Bionika: učení se od přírody

Do názvu se už nevešly další vědy, kterých je v jejich teoretické anebo aplikované podobě k existenci a rozvoji této mladé vědy zapotřebí, např. matematika, fyzika, chemie, mechanika, statika, elektronika a IT, medicína anebo práce na vytváření umělé inteligence.

Obsahem bioniky je uplatňování poznatků ze studia přírody a živých organismů při vývoji nových technologií. Zjednodušeně jde tedy o "učení se od přírody". Toto učení probíhalo živelně od doby, kdy se stal člověk vývojem z nižšího živočišného druhu dnešním homo sapiens. Člověk odpozorovával jevy a předměty z přírody kolem sebe odjakživa a snažil se jim přicházet na kloub, napodobovat je a využívat ve svůj prospěch. Nicméně jako moderní vědecká disciplína se systematickou základnou se utváří bionika teprve v posledních letech.

Ze strany člověka šlo zprvu o prosté napodobování hlavně tvarů z přírody, postupně docházelo s rozvojem společnosti, výroby a techniky i ke stále dokonalejšímu napodobování a využívání přírody - stačí uvést technické vynálezy už ve starověkých kulturách.

První doložené pokusy o imitování přírody člověkem pocházejí z doby zhruba před deseti tisíci lety. Ve srovnání s evoluční "zkušeností" přírody je to nicotný kousek času, protože příroda na Zemi se už předtím vyvíjela cca jednu miliardu let.

V době, kdy se vědeckotechnický rozvoj ve srovnání s minulostí díky rozvoji IT, nanotechnologií, biotechnologií a dalších věd nesmírně urychlil, se prohloubilo poznání přírodních jevů a zdokonalily se způsoby přenášení osvědčených principů z přírody do moderního průmyslu.

Oblast testování a uplatňování bionických novinek je dnes už hodně bohatá. Uveďme si z ní několik příkladů.

Napodobení žraločí kůže

Pozorujeme-li za sklem v oceanáriu anebo ve filmu žraloka, vidíme jej (buď my přímo anebo prostřednictvím kamery, která ho snímá) ze vzdálenosti několika metrů a povrch jeho těla se nám zdá hladký. Přitom jeho kůže je tvořena soustavou šupinek, jejichž posláním je snižovat odpor vody při pohybu žraloka v ní, takže díky tomu se žralok pohybuje ve vodě velmi rychle, rychleji než jiné ryby.

Toho bylo využito v technické praxi při řešení opláštění letounů Airbus. Díky tomu se podařilo snížit hmotnost letounu o čtyři tuny, což se pak projevilo i na redukci spotřeby pohonných hmot.

Konstruktéři vyvinuli nový nátěrový systém, který vytváří strukturu podobnou žraločí kůži a po nanesení na trup letadla snižuje odpor okolního vzduchu (aerodynamický odpor). Zajímavý je způsob nanášení nátěru na trup letadla - děje se to pomocí šablony imitující právě onu strukturu.

Odborníci z Fraunhoferova ústavu pro průmyslové inženýrství a aplikovaný výzkum v Brémách vypočetli, že kdyby se nátěr "à la žralok" aplikoval na všechna letadla na světě, ušetřilo by se zhruba 4,5 milionu tun paliva ročně.

Ochranný nátěr byl vyzkoušen také u lodí, kde pomáhá zvyšovat rychlost plavby, tedy překonávat odpor vody. Struktura nátěru je navíc taková, že zabraňuje, aby se v rýhách mezi malými šupinami zachycovaly drobné mořské organismy, které pak mohou brzdit pohyb lodi. Díky tomu se tření nátěrem opatřených boků lodí snižuje o zhruba 5 % a tato skutečnost samozřejmě přispívá ke snižování spotřeby paliva potřebného k plavbě lodí. Nátěr napodobující strukturu žraločí kůže se používá i u ponorek.

Nátěr má také tu výhodu, že snese teplotní výkyvy od -55 do +70 oC. To je vlastnost důležitá hlavně při letech letadla ve velkých výškách, ale může se dobře uplatnit i u větrných elektráren, jejichž části vysoko nad zemí jsou hlavně v zimě vystaveny velmi nízkým teplotám.

Pavoučí hedvábí je superpevné

Pro tento materiál se používá někdy přezdívka bioocel, přestože jde o materiál přírodního původu. Přiléhavější je název pavoučí hedvábí. To má lepší technické vlastnosti než syntetická vlákna a je několikrát pevnější než vlákna oceli stejné tloušťky. Další výhodou je zde úplná biologická odbouratelnost.

