Bionika, czyli natura w służbie innowacji

Czego możemy nauczyć się obserwując przyrodę? Jak wykorzystać do tworzenia innowacji rozwiązania znane z natury? Odpowiedzi dostarcza bionika.

W jednym z opublikowanych na tej stronie artykułów przybliżałem synektykę – metodę twórczego rozwiązywania problemów, bazującą na tworzeniu analogii (tekst dostępny TUTAJ). Jednym z rodzajów analogii, charakterystycznych dla tego podejścia są tzw. analogie proste, które wykorzystują do rozwiązania problemu użyteczne podobieństwo, dostrzeżone w jakimś obiekcie lub zjawisku. To mechanizm leżący u podstaw bioniki.

Bionika – co to?

Bionika to szczególna technika, wspierająca generowanie pomysłów oparte o poszukiwanie analogii. Źródłem inspiracji jest tutaj przyroda – zachodzące w niej procesy i rozwiązania, wykorzystywane przez naturę. Jako pierwszy terminu bionika użył amerykański lekarz i pułkownik – Jack E. Steele, łącząc ze sobą biologię oraz elektronikę (ang. biology + electronics = bionics). W niektórych krajach, głównie anglojęzycznych, większą popularnością cieszą się określenia biomimikra oraz biomimetyka, mające źródła w języku greckim (bios – życie, mimesis – naśladowanie, imitacja). W tekście będę posługiwał się hasłem zaproponowanym przez Steele’a.

Spacer w krzakach, spacer w kosmosie

W latach 50. XX wieku George de Mestral opatentował zapięcie Velcro, czyli popularne rzepy – stosowane m.in. przez producentów obuwia. Na pomysł wpadł podczas spaceru (według innych źródeł – w trakcie polowania), kiedy do jego ubrania przyczepiły się owocostany łopianu.

De Mestral przez kilka lat pracował nad stworzeniem syntetycznego odpowiednika rozwiązania, jednak efekt jego wysiłków początkowo nie spotkał się z zainteresowaniem ze strony branży odzieżowej. I to mimo całkiem chwytliwego hasła (Zamek błyskawiczny bez zamka błyskawicznego!). Dopiero gdy NASA zwróciła uwagę na nowatorskie zapięcie, patent de Mestrala zaczął przynosić zyski. Velcro trafiło na sprzyjający moment w historii – kosmiczny wyścig między Stanami Zjednoczonymi i ZSRR wymagał nieszablonowych i zarazem prostych rozwiązań. Rzepy błyskawicznie zyskały na popularności, ich potencjał wkrótce dostrzegli projektanci odzieży, a de Mestral zrobił interes życia.

Historia Velcro jest prawdopodobniej najczęściej przywoływanym przykładem, ilustrującym na czym polega bionika. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat powstania zapięcia na rzepy, zachęcam do lektury ciekawego tekstu Pomysł znaleziony w krzakach – George de Mestral (artykuł jest dostępny TUTAJ).

Roboty zwiadowcze i supermateriały

Wiele rozwiązań, inspirowanych naturą, wykorzystuje wojsko. Za przykład może posłużyć robot zwiadowczy Wildcat, wyprodukowany przez Boston Dynamics. Projekt  sfinansowała agencja DARPA (ang. Defense Advanced Research Projects Agency), będącą częścią Departamentu Obrony USA. W 2002 roku firma biotechnologiczna Nexia i US Army ogłosiły stworzenie lekkiej i wytrzymałej nici, przypominającej włókna wytwarzane przez pająki. Dzięki swoim właściwościom (jest kilkukrotnie bardziej wytrzymała niż stal, a przy tym elastyczna), może być wykorzystywana w produkcji sprzętu dla żołnierzy.

Zostając przy materiałach – naukowcom z Northeastern University we współpracy z wojskowym Natick Lab udało się odwzorować mechanizm działania chromatoforów. To struktury, pozwalające na zmianę kolorów przez niektóre gatunki zwierząt – na przykład ośmiornice. Technologia może być wykorzystana w celu udoskonalenia kamuflażu.

