Jak żywe

Sam Steve Jobs powiedział, że „największe innowacje XXI wieku pojawią się na styku biologii i technologii”. Dziś wiele inspirowanych naturą wynalazków nie wykracza poza etap prototypów, bo odwzorowanie ewolucyjnych cudów bywa zbyt skomplikowane i kosztowne, by rezygnować z tradycyjnych materiałów i mechanizmów. Kwestią czasu jest jednak pojawienie się kolejnych rewolucji takich jak rzepy – tego popularnego rodzaju zapięć nie byłoby, gdyby nie owoce łopianu.

Opatentowane w 1951 velcro, bo taką nazwę handlową mają rzepy wzorowane na haczykach polnej rośliny, przyjęło się na całym świecie, sprawdzając się zarówno w adidasach, jak i podczas podboju kosmosu, w kombinezonach NASA. I to właśnie różnego typu występujące w naturze tkanki i substancje są chętnie kopiowane w laboratoriach. Wspomniana amerykańska agencja rządowa zainteresowała się kolejnym rodzajem przyczepnej powierzchni – tym razem wziętej od gekona. Dzięki mikrowłoskom na łapach gad bez trudu przywiera do pionowych powierzchni. Silikonowy odpowiednik poduszek zapewni doskonałą przyczepność astronautom, ale też np. robotom naprawczym i zbierającym kosmiczne śmieci – „lepkość” pojawia się pod wpływem nacisku, gdy płytki o rozmiarze włosa uginają się.

Z kolei tzw. efekt lotosu, który został opracowany przez doktora Wilhelma Barthlotta, używany jest dziś podczas produkcji szyb, luster czy płytek. Nanotechnologia pozwoliła odtworzyć właściwości hydrofobowej powierzchni rośliny – drobiny brudu i woda do niej nie przylegają, dzięki czemu np. przeszklony wieżowiec „czyści się sam”. Jeśli natomiast szkło ma być wyjątkowo mocne – bardziej niż np. smartfonowe szkiełka Gorilla – pomocą służy zespół z Uniwersytetu McGilla w Montrealu. Wzorując się na strukturze skorup mięczaków, naukowcy opracowali szkło 200 razy odporniejsze na stłuczenia od zwykłego – za pomocą lasera podziurkowali boki szybki, a następnie wypełnili otwory polimerem. Po upuszczeniu na chodnik szkło może co najwyżej nieznacznie się odkształcić.

Badacze od lat pracują też nad sztuczną pajęczą siecią – dzięki unikatowej strukturze cząsteczkowej jedwab pajęczy jest elastyczny i czterokrotnie mocniejszy od syntetycznego, stosowanego w wojskowości kevlaru. Rok temu na Uniwersytecie Cambridge w końcu udało się opracować „jedwab” bez użycia toksycznych substancji i ekstremalnie wysokich temperatur – nici z hydrożelu ze zmodyfikowaną krzemionką i celulozą absorbują aż 70 proc. energii uderzeń, co daje szansę wykorzystać taką tkaninę w nowoczesnych kaskach czy kamizelkach kuloodpornych. Do myślenia daje też eksperyment naukowców z włoskiego Trento: zaaplikowali stawonogom mieszankę wody, węglowych nanorurek i superwytrzymałego grafenu, a nakarmione nią pająki zaczęły produkować sieć, która okazała się jeszcze trzy razy mocniejsza.

Źródłem inspiracji może być też homo sapiens. Inżynierowie z Boeinga trafili do księgi rekordów Guinnessa jako twórcy „najlżejszego metalu na świecie”.Stworzona przez nich siateczka niklowo-fosforowa jest sto razy lżejsza od styropianu, a za wzór dla tej elastycznej konstrukcji posłużyła struktura ludzkich kości. Wynalazek przyda się w lotnictwie i przemyśle samochodowym. Żywe organizmy ułatwiają też projektowanie całych konstrukcji. Za pomocą tomografu badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego ustalili, jak dzięcioły wytrzymują przeciążenia podczas uderzania w drewno. Połączenie porowatej kości, półelastycznego dzioba i płynu mózgowo-rdzeniowego pozwoliło opracowywać podobnie działające zabezpieczenia np. czarnych skrzynek. Z kolei lekkie, wytrzymujące tysiące uderzeń szczękonóżki skorupiaków zwanych ustonogami stanowią inspirację dla twórców wojskowych egzo szkieletów i pancerzy.

