Přidat EnviWeb k oblíbeným odkazům
RSS kanályMobilní verze EnviWeb.cz

Bionika: učíme se od přírody, a to stále více

20.05.2007  |  zdroj: Technik  |  328× přečteno      vytisknout článek

Pojem "bionika" je označení pro vědní oblast zabývající se aplikacemi technických řešení odpozorovaných z přírody do sféry technik a technologií.

Dlužno dodat, že je to označení sice relativně nové, ale pro oblast vědění, která sama o sobě je prastará, protože člověk odpozorovával předměty a jevy z přírody odjakživa a snažil se jich využívat a napodobovat je ke svému užitku.

Bionika, což je spojení termínů biologie a technika, existuje od počátků lidského druhu jako aplikovaná věda sui generis, zatímco jako moderní vědecká disciplína se systematickou teoretickou základnou se utváří teprve v posledních letech. Řada vysokých škol technického zaměření má dnes ve svých programech bioniku jako studijní obor.

Z přírody se učili při hledání, resp. vynalézání, předmětů a způsobů usnadňujících život a práci už pravěcí lidé. Zprvu šlo pouze o jednoduché napodobování hlavně tvarů z přírody a postupně se dařilo pronikat i do podstaty jevů. Tento poznávací proces pokračuje a do skonání světa neskončí. A není divu - jestliže první doložené pokusy o lidské imitování přírody se datují z doby před cca 10 tisíci lety, tak už tehdy šlo i činnost kopírující evoluční "zkušenost" přírody starou několik miliard let přírodního vývoje, tedy dávno předtím, než se fylogenezí vyvinul člověk. Výhodou pro člověka, která hodně vyvažuje jeho "zpoždění" proti přírodě, je to, že si z přírody přebírá jenom to, co se v ní během miliard let osvědčilo jako optimální a životaschopné, protože to ostatní, zcela logicky, nepřežilo a zaniklo.

PŘÍKLADY Z PŘÍRODY, KTERÉ TÁHNOU

- Žraločí kůže. Pozorujeme-li žraloka za sklem v akváriu anebo ve filmu, vidíme jej obvykle ze vzdálenosti několika metrů, a povrch jeho těla se nám zdá hladký. Přitom tomu tak není. Jeho kůže je tvořena soustavou nepravidelných šupinek, jejichž funkcí je snižovat odpor vody, takže díky nim se žralok ve vodě pohybuje velice rychle, rychleji než jiné ryby.

Tohoto systému bylo v technické praxi použito při opláštění letounu Airbus, a díky tomu se podařilo snížit hmotnost konstrukce letounu o 4 tuny, co se následně projevuje samozřejmě i na úspoře leteckého benzínu. Daného poznatku o žraločí kůži se má využít i pro pokrývání boků lodí, protože na žraločí kůži se nepřisávají drobní mořští živočichové, kteří se běžně přisávají na boky lodí ponořené pod hladinou, a zpomalují plavbu.

- Ptačí zobák. Biologové a technici si všimli toho, že mnohé druhy ptáků při dosedání na zem sklápějí hlavu v určitém úhlu. Toho bylo použito při konstrukci sklopného kokpitu např. u letounu Concorde. Smyslem sklopení ptačí hlavy se zobákem a špičky letadla je optimální využití odporu vzduchu při přistávání.

- Leknín jako inspirace. List leknínu v amazonských pralesech dorůstá do průměru přes 2 metry a unese i váhu malého dítěte. Za svou pevnost a nosnost vděčí vyztužení na spodní straně. To inspirovalo např. anglického architekta se zájmem o botaniku Josepha Paxtona k tomu, aby podobným způsobem navrhl kupoli první velké výstavní haly v Londýně, Crystal Palace. Kupole je samonosná.

- Lotosový efekt. Díky němu lze z povrchu lotosu smýt jakýkoliv prach jen s minimálním množstvím vody. Její kapky totiž k povrchu lotosu nepřilnou jako k hladkému povrchu, ale zformují se do kuliček, které do sebe pojmou nečistoty a sklouzávají z květu pryč. Jde tu tedy o zdánlivý paradox, že nečistoty se lépe odstraní z drsného povrchu než z hladkého.

Tento "samočisticí efekt" byl popsán už v roce 1977, ale začal být důkladněji zkoumán až o 12 let později, a o dalších sedm let později se podařilo vědcům Barthlottovi a Nienhuisovi vytvořit umělý povrch na stejném principu. Tohoto efektu se používá u předmětů, které jsou vystaveny obtížným povětrnostním podmínkám, při nichž se vyskytuje značné znečištění. Jedná se např. o velké skleněné plochy umístěné ve velkých výškách, které jsou tak de facto samoomyvatelné (anebo stačí počkat na déšť).

