Vynálezy inspirované přírodou

Ale teprve současná úroveň techniky a vědeckých poznatků umožňuje lidem kopírovat to, co živočichové a rostliny už miliony let běžně využívají. Gekoni dokážou zlézat nejstrmější povrchy, pohybovat se po stropě a dokonce lézt po skle.

Vyzráli gekoni na gravitaci?

Průlom se podařil v momentu, kdy se vědcům podařilo rozluštit záhadu mechanismu přilnavé síly gekonů. Tuto schopnost jim umožňují miliony ohebných keratinových chloupků, nazývaných seta, jimiž je pokryt povrch jejich chodidel. A také fenomén nazývaný van der Waalsova síla - intramolekulární vazby vytvářené právě těmito chloupky. Tajemství tkví ve speciální struktuře tvořené mikroskopickými chloupky na spodku polštářků jejich nohou. Každý chloupek (nazývaný seta) vytváří miniaturní přilnavou sílu nazývanou van der Wallsova síla. Působí sice na velmi omezenou vzdálenost, ale postačuje k udržení potřebné zátěže. Vzhledem k tomu, že na každé noze gekona jsou miliony takovýchto zařízení, jejich kombinovaná adhezní síla je několiksetkrát větší, než by byla zapotřebí, aby se gekon udržel pouhou jednou nohou. Špičky gekonových set jsou tak přilnavé, že gekoni mohou viset na stropě dokonce za jediný prst.

Tajemství gekonů se podařilo rozluštit týmu vědců z Kalifornské univerzity v Berkley, který publikoval svá zjištění v roce 2000 časopisu Nature. Vědci se pak pokusili vytvořit uměle napodobené sety založené na biologickém designu, jaký využívají gekoni.

Prací kalifornských výzkumníků, která popsala princip, pomocí něhož gekoni zlézají stěny a udrží se na hladkých plochách, se inspiroval i tým výzkumníků z univerzity v Manchesteru vedený fyzikem Andre Geimem, který nyní pracuje na vytvoření "syntetické gecko-pásky". Vědci vyleptali do plastové formy v pásce o rozměrech 1 x 1 cm za pomoci skenování elektronovým mikroskopem strukturu vlasových mikroskopických sloupků podobnou setám gekonů. Každý syntetický chloupek vyrobený z materiálu s názvem kapton je dlouhý 2 mikrony a má průměr rovněž 2 mikrony - stejně jako u gekonů - jde v podstatě o syntetickou kopii sety. Na jednom cm² je umístěno zhruba 100 milionů těchto umělých set a může udržet až kilogramovou zátěž. Páska pokrytá těmito chloupky byla vytvořena litografickým procesem.

Pomocí metody pokusů a omylů výzkumníci zjistili, že nezáleží na průměru sloupků, adhezní síla, kterou vytvářejí, se nemění. Jakmile výzkumníci stanovili optimální geometrii, snažili se směstnat pilíře na co nejmenší plochu, resp. vytvořit na daném prostoru co největší množství individuálních kontaktních bodů, podobně jako je tomu v případě přirozeného polštářku nohy gekona. Připojili pilíře na pevnou destičku a zkoušeli přichytit destičku na povrch. V protikladu s "teorií gekona" zjistili, že destička nedržela příliš dobře. Příčinou bylo, že jen velmi málo vláken přicházelo skutečně do kontaktu s povrchem. Poté, co nahradili destičku pružnou podložkou a zlepšili pružnost umělých set, se výsledky rapidně zlepšily.

Matka příroda má zatím náskok

Skutečné chloupky gekonů jsou delší a pružnější než ty, které se zatím podařilo vytvořit vědcům v syntetické podobě, kterou oznámili v roce 2003 v červnovém čísle online vydání časopisu Nature Materials. K replikaci vláken gekona je nutné poznat detailně jejich tvar a orientaci. Sety gekona měří setiny mikrometru. Jejich konce se však dělí na mnoho ještě tenčích ohebných vlásků, jejichž rozměry jsou v řádu setin nanometrů. To rozšiřuje přilnavou plochu a umožňuje spojovat se s povrchem vazbami doslova na molekulární úrovni a maximalizovat tak van der Waalsovy přitažlivé síly.