W 2005 roku Mercedes Benz pokazał światu Bionic – brzydkie, ale dość ekologiczne autko koncepcyjne z wytrzymałym nadwoziem odwzorowującym „klockowaty” szkielet rybki o nazwie kostera gruzełkowata. Opel i Mercedes długo używały też oprogramowania, które pomagało lepiej rozkładać przeciążenia w nadwoziu na podstawie badań struktury drzew i kości, które od lat 90. prowadzi profesor Claus Mattheck z Instytutu Technologicznego w Karlsruhe.

Tysiące lat ewolucji pozwoliły naturze wykształcić najefektywniejsze metody działania. W 2010 roku w Japonii przeprowadzono eksperyment – na płytce umieszczono jednokomórkowego śluzowca z gatunku physarum polycephalum oraz płatki owsiane w miejscach odpowiadających lokalizacji japońskich miast. Śluzowiec zaczął „pączkować” w kierunku pokarmu. W toku „eksploracji” stworzył siatkę wypustek, którą transportował składniki odżywcze, i wzmacniał „działające” odcinki. Jak się okazało, „mapa” ta pokryła się z układem japońskiej kolei, przez lata projektowanym przez inżynierów pod kątem optymalizacji czasu połączeń. Z kolei badacze z MIT (Massachusetts Institute of Technology), którzy głowili się nad idealnym kątem nachylenia ogniw fotowoltaicznych na farmie solarnej, ostatecznie i tak użyli tzw. „złotego kąta” 137 stopni znanego m.in. z kwiatostanów słonecznika. Dzięki niemu w elektrowni zmieściło się o 20 proc. więcej ogniw i poprawiła się ich wydajność.

Firma Encycle zajmująca się zarządzaniem sieciami elektrycznymi odwołuje się do „pszczelich” wzorców. Zamiast centralnego komputera decydującego o rozdziale energii instaluje u klientów sieć niezależnych kontrolerów („pszczół”), które na podstawie wymienionych informacji o stanie części „ula” same uzgadniają, gdzie obniżyć, a gdzie podnieść moc. Może to i chwyt marketingowy, ale w sektorze energetycznym rozwiązania z natury odgrywają istotną rolę. Rok temu badacze z CalTechu odkryli pod mikroskopem elektronowym, że skrzydełka gatunku indyjskich motyli mają dziurki o szerokości milionowej części metra, które nie tylko czynią je lżejszymi, ale i rozpraszają światło, ułatwiając gromadzenie ciepła. Ogniwa fotowoltaiczne, w których użyto takiego triku, dostarczały dwa razy więcej energii. Z kolei o jedną trzecią poprawił się bilans energetyczny turbin wiatrowych, których śmigła zamiast gładkich krawędzi otrzymały falowane brzegi wzorowane na płetwach humbaka.

O idealnych kształtach zaczerpniętych z natury też można pisać długo. Jak opracować polimerową igłę, która przyda się podczas delikatnych operacji mózgu, nie uszkadzając tkanek? To proste, wystarczy skopiować zakrzywione, odpowiednio podzielone na końcu żądło osy drzewnej. Co zrobili Japończycy, by pozbyć się ogłuszającego, uszkadzającego budynki hałasu towarzyszącego wjeżdżaniu ultraszybkich pociągów Shinkansen do tuneli? Oczywiście nadali lokomotywom opływowy kształt spłaszczonego dzioba zimorodka, przy okazji przyspieszając pociągi o 10 proc. i zmniejszając zużycie energii elektrycznej o 15 proc.