- Pavoučí hedvábí. Též se pro ně používá označení "bioocel", protože má lepší technické vlastnosti než syntetická vlákna, jsou několikrát pevnější než vlákna oceli stejné tloušťky. Další výhodou je plná biologická odbouratelnost. Nápad vyrábět takovéto vlákno vznikl z poznatku, že pavoučí síť v přírodě je natolik pevná, že dokáže zachytit i předměty o velké hmotnosti, které mnohokrát převyšují hmotnost pavoučího těla. Pevnost pavoučí sítě ve vztahu k hmotnosti drobného hmyzu, který se do ní chytá, se dá přirovnat k pevnosti sítě ve fotbalové brance - prakticky nepřichází v úvahu, že by ji i velmi prudce vypálený míč protrhl.

Označení bioocel bylo zvoleno kvůli pevnosti materiálu, a s metalurgií jinak nemá nic společného. Vlákna se vyrábějí biologickou cestou, a to z mléka geneticky modifikovaných koz. Z usazenin v nádržích pro toto mléko se získává substrát pro výrobu pavoučího hedvábí. Substrát se rozpustí ve vodě, čímž vznikne již polotovar vlákna, které se pak do finálního tvaru nastříká tryskou. Výroba se zatím děje pouze pokusně, ale uvažuje se o tom, že z těchto vláken by se mohly vyrábět např. rybářské vlasce.

- Řasy a ráfky kol. Na ráfky automobilových kol jsou kladeny vysoké nároky. Ráfky musejí zůstat stabilní a bez deformací i při vysokých rychlostech a intenzivních nárazech na kola, ale přitom nesmějí být příliš tuhé, což je zase důležité z hlediska toho, aby se příliš nezahřívaly, a z hlediska setrvačnosti. Zde si konstruktéři ráfků vzali příklad z řasy Actinoptychus a Abachnoidiscus, které jsou ploché podobně jako kola automobilů, a přitom mají vzdušnou strukturu. Konstruktéry zaujalo i to, že řasy mají radiální vyztužení, které je velice houževnaté a snese vysokou zátěž. Od řas odkoukali vývojáři dokonce i 30 výztuhových paprsků.

- Kočičí tlapka a pneumatika. Vývojáři pneumatik musejí při navrhování nových druhů obutí pro vozy řešit dilema: na jedné straně mají pneumatiky při jízdě vyvíjet nízký odpor, na druhé straně při brzdění by tento jejich odpor měl být maximální. Při řešení dilematu si vzali příklad z říše zvířat, konkrétně z toho, jak se může tvarově měnit kočičí tlapka. Když je kočka na lovu, tedy když běží či plíží se, jsou došlapové polštářky jejích tlapek úzké, a rozšíří se, když se kočka zastaví, tj. když přestane běžet nebo se plížit anebo při doskoku. Toho využila firma Continental při vývoji svých nových pneumatik "Advanced Mould Concept", které se při brzdění rozšiřují, čímž vytvářejí žádoucí odpor při kontaktu pneumatik s vozovkou.

- Lžíce bagru. Za nejschopnější hlodavce jsou považovány veverky anebo myši a ve vodě pak ježovky mořské, které dokážou v zubech rozdrtit i ulity hlemýžďů, mušlí a škeblí. Tento přírodní pochod velice zajímá všechny ty, kdo mají co dělat s obráběním materiálů a jejich drcením a těžbou. Výzkumy zjistily, že podstatou úspěšnosti zmíněných hlodavců není síla skousnutí, nýbrž geometrie skusu, a na hlodaném či drceném materiálu už záleží méně. Technici analyzovali zub ježovky mořské a podle něho zkonstruovali zuby bagru určeného pro dobývání tvrdých hornin.

- Kuličky lopuchu a suchý zip. Z procházek přírodou víme, že otřeme-li se někde na polní cestě o lopuch, může se nám stát, že nám na oděvu zůstanou přichycené kuličky s měkkými ostny, jichž se obtížně zbavujeme. Tento jev, který je v popsané situaci nepříjemný, se stal východiskem pro vyvinutí tzv. suchého zipu. Ten se dnes v oděvním průmyslu používá zcela běžně, ale původně byl vyvinut aby usnadnil rozepínání a zapínání (vlastně zalepování?) obleků pro astronauty.

