanie większej szybkości.
rysunek 6. Skóra rekina w przybliżeniu
Źródło: [www.livescience.com]
rysunek 7. Materiał fastskin firmy Speedo wzorowany na skórze rekina
Źródło: [www.visualphotos.com]
4. „ Klei się” jak gekon
Gekon potrafi przyczepić się sufitu, wejść po pionowej szybie czy innych gładkich powierzchniach. Niestety, ta sztuczka nie zawsze się udaje. Wilgotne powierzchnie powodują, że jaszczurka traci przyczepność. Tajemnicą gekona są miliardy mikro- skopijnych wyrostków na skórze, z których każdy oddziałuje słabiutkimi siłami na podłoże (rysunek 8) [Kenny, Fearing i Full 2000].
Połączenie technologii gekona z substancją klejąca wzorowaną na wydzielinie małży, dzięki której mięczaki są przyczepione do podłoża, pozwoliło na wytworze- nie plastrów Geckel klejących wszystko – obiekty suche i wilgotne [Sitti i Fearing 2003]. Można je odklejać i przyklejać ponownie tysiące razy (rysunek 9). Popu- larne mięczaki, kiedy chcą przykleić się do skały, wysuwają ze skorupy stopę i wyginają ją jak przyssawkę. Następnie przez maleńkie kanaliki wydzielają mocny klej, który pieniąc się, pokrywa skałę i tworzy swoistego rodzaju poduszkę. Małż przyczepia się do niej, chroniąc się w ten sposób przed silnymi morskimi falami.
W całym procesie jedną z najważniejszych ról pełni aminokwas zwany lewodopą (L-3,4-dihydroksyfenyloalanina używana również do leczenia choroby Parkin- sona), wchodzi on w skład białek stanowiących podstawę kleju mięczaków [Lee i in. 2009].
rysunek 8. obraz z mikroskopu elektronowego przedsta- wiający szczegóły budowy stopy gekona
Źródło: [www.scoop.it]
rysunek 9.taśma gecko w mikroskali
Źródło: [en.wikipedia.org]
5. „owadzia” taśma
Naukowcy z Grupy Biomateriałów Ewolucyjnych z Max Planck Institute for Metals Research w Stuttgarcie i Laboratorium Biologicznie Inspirowanej Robotyki z Case Western Reserve University w Cleveland przebadali ponad 300 gatunków owadów i stworzyli materiał polimerowy, który bez użycia kleju można wielokrotnie przy-
klejać i odklejać [Gorb i in. 2007]. Na powierzchni taśmy jest rozmieszczony wzór mikrostruktur, który odpowiada geometrii włosków na odnóżach much, żuków, skorków i innych owadów. Taka taśma jest dwa razy bardziej przylepna niż płaski polimer. Dodatkowo taśma jest mniej podatna na zabrudzenia przez cząstki kurzu.
Nawet pobrudzona jest przydatna, gdyż można ją umyć mydłem i wodą, całko- wicie przywracając w ten sposób jej pełne właściwości przylepiania się. Taśma może być używana do wielokrotnego przylepiania różnych rzeczy do szkła lub jako taśma ochronna szkieł optycznych.
6. Jak misiu
Polartec to materiał, który zrewolucjonizował rynek turystyczny. Inspirację sta- nowiło futro niedźwiedzi polarnych. Uczeni wykorzystali cienkie włókna polie- strowe, których sploty przypominają układ włosów na niedźwiedziej skórze (rysunek 10). Materiał nie wchłania wilgoci, zapewnia komfort – ciało swobodnie oddycha. Stworzony w ten sposób polartec został uznany przez tygodnik Time za jeden z najważniejszych wynalazków XX wieku. Potocznie określa się go mianem polaru, słowo to oznacza wszystkie tkaniny typu fleece.
rysunek 10. polartec – schemat działania materiału
Źródło: [www.spoteo.de]
7. na cztery łapy
Firma Continental wypuściła na rynek opony, których ogumienie naśladuje zacho- wanie łap kota. Zwierzę, lądując po skoku lub zatrzymując się w biegu, rozszerza palce. W ten sposób zwiększa się powierzchnia łapy mająca kontakt z podłożem.
Podobnie zachowują się opony Continentala, których bieżnik ukształtowano tak, by podczas hamowania lepiej przylegał do drogi.
W normalnych warunkach jazdy opona jest wąska, dzięki czemu zapewnia ochronę przed aquaplaningiem. Natomiast podczas hamowania zwiększa ona swoją szerokość o ponad 10 mm dzięki specjalnemu konturowi bieżnika. Dodatkowo zastosowanie nowego składu mieszanki silikonowej spowodowało zmniejszenie drogi hamowania pojazdu o około 10%. Rowki profilowe nowych opon są ułożone nie poziomo, lecz skośnie, dzięki czemu zmniejszają szum toczenia. Asymetryczny profil gwarantuje natomiast dobrą stabilność na zakrętach oraz precyzyjne zacho- wanie podczas kierowania pojazdem. Opona ContiPremiumContact jest obecnie dostępna w 13 rozmiarach o indeksach prędkości H, V i W [www.glorioustires.com].