Nie dziwi więc, że zwierzęce formy widać też w projektach wielu robotów – i nie chodzi tylko o psa-zabawkę Sony Aibo. Stworzony w ubiegłym roku Planar Elliptical Runner, dwunożny robot przypominający strusia, dzięki „zwierzęcej” metodzie poruszania się nie potrzebuje typowych dla konkurencji sensorów i złożonej elektroniki, by zachować równowagę. Jego miniaturowy prototyp biega z prędkością 16 km/godzinę, a pełnowymiarowa wersja ma osiągać nawet 50 km/h. Pionierzy robotyki z Boston Dynamics wzorują Spota na domowych pupilach. Kiedy demonstrują, jak czworonóg pokonuje przeszkody, wspina się na zadnie łapy, by otworzyć drzwi albo – o zgrozo! – łapie równowagę po kopniaku w bok, od razu kojarzy się z typowym Burkiem.

Są i mniejsze wynalazki, które korzystają ze zwierzęcych osiągnięć. W czerwcu chińskie media doniosły o wprowadzeniu do „służby” w kilku prowincjach dronów udających gołębie – maszynki otrzymały kamery do ukradkowej inwigilacji obywateli. Bardziej przysłużyć ludzkości mogą się natomiast wynalazki takie jak robotyczne mrówki z Uniwersytetu Stanforda. Dzięki wspomnianym wcześniej uchwytom wzorowanym na łapach gekona szóstka takich robocików – z których każdy waży po 100 gramów – potrafi połączyć siły, by niczym zaprzęg przeciągnąć dwutonowy samochód.

Jeszcze mniejszy jest skrzydlaty minidron Robo Fly udający fruwającą (póki co w osi góra-dół) muchę. Rozmiar i waga nie pozwala na instalację baterii, ale twórcy zasilają owada, świecąc laserem na ogniwo „na grzbiecie”. Laser zasila też półtoracentymetrową gąsienicę z elastomerów, która powstała na wydziale fizyki Uniwersytetu Warszawskiego – ten „miękki” robot porusza się za pomocą skurczów „ciała” także na pochyłej powierzchni, a nawet popychając obiekty sześć razy cięższe od siebie. –Projektowanie robotów z miękkich elastomerów wymaga całkowitej zmiany sposobu myślenia o mechanice, zasilaniu i sterowaniu. Przyglądamy się rozwiązaniom, które powstały w toku ewolucji i próbujemy je, na razie dość nieudolnie, naśladować w laboratorium – mówił Piotr Wasylczyk z Pracowni Nanostruktur Fotonicznych, który kierował projektem.

Potencjalnie najbardziej przełomowy może okazać się wpływ natury na rozwój komputerów. Nie ma miesiąca bez kolejnych doniesień o osiągnięciach sztucznej inteligencji, za którą stoją pracujące podobnie jak ludzki mózg sieci neuronowe. By algorytmy Google’a umiały rozpoznawać obiekty na zdjęciach czy identyfikować znaczenie tekstu sformułowanego w języku naturalnym, sztuczną inteligencję karmi się materiałem „do nauki” w postaci olbrzymiej liczby obiektów, w których ta dostrzega wzory i podobieństwa, używane potem do klasyfikowania nieznanych treści. Gdy natomiast OpenAI doskonali sterowanie bohaterem w grze sieciowej takiej jak Dota 2, otrzymuje cele do osiągnięcia (np. zabicie przeciwnika, zniszczenie budynku), a potem raz za razem gra sama ze sobą i ucząc się na błędach, odkrywa, w wyniku czego dochodzi do zgonu wrogu, a potem doskonali proces, by działo się to szybciej.

Pojawiają się też pomysły łączenia sztucznych sieci neuronowych z rzeczywistymi – np. Neuralink, firma Elona Muska, pracuje nad wszczepianymi interfejsami do komunikacji mózgu z komputerem. Z kolei firma badawcza Koniku opracowała metodę wielomiesięcznego podtrzymywania przy życiu neuronów myszy, które połączone z elektrodami używanymi do „programowania” i sensorami tworzą urządzenie zdolne wykryć np. zapach materiału wybuchowego na lotnisku.