Badatelé přiznávají, že současné výrobní postupy neumožňují samy o sobě masovou produkci těchto pásek. A navíc, což je ještě podstatnější, je zde problém, jak zajistit dostatečnou trvanlivost umělých set, aby bezchybně fungovaly i po mnohonásobném použití.

Vědci nicméně doufají, že díky vzájemné spolupráci různých disciplín (biologů, chemiků a inženýrů zaměřených na speciální konstrukce) bude možný vývoj "gecko tape" mnohem rychleji, než se původně doufalo. Během tří-pěti let by se tyto přilnavé pásky mohly objevit na trhu, ačkoli původní odhady předpokládaly vývojové práce v horizontu až dvaceti let. Jejich využití bude velmi široké, soudí vědci. Od pomůcek čističů oken až po přesun počítačových čipů ve vakuu, pomocí velmi malých vláken, přes nové typy pneumatik s unikátními vlastnostmi, až např. po roboty lezoucí po stěnách.

Supervlákno od pavouků

Pavouci různých druhů produkují různé druhy vláken - někteří z pavouků mají až sedm různých žláz a každá z nich vytváří odlišné vlákno. Společné pro všechny pavouky je však schopnost vytvářet tzv. závěsné vlákno, s jehož pomocí se mohou spouštět dolů, a používají ho k trvalému upoutání sítě pavučiny. Toto vlákno tvoří také radiální spojky pavučinové sítě. Další druhy vláken jsou přemosťovací vlákno a vlákno, které vytváří známou pavučinovou spirálu. Tato vlákna se navzájem liší svými fyzikálními vlastnostmi, ale vědce zajímá hlavně závěsné vlákno, které má pozoruhodné parametry. V přepočtu na váhovou jednotku vykazuje totiž vlákno, jehož tloušťka je pouhou desetinou lidského vlasu, několikanásobně větší pevnost než ocel, a dokonce i než např. vysoce odolný kevlar. Je tudíž pochopitelné, že o materiál s takovýmito vlastnostmi se intenzivně zajímají výzkumníci nejrůznějších oborů včetně armády.

Výzkum pavoučích vláken ukázal, že jde o unikátní a poměrně složitý materiál. Pavoučí vlákno je přírodní polypeptid, polymerní protein, jde o kompozitní materiál složený ze tří různých proteinů. Jeden vytváří amorfní (nekrystalickou) základní hmotu s velkou roztažností, dávající vláknu vysokou pružnost, do ní jsou pak zakomponovány další dva druhy krystalických proteinů, která vlákno zpevňují. Jsou těsně poskládané, a tak mohou odolávat protažení. Výsledný kompozit je pevný, odolný a elastický. (Podrobné informace o složení a konstrukci pavoučího vlákna lze nalézt např. na ).

Pozoruhodné parametry pavoučího vlákna vedly samozřejmě k úvahám o jeho možném využití - zatím našlo uplatnění např. v optických přístrojích. Vzhledem k tomu, že jeho získávání přirozenou cestou, tzn. od pavouků je náročné a drahé, snaží se vědci najít způsob jak obelstít přírodu a umožnit výrobu tohoto unikátního materiálu způsobem vhodným pro průmyslové využití. Výzkumníci pracují na pokusech přenést geny pro tvorbu pavoučích vláken izolované z pavouků druhu Araneus diadematus (známý křižák) a Nephila clavipes do jiného živočicha, který by dával lepší šance na průmyslovou výrobu. Kanadská společnost Nexia zahájila pod označením BioSteel program rekombinace pavoučího vlákna pomocí transgenní technologie s využitím kozy. Přesněji řečeno: jde o přenos pavoučích genů umožňujících výrobu zmíněných podivuhodných proteinů do transgenních trpasličích afrických koz, které mají produkovat ve své mléčné žláze protein pavoučího vlákna. Proti původnímu nadšení, s jakým byla možnost výroby pavoučích proteinů popisována, však zřejmě reálné výsledky ještě nedosahují očekávané parametry.