Nápad vyrábět takové vlákno vznikl z poznatku, že pavoučí sítě, tak jak se vyskytují v přírodě, jsou natolik pevné, že dokážou zachycovat, aniž by se porušily, předměty o velké hmotnosti, které mnohonásobně převyšují hmotnosti pavoučích těl.

Pevnost pavoučí sítě ve vztahu k drobnému hmyzu, který se do ní chytá, se dá přirovnat k pevnosti sítě ve fotbalové brance. U té prakticky nepadá v úvahu, že by ji protrhl i míč prudce vypálený z bezprostřední blízkosti, pokud jej brankář nechytne.

Vlákna biooceli se vyrábějí biologovou cestou, z mléka geneticky modifikovaných koz. Z usazenin v nádržích pro toto mléko se získává substrát pro výrobou pavoučího hedvábí. Substrát se rozpustí ve vodě. Tak vzniká polotovar vlákna.

Umělé pavoučí vlákno se zatím vyrábí jen pokusně. Pokud by se dalo vyrábět průmyslově, stalo by se velice zajímavým materiálem pro biomedicínu, např. jako chirurgická nit přijatelná pro lidskou tkáň, kterou imunitní systém organismu neodpuzuje. Syntetické pavoučí vlákno by mohlo také spojovat přerušené nervy a pomáhat růstu nervových buněk. Uvažuje se však i o tom, že vlákna v robustnější podobě by mohla postupně nahradit i materiály, jejichž produkce závisí na drahé ropě.

Pionýrem komerčního využití pavoučích vláken vyrobených průmyslově je japonská firma Okamoto, která uvedla na trh extra tenké a odolné "pavoučí" ponožky.

Inspirace u ledních medvědů

Co má společného sluneční záření s ledními medvědy? Vůbec zde nejde o svévolné spojování nesouvisejících věcí, protože spojení mezi oběma pojmy je velice funkční a důležité.

Už dříve posloužilo toto zvíře žijící v polárních oblastech pro důležitou aplikaci zcela v duchu biotiky - to když protiskluzově fungující chodidlo jeho tlapy posloužilo jako inspirace pro výrobce zimních pneumatik.

Pokud jde o vztah ke slunečnímu záření, pak se zjistilo, že bílá kožešina slouží k absorpci slunečního svitu a tepla, jehož je v polární zóně zeměkoule poskrovnu. Každý chlup v kožichu na povrchu těla ledního medvěda funguje jako vodič slunečního světla a přirovnat se to dá k tenkým skleněným vláknům, jež zachycují světlo a sluneční teplo v solárních panelech a odvádějí je dál.

Pod bílou kožešinou je tělo ledního medvěda pokryto tmavou (černou) kůží, která vstřebává energii přiváděnou bílou srstí a přeměňuje ji v teplo. Přitom spodní vrstva kožešiny, resp. třásní dlouhých chlupů působí jako konzervátor tepla, podobně jako termoska udržuje díky své stěně nápoj do ní nalitý na určité teplotě. Díky tomu ledním medvědům není zima ani při mrazech klesajících na několik desítek stupňů Celsia pod nulou.

Tohoto principu přeměny slunečního tepla a světla a jeho konzervace se pokoušejí využít různé firmy a organizace zabývající se využíváním solární energie. Jednou z nich je Ústav pro techniku textilu a výrobních procesů v Denkendorfu. V něm byl na principu odpozorovaném od ledních medvědů vyvinut bionický solární kolektor. Fakticky jde o textilii, resp. koberec, který se dá srolovat a snadno přepravovat, aniž by přitom hrozilo mechanické poškození, jako je tomu při dopravě a montáži panelových solárních kolektorů, kde mohou nastat problémy s mechanickou pevností panelů, křehkostí optických, resp. skleněných vodičů, nedostatkem kapaliny, která bývá napumpována pod panely a slouží ke konzervaci tepla atd.

Textilní kolektor je tvořen dvěma vrstvami, horní je bílá a spodní černá, tedy jako tomu je u ledních medvědů. Vlákna horní vrstvy jsou z polyesteru a mají délku dva centimetry. Vlákna černé vrstvy jsou z gumy.

Jako třetí vrstvu na vnější straně koberce lze použít i ochrannou fólii ze silikonu, jejímž úkolem je chránit koberec před eventuálním znečištěním. Solární koberce se dají instalovat na střechách, ale i na trávníku a už několikrát jimi byly vybaveny i větší plochy, kde bylo zapotřebí krátkodobě zajistit mobilní ohřev.