8. W dziobie siła
Tukan ma dziób lekki, ale bardzo twardy. Pusta konstrukcja wypełniona gąbczastą strukturą kości jest odporna na uderzenia i wytrzymała. Wewnętrzną strukturę dzioba tukana można porównać do twardej gąbki. Niektóre jego części składają się z membran i wsporników, a w środku jest pusta przestrzeń [Meyers i in. 2008].
Kości w dziobie połączone są włóknami i otoczone warstwami keratyny (rysunek 11, 12). Kaski ochronne o strukturze zbliżonej do budowy dzioba tukana byłyby wspaniałym, wytrzymałym zabezpieczeniem.
rysunek 11. Powierzchnia dzioba tukana „wykonana” z keratynowych płytek sklejonych ze sobą
Źródło: [http://www.news.mongabay.com 2005]
rysunek 12. Wnętrze dzioba tukana
Źródło: [http://www.news.mongabay.com 2005]
9. efekt motyla
Niezwykle rzucające się w oczy, intensywne barwy motyli morpho powstają dzięki zjawisku rozpraszania koherentnego w wyniku przejścia światła przez wielowar- stwowe struktury pokrywające łuski ich skrzydeł (rysunek 13). Wypukłości i uło- żone warstwowo listwy dają efekt opalizacji i sprawiają, że owad jest wyraźniej widoczny przy patrzeniu pod kątem [Vukusic i in. 1999]. Drobne nanostrukturalne łuski w skrzydłach, dzięki interferencji światła, eliminują wszystkie barwy poza jedną.
Motyle morpho podpatrzyła branża kosmetyczna do adaptacji biooptycznych technologii. Zwłaszcza firma L’Oreal wykorzystuje syntetyczne materiały do wytworzenia szeregu okresowo ułożonych mikro- i nanostruktur. Naśladując spo- sób manipulowania światłem i kolorem na łuskach motyli, poprawiono estetykę produktów kosmetycznych dzięki zastosowaniu rozwiązań inspirowanych naturą [Vukusic i in. 1999].
Oparte na bioinspiracji są również inne, nietypowe zastosowania tych cech w systemach zapobiegających fałszerstwom. Jeden tak skonstruowany logotyp, stosowany jako zabezpieczenie pewnych środków płatniczych przed fałszowa- niem, został opracowany z wykorzystaniem technologii nanostruktur fotonicznych odpowiedzialnych za wygląd motyli należących do rodziny papilio. Dla ludzkiego oka motyl papilio palinurus jest zielony, ale łuski jego skrzydeł tworzą umiesz- czone obok siebie mikronowej wielkości obszary emitujące barwę żółtą i błękitną (rysunek 14) [Vukusic, Sambles i Lawrence 2000].
Ludzki wzrok nie jest w stanie rozróżnić tak małych stref kolorystycznych, a mieszanka obu barw odbierana jest jako kolor zielony. W sztucznie stworzonym odpowiedniku tego zjawiska możliwość ukrycia zabezpieczenia powstaje dzięki
własności odbijania jednego z dwóch kolorów logotypu. Jedynie elementy błękitne dwukrotnie odbijają światło padające na pochyłe powierzchnie każdej z wielo- warstwowych struktur. Efekt polaryzacji światła przez odbicie od strefy błękitnej nadaje mu własności, jakich nie posiada światło odbite od stref żółtych. Syntetycz- nie stworzone struktury stanowiące odmiany opisanego systemu biologicznego, wykorzystane w celu zapobiegania fałszerstwu, oferują wyraźne korzyści. Obec- nie są prowadzone prace rozwojowe nad takimi supernowoczesnymi zabezpiecze- niami banknotów i dokumentów [Vukusic, Sambles i Lawrence 2000].
rysunek 13. Struktura powierzchni skrzydła motyla Mor- pho – obraz z mikroskopu elektronowego
Źródło:[http://www.news.mongabay.com 2006]
rysunek 14. Budowa skrzydła motyla papilio palinurus – obraz z mikroskopu elek- tronowego
Źródło:[www.iopscience.iop.org]
Zakończenie
Inżynier powinien podpatrywać pomysły przyrody. Natura od tysięcy lat ekspe- rymentuje ze strukturami tak, aby uczynić je najbardziej wydajnymi i oszczęd- nymi rozwiązaniami powstałymi w toku ewolucji. Odwrócenie się od świata roślin
i zwierząt – świata, który człowiek krótkowzrocznie niszczy, jest ignorancją. Przy- rodę zamiast ujarzmiać, należy naśladować. Przetestowane sposoby egzystencji fauny i flory można z korzyścią przełożyć na potrzeby człowieka i wzbogacić technologię o nowe, często proste pomysły i rozwiązania. W przyszłości, zda- niem specjalistów, trzeba postawić na systemy samopowielające się i doskonalące.