Bourec nemusí vyrábět jen hedvábí

Objevila se však ještě další varianta: Univerzitní vědci Zhenghong Shao z Šanghaje a Fritz Vollrath z Oxfordu zjistili, že obdobné vlastnosti, pokud jde o pevnost, které zajímají výzkumníky u pavoučího vlákna, vykazují i vlákna tvora, který je průmyslově využíván už po staletí - housenky bource morušového. To bylo ovšem určeno především k výrobě hedvábí a technologie přípravy této tkaniny fyzikální vlastnosti vlákna měnila - bohužel k horšímu, pokud jde o pevnost a pružnost ve srovnání s materiálem produkovaným pavouky. Jiná je ovšem situace v případě, že vlákno je odebíráno přímo z housenky a ne z kokonů, které byly vyprány v horké vodě jako při přípravě hedvábí. Důležitou roli hraje i rychlost, s jakou je vlákno housenkou vytvářeno, a jak rychle je vyměšováno ze snovací žlázy. Pomalu vypuzované vlákno má pružnost srovnatelnou s pavoučím vláknem, při rychlejším vypuzování se jeho pružnost zmenšuje a vlákno se rychlejší "výrobou" stává méně pevným než pavoučí. Jako nejschůdnější cesta k získání pevnějšího a pružnějšího vlákna se vědcům zdá ovlivnit chování housenek bource v době, kdy spřádají své kokony.

Učíme se od chobotnic

Chobotnice jsou poučným vzorem pro optiky. Současné kamery a fotoaparáty používají zakřivené čočky, které však obvykle neumožňují rovnoměrně ostrý obraz po celé ploše - obraz v rozích má horší zaostření. Aby byl kompenzován tento nedostatek, špičkové fotoaparáty používají soustavy až osmi čoček Ve snaze vyvinout dokonalou optickou soustavu, umožňující superpřesné zaostření pomocí jediné, levnější plastové čočky, se vývojáři poučili z přírody: u chobotnic. Mořští živočichové mají vyvinutou strukturu čoček několikrát silnější než člověk. Čočky v oku chobotnice tvoří mnoho tenkých vrstev různé hustoty. Světlo jimi prochází z jedné vrstvy do druhé a zaostřuje se. Tento model inspiroval Erica Baera, výzkumníka polymerů na Case Western Reserve University a tým vědců z washingtonské U.S. Naval Research Laboratory. Výsledkem je optika složená z velkého množství supertenkých plastických plátků s různou hustotou, které vytvářejí dokonalou čočku dostatečně tenkou na to, aby ji bylo možné použít např. v malých kamerách, chirurgických nástrojích a dalších kompaktních věcech. Dalším stupněm má být pružná verze s měnitelnou ohniskovou vzdáleností. Na trhu by se měly tyto čočky objevit během několika let.

Hlavonožci inpirují robotiku

Další oblastí, kde chobotnice inspiruje techniky, je systém ovládání jejich chapadel, jejichž koordinace zaujala konstruktéry průmyslových robotů, kteří se snaží vytvořit pružné robotické ruce s co největším rozsahem pohybu. Chobotnice celkem logicky dává přednost chapadlům, jež má pod kontrolou svého velmi dobrého zraku. Výzkum odhalil zajímavý fenomén ve využívání oka: Chobotnice se dívá kolem sebe přednostně jen jedním okem. Plných 92 % chobotnic má jedno oko dominantní, jen 8 % využívá obě oči rovnocenně, nicméně v jejich populaci nenajdeme tendenci pro přednostní využívání levého či pravého oka - pravooké a levooké chobotnice jsou zastoupeny v poměru 1 : 1. Od dominance oka se odvozuje i dominance chapadel. Dominantní chapadlo je pod kontrolou dominantního oka.