Szybciej, wyżej, dalej

Bionika pojawia się w świecie sportu. Rozwiązania podpatrzone w przyrodzie wspierają zawodników w uzyskiwaniu lepszych rezultatów, zwiększając ich możliwości i wydolność. Czasem służą zwiększeniu bezpieczeństwa (kaski motocyklistów wzorowane na czaszce dzięcioła), choć jak pokaże jeden z przywołanych w tej części przykładów – nie jest to regułą.

Michael Phelps przeszedł do historii jako pierwszy pływak, który podczas jednych Igrzysk Olimpijskich zdobył aż 8 medali. Działo się to w 2004 roku w Atenach, a w osiągnięciu imponującego wyniku pomógł Phelpsowi Fastskin – materiał wzorowany na skórze rekina, wyprodukowany przez firmę Speedo. Kombinezon, którego używał sportowiec, zmniejszał opór wody nawet o 4%, pozwalając pływać szybciej i przy mniejszym zużyciu energii. Skąd pewność, że dobry wynik nie był zasługą wyłącznie (niepodważalnego) talentu Phelpsa? W Atenach pobito 26 rekordów świata w pływaniu. 18 z nich padło łupem sportowców używających strojów Speedo. Więcej o Fastskin W TYM MIEJSCU.

Wingsuiting to propozycja dla ludzi o stalowych nerwach. Ekstremalny sport, pozwalający szybować z prędkością 200 km/h, dostarcza mocnych wrażeń, ale też niesie ze sobą ogromne ryzyko. Z badań przeprowadzonych w 2012 roku wynika, że 43% osób uprawiających ten sport doznało poważnej kontuzji, a 72% było świadkami śmierci lub poważnych obrażeń u innych zawodników. Co wspólnego z wingsuitingiem ma bionika? Powstanie kombinezonów, wykorzystywanych w tym sporcie, zainspirował sposób przemieszczania się polatuchy, znanej także jako…latająca wiewiórka.

Źródło: YouTube

Transport

Pozostajemy przy wysokich prędkościach. Japoński Shinkansen, rozpędzający się do 300 km/h, to jeden z najszybszych pociągów na świecie. Problemem, na jaki natrafili jego konstruktorzy, był hałas generowany przez pociąg. Huk, towarzyszący momentowi wjazdu z otwartej przestrzeni do tunelu, zmniejszał komfort podróży pasażerów (przy okazji przekraczając środowiskowe normy hałasu). Niezbędne było usprawnienie pociągu. Na pomysł zmian wpadł Eiji Nakatsu – inżynier zatrudniony w Japan Railway West, prywatnie zapalony ornitolog-amator. Zaproponował on przeprojektowanie czoła pociągu w sposób zbliżony do kształtu dzioba zimorodka. Budowa piór sowy oraz kształt ciała pingwina stały się z kolei punktem odniesienia dla udoskonalenia pantografu (element pociągu dotykający linii elektrycznych). Poprawiona aerodynamika Shinkansena pozwoliła na redukcję hałasu przy równoczesnym wzroście prędkości i mniejszym zużyciu prądu (WIĘCEJ).

Japończycy chętnie sięgają po bionikę. Niezwykłym przykładem jest wykorzystanie śluzowców do badań nad planowaniem transportu miejskiego. Te proste organizmy (będące czymś pomiędzy grzybem, rośliną, a zwierzęciem) potrafiły stworzyć sieć połączeń, będącą niemalże odwzorowaniem planu tokijskiego metra. W jaki sposób? Naukowcy umieścili płatki owsiane (przysmak śluzowców) na poszczególnych stacjach metra, po czym wypuścili organizmy. Te, zaprogramowane przez naturę do poszukiwania najkrótszej drogi do pożywienia, w ciągu zaledwie 25 godzin stworzyły strukturę, która okazała się bardziej efektywna od komputerowych symulacji!