Poprawa wydajności samolotów i statków będzie możliwa dzięki zastosowaniu rozwiązań znanych, np. z budowy ciała delfina czy drapieżnych ptaków. W tech- nologii era biomimetyki dopiero nadchodzi. Przedstawione w artykule materiały mają poprawić jakość życia człowieka. Samoczyszczące się powierzchnie, świat bez płynów do naczyń, proszków do prania, a jednak czysty – to marzenie gospo- dyń domowych, pracoholików czy ekologów. To pragnienie powoli się spełnia.
Wzrasta nasze poczucie komfortu i bezpieczeństwa za sprawą technologii „ścią- gniętych” od motyli czy tukanów. Zakładając popularny, ciepły polar, może warto podziękować za pomysł nie tyle projektantom czy technologom, ile niedźwiedziom polarnym.
Przykładów biomimetyki jest coraz więcej. Praktycznie w każdej dziedzinie związanej z pracami inżynierskimi (m.in. architektura, motoryzacja, budowa maszyny) powoli wprowadzane i realizowane są pomysły zaczerpnięte z przyrody.
Całkiem trafne wydaje się więc hasło: „Natura matką wynalazków”.
Bibliografia
Barthlott, W., Neinhuis, C., 1997, Purity of the Sacred Lotus, or Escape from Contamina- tion in Biological Surfaces, Planta, no. 202(1), s. 1–8.
Bechert, D.W., Bruse, M., Hage, W., Meyer, R., 2000, Fluid Mechanics of Biological Sur- faces and Their Technological Application, Naturwissenschaften, no. 87, s. 157–171.
http://en.wikipedia.org/wiki/Gecko_tape http://iopscience.iop.org/0295–5075/93/1/14001 http://landarchs.com/biomimicry-intelligent-design/
http://lotusleafeffect.org/
http://news.mongabay.com/2005/1130-ucsd.html#MsXH0hyuC15ytXT5.99 http://news.mongabay.com/2006/1211-gatech.html#XGMOwqQ3ZZsxitid.99 http://www.aaet.dk/2009/09/biomimicry
http://www.asknature.org/product/
http://www.experimentation-online.co.uk/article.php?id=1428
http://www.scoop.it/t/biomimicry/p/3006510694/here-s-to-hoping-geckskin-biomimetic- gecko-based-tape-sticks-around
http://www.spoteo.de/extras/mediathek/medium_778_Thermal-Pro-Biomimicry.html http://www.4budowlani.pl/strefa-wykonawcy/produkty-i-technologie/farby-na-ze-
wnatrz/5130-stolotusan-color-farba-silikonowa-na-kazde-podloze
http://zissou.com/2011/05/08/velcro-the-zipperless-zipper/
Gorb, S.N, Sinha, M, Peressadko, A., Daltorio, K.A., Quinn, R.D, 2007, Insects Did It First: A Micropatterned Adhesive Tape for Robotic Applications, Bioinspiration &
Biomimetics 2, s. 117–125.
Kenny, W., Fearing, R., Full, R., 2000, Adhesive Force of a Single gecko Foot-hair, Nature, no. 405(6787), s. 681–685.
Lang, A.W., Motta, P., Hidalgo, P., Westcott, M., 2008, Bristled Shark Skin: A Microge- ometry for Boundary Layer Control?, Bioinspiration & Biomimetics, no. 3, s. 1–9.
Lee, J., Bush, B., Maboudian, R., Fearing, R.S., 2009, Gecko-Inspired Combined Lamellar and Nanofibrillar Array for Adhesion on Nonplanar Surface, Langmuir, no. 25(21), s. 12449–12453.
Meyers, M.A., Chen, P.Y., Yu-Min Lin, A., Seki, Y., 2008, Biological Materials: Structure and Mechanical Properties, Progress in Materials Science, no. 53, s. 1–206.
Sitti, M., Fearing, R.S., 2003, Synthetic Gecko Foot-hair Micro/nano-structures as Dry Adhesives, Journal of Adhesion Science and Technology, no. 17(8), s. 1055–1073.
Vincent, J.F., Bogatyreva, O.A., Bogatyrev, N.R., Bowyer, A., Pahl, A.K., 2006, Biomime- tics: Its Practice and Theory, Journal of the Royal Society Interface, no. 3, s. 471–482.
Vukusic, P., Sambles, J.R., Lawrence, C.R., 2000, Structural Colour: Colour Mixing in the Wing Scales of a Butterfly, Nature, s. 404, 457.
Vukusic, P., Sambles, J.R., Lawrence, C.R., Wootton, R.J., 1999, Quantified Interference and Diffraction in Single Morpho Butterfly Scales, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, no. 266, s. 1403–11.
www. glorioustires.com/imgs/tech_info/tech_2.pdf.
prActicAl exAMpleS of the uSe of SoMe StructureS of nAture
Summary: The paper presents selected patents from the world of plants and animals which are adopted by man allowing the use of new components or materials in technology or industry. A particularly complicated structure includes a number of plants and animals with special attention paid to their ingenious design. The aim of the study was to provide interesting solutions tested in the course of evolution. In the times of the triumph of ecol- ogy it is particularly important to study and imitate nature.