Koordinaci chapadel zajišťuje distribuovaný nervový systém, obrazně řečeno, každé chapadlo má svůj vlastní "rozum" a nevyžaduje tedy detailní povely - po určení úkolu z centra (mozku) je schopno provést požadovanou operaci samostatně. Dalším zajímavým zjištěním je, že chobotnice při řízení svých chapadel používají systém, kdy si chapadlo jakoby rozdělí na tři zhruba stejně dlouhé úseky, které pak ovládají jako by šlo o pevné prvky.

Tajemství lotosu

Také rostliny mají technickým oborům co nabídnout. Jako příklad, jak příroda inspiruje technický výzkum může posloužit lotos. Vědci využili princip, který uplatňují vodní rostliny, např. leknín a lotos, jež mají na svých listech vodoodpudivou vrstvu. Listy těchto rostlin mají mnoho miniaturních hrbolků a jsou pokryty tenkou vrstvou vosku; tato povrchová úprava pomáhá odpuzovat vodu a brání usazování nečistot. Podle této povrchové struktury vytvořili výzkumníci Státní univerzity v Ohiu obdobnou strukturu nepatrných výčnělků na povrchu skla, aby vytvořili vodoodpudivé sklo. Technologie odkoukaná od vodních rostlin by mohla vést k výrobě samočisticích oken. Slibnou budoucnost by mohlo mít sklo odpuzující vodu a nečistoty např. v automobilovém průmyslu, kde může přispět k bezpečnosti, zvláště za nevlídných povětrnostních podmínek.

Stejný princip lze využít ke snížení tření součástek uvnitř mikropřístrojů. Tým profesora Bharata Bhushana vytvořil počítačový model, který dokáže testovat nejvhodnější rozmístění a velikost hrbolků pro různé druhy materiálů a pro jejich různá použití. Takto upravený povrch odpuzuje vodu a materiály s touto speciální strukturou mohou dokonce přispět ke snížení tření mezi pohybujícími se plochami. To má význam především u malých přístrojů - např. v mikro#247# a nanotechnologii, kde součástky nemohou být promazávány klasickým způsobem.

Začíná éra živých robotů

Na počátku letošního roku proběhla světem informace o pozoruhodném experimentu týmu amerického vědce Carla Montemagna, který vytvořil z křemíkových destiček a buněk krysího srdce vůbec první "živé stroje". "Určitě jsou živé. Buňky skutečně rostou, množí se, hromadí se - a samy vytvářejí struktury. Takže to zařízení je živé," prohlašuje Montemagno.

Bioboti, jak byly živé stroje nazvány, jsou zatím jen pozlacené či chromované kousky křemíku, na nichž roste pár nožiček, pro které Montemagno a jeho kolegové z University of California dělají kostry z plastů, nicméně je to první významný úspěch po tříletém úsilí.

První pokusy, při nichž se vědci (nepříliš úspěšně) snažili spojit svaly s křemíkovou destičkou, nevedly k valným výsledkům, opačný postup - pokusy vypěstovat svalovou tkáň přímo na nich už dopadly lépe. Zatím bioboti dokážou jen růst a pohybovat se. Pokud jsou ponořeni do roztoku glukózy, jejich svaly se začnou natahovat či smršťovat. Křemíková destička se tak může sama přemisťovat. Rychlost pohybu je sice malá - kolem 40 mikronů za vteřinu, podstatná je však velikost biobotů: sotva 300 mikronů, tj. necelá třetina milimetru, což je činí velmi zajímavými pro řadu aplikací. Takovéto stroje se pak dají nasadit k zásahům i v nejobtížněji dostupných částech lidského těla, kde vždy najdou dost "paliva" (glukózy). "Bioboty by bylo možné použít například pro čištění tepen," soudí Jianzhong (Jeff) Xi, který vydal spolu s Montemagnem studii v časopise Nature Materials. Bioboti by mohli pomáhat např. i paralyzovaným lidem, u nichž by stimulovali postižené nervy, apod. Americká vesmírná agentura NASA, která výzkum financovala, má však s bioboty ambicióznější plány a podle slov jejích představitelů by vyspělejší zařízení tohoto typu mohla časem nahradit kosmonauty při obtížných a nebezpečných opravách vně kosmické lodi.