Nie wolno też zapominać o nowym nośniku danych – łańcuchach DNA, w których zera i jedynki koduje się w sekwencjach nukleotydów. Tak zapisane dane nie degenerują się z upływem czasu, a gęstość upakowania jest tak duża, że gdyby chcieć zapisać w ten sposób całą zawartość internetu, mieszczący 215 milionów gigabajtów pakiecik ważyłby jeden gram. Barierą są, naturalnie, koszty – zapisanie i odkodowanie jednego megabajta danych kosztuje ok. 3500 dolarów, choć jeszcze w 2012 cena była trzy razy wyższa.

Wydaje się jednak, że to właśnie tu czeka przyszłość – w ubiegłym roku naukowcy z Harvardu zdołali nawet „dopisać” słynną animację galopującego konia Eadwearda Muybridge’a do DNA żywej bakterii. Rok wcześniej naukowcy MIT stworzyli też namiastkę „programowalnej komórki” – zapisali w genomie bakterii E. Coli instrukcję, na mocy której komórka produkowała inne fluorescencyjne białka po wystawieniu na działanie określonych związków chemicznych. Do powstania żyjących komputerów jeszcze daleko, ale pamiętajmy, że zaledwie sto lat temu nie było jeszcze nawet ENIAC-a – więc może ktoś z nas dożyje i takiego science fiction.

Jedną z porażek w pracy nad naśladowaniem natury są wyświetlacze Mirasol. Absolwent MIT Mark Miles wpadł na pomysł stworzenia ekranów działających jak skrzydła barwnych motyli. Zamiast korzystać z własnego podświetlenia Mirasol miały odbijać światło dzienne dzięki umieszczonej pod ekranem specjalnej lustrzanej kliszy i za pomocą kontrolowanej mikromechanizmami interferencji uzyskiwać różne barwy. Pomysł był rozwijany przez Qualcomm – Amerykanie wpompowali nawet miliard dolarów w specjalną fabrykę na Tajwanie, która miała produkować ekrany dla innych firm. Niestety pierwsze ekrany miały blade kolory, a ponieważ pracowały z częstotliwością 60 Hz, wbrew rzekomej energooszczędności były bardziej prądożerne od konkurencji takiej jak E-Ink – w praktyce spełniona została więc tylko obietnica dobrej czytelności w słońcu. Na rynku pokazało się kilka czytników e-booków i smartwatchy z Mirasol, ale ostatecznie pomysł upadł. Trzy lata temu wspomnianą fabrykę na Tajwanie przejęło Apple – może więc motyl za jakiś czas powróci?

Szukając źródeł odnawialnej energii, naukowcy zaczęli przyglądać się np. stumetrowym sekwojom, które mimo rozmiarów transportują wodę i składniki odżywcze od korzeni po wierzchołek drzewa. W ten sposób wpadli na pomysł użycia energii z osmozy, czyli wyrównywania się stężeń dwóch roztworów. W przypadku prototypowej elektrowni w norweskiej miejscowości Tofte membrana osmotyczna oddzielała wodę morską i słodką, mieszające się u ujścia rzeki do morza. Ciśnienie powstające po stronie „słonej” napędzało turbinę. Niestety projekt zakończono ze względu na zbyt duże koszty i niedoskonałość materiałów – 1,5 W z metra kwadratowego membrany to mało. Wysokie koszty utrudniają też rozwijanie „sztucznych liści”. Jeden z bardziej obiecujących modeli powstał dwa lata temu na Harvardzie. Daniel Nocera (powyżej) i Pamela Silver opracowali metodę wytwarzana ciekłego biopaliwa przez bakterie. Przyjmują one wodór z rozszczepionych za pomocą reagującego na światło Słońca katalizatora cząsteczek wody oraz dwutlenek węgla. Ta fotosynteza działa nawet lepiej niż „zwykła”, bo aż 10 proc. energii słonecznej przetwarzane jest na paliwo.