Transport i rozwiązania podpatrzone w naturze idą w parze nie tylko w Kraju Kwitnącej Wiśni. Bionika umożliwiła zaprojektowanie zawieszenia silnika Opla Vectry, sposób poruszania się kotów miał wpływ na ostateczny kształt opon ContiPremiumContact, a żaglica – najszybsza ryba świata – stanowiła inspirację dla twórców sportowego samochodu McLaren P1. Coraz większą popularność zdobywa wzorowany na kluczach ptaków truck platooning – metoda transportu, w której konwój pojazdów porusza się w kolumnie, reagując na zachowanie lidera.

Innowacyjne budynki. Od Top Gear do architektury

Richard Hammond, znany przede wszystkim jako prezenter motoryzacyjnych programów Top Gear i The Grand Tour, był gospodarzem popularnonaukowej serii Richard Hammond’s Engineering Connections, w której przybliżał tworzenie nowych maszyn i budowli w oparciu o bionikę i historyczne wynalazki. Program był emitowany w Polsce jako Tajemnice Powiązań Inżynieryjnych. W serwisie YouTube jest dostępnych kilka odcinków w polskiej wersji językowej (np. TEN, który pokazuje w jaki sposób bambus wpłynął na prace nad wieżowcem Taipei 101).

Które rozwiązania znane ze świata roślin i zwierząt znajdują zastosowanie w architekturze i budownictwie? Jednym z nich jest wzorowany na konstrukcji kopca termitów system wentylacji i termoregulacji Eastgate Centre w stolicy Zimbabwe, Harare, dzięki któremu kompleks zużywa o 10% mniej energii niż budynki o zbliżonych rozmiarach. Znajdujący się w Hamburgu budynek BIQ (ang. Bio Intelligence Quotient), nazywany potocznie glonowym domem, pozyskuje energię dzięki algom umieszczonym w szklanych panelach. Aldar, pierwszy na świecie okrągły wieżowiec, przypomina kształtem zamkniętą muszlę, a konstrukcja Helix Bridge w Singapurze wygląda jak łańcuch DNA. Źródła inspiracji twórców Świątyni Lotosu w New Delhi są oczywiste.

Realne wsparcie dla niepełnosprawnych

Bionika stanowi szansę na podniesienie jakości życia u osób dotkniętych niepełnosprawnościami. Dzięki specjalnemu implantowi, Larry Hester – niewidomy emeryt, odzyskał możliwość rozróżniania światła i cienia. Choć nie jest to pełne przywrócenie wzroku, urządzenie ułatwia poruszanie się i samodzielne funkcjonowanie.

Hugh Herr, który stracił obie nogi w wypadku, porusza się dzięki zastosowaniu bionicznych protez (jego wystąpienie z konferencji Ted Talk znajdziesz W TYM MIEJSCU).

Sztuczne serce, wyprodukowane przez Carmat ratuje życie, podobnie jak magnetyczna śledziona, która oczyszcza krew z drobnoustrojów. Być może świat, wygenerowany przez twórców gry Cyberpunk 2077, gdzie na porządku dziennym są wszczepy, zwiększające możliwości ludzkiego organizmu, w niedalekiej przyszłości stanie się realną możliwością.

Nie tylko cuda techniki. Bionika w codziennych rozwiązaniach

Jeśli uważnie prześledzisz przywołane przeze mnie przykłady, możesz odnieść wrażenie, że bionika znajduje zastosowanie głównie przy produkcji zaawansowanych technicznie rozwiązań. Rzeczywistość jest nieco inna. Bionika to nie tylko Shinkansen, wojskowe projekty i cuda architektury. Rzep Velcro nie jest osamotnionym wyjątkiem. Przyroda stanowiła inspirację dla powstania wielu produktów, które bez problemu znajdziesz w przeciętnym gospodarstwie domowym. Przyssawki od łazienkowych wieszaków to pomysł, który wcielono w życie dzięki podglądaniu ośmiornic i ich macek. Wiaderko do wyciskania mopa było wzorowane na elastycznym i wytrzymałym rybim szkielecie. Być może korzystasz z czytnika ebooków, wyposażonego w technologię Mirasol albo jesteś w trakcie remontu i kupujesz odporne na zabrudzenia, hydrofobowe farby (patent podpatrzony u liści lotosu)? Z całą pewnością natura ma nam jeszcze wiele do zaoferowania.