Těmto příkladům z dnešní či nedávné doby ovšem předcházely jednoduché imitace prováděné lidmi odedávna, vždyť co jiného jsou kleště nebo pila než napodobení zvířecích zubů, různé vrtáky, jehly, šroubováky, náprstky anebo chrániče nebo brnění, odpozorovaná z fungování vzorů z flóry a fauny.

MEZITITULEK: APLIKACE V AUTOMOBILKÁCH A STAVEBNICTVÍ

Nejvíce dosavadních aplikací bioniky se zatím realizuje v automobilovém průmyslu a ve stavebnictví a tam také probíhá většina bionických vývojových projektů, o nichž však zatím není z pochopitelných důvodů mnoho podrobnějších zpráv. Nicméně z obecného hlediska jde např. o vývoj bionicky koncipovaných spojovacích a těsnicích hmot pro lehké stavby, střechy krytých parkovišť, mostové přechody pro chodce a jiné stavby (Schweizer Prospective Concepts AG ve spolupráci se švýcarským ústavem pro zkušebnictví). Membrány vnitřních stěn těchto staveb jsou jištěny polyuretanovou pěnou.

Imituje se přitom přirozený způsob regenerace tropických lián: jestliže je liána poškozena např. naříznutím, během několika minut se na postižené místo stečou buňky z jiných míst stromu a ránu zacelí. Podobně tomu bude s membránami polyuretanové pěny u zmíněných staveb: pokud dojde v membráně k trhlině, polyuretanová pěna svým přetlakem trhlinu zaplní. Dosavadní testy proběhly úspěšně - otvory o šířce až 5 milimetrů při řešení s pěnou unikal vzduch až tisíckrát pomaleji než membránami bez pěny.

Velkým zájemcem o bionické poznatky jsou dnes kromě automobilek, stavebních podnikatelů a strojařů i výrobci sportovních potřeb a předmětů pro volný čas.

NEJDE O VNĚJŠÍ NÁPODOBU, NÝBRŽ O POCHOPENÍ PRINCIPU

Nejnápadnější na výtvorech přírody je samozřejmě to, co je vidět. Napodobit tvary je pro člověka to nejjednodušší a samozřejmě takto také přenášení nápadů z přírody začínalo a i dnes začíná.

Ale kopírování samotných forem a geometrie nestačí. Jde totiž o pochopení a zvládnutí principu. Jako příklad si uveďme slavného Leonarda da Vinci, který bývá považován za průkopníka či praotce dnešní bioniky. Ten jak známo sestrojil létací aparát, křídelník, což byla soustava křídel, které si člověk upevnil na obě paže. Ke konstrukci křídelníku dospěl poté, co prostudoval křídla velkého množství ptáků, které si nakoupil. Nicméně i když pak mával pažemi, podobně jako pták mává křídly, létání se nekonalo. V tomto případě veliký polyhistor neuspěl.

Problém létání se pak podařilo vyřešit až Otto Lilienthalovi, který dospěl k poznatku, že má-li se křídlo vznést, tj. má-li dojít ke vztlaku, křídlo musí mít klenutou plochu, což je poznatek, který se při konstruování a výrobě letadel používá dodnes.

Ale nedosti na tom: pokud jde o letadlo, zjistilo se, že perutě ptačích křídel nejsou dekorací, nýbrž že usnadňují stabilizaci ptačího těla při letu a při dosedání na zem či na větve. Toto bylo potvrzeno také počítačovými simulacemi. Proto jsou také konce křídel u některých typů letounů ohnuté, resp. jakoby "ohrnuté".

Řadu řešení z přírody již člověk uplatnil (některá snáze, jiné obtížněji), o využití a převzetí stále se rozšiřujícího množství poznatků z přírody pro účely techniky a společnosti se dále snaží. Tento proces je možno charakterizovat ale i z hlediska rostoucí aktivity či zvídavosti lidí: stále častější jsou situace, kdy v případě, že technici a vývojáři narazí na nějaký těžko řešitelný problém, uchylují se ke hledání řešení v přírodě. To je trend silně patrný od počátku 90. let minulého století, kdy se také začaly utvářet systémové základy bioniky jako moderní teoretické i aplikované vědní disciplíny.

Nejde o mechanické kopírování, nýbrž o využití podstaty jevu. Proto je nutno, aby kromě pozorovací schopnosti měl člověk, zabývající se přenášením podnětů z přírody do techniky, také důkladné znalosti přírodních věd a z nauky o materiálech, ale požadují se také znalosti výrobních technologií a ergonomie. Jde totiž o to, že řešení, která se navrhují podle přírody, se musejí realizovat ve výrobě a musejí přinášet výhody a ulehčení lidem, ať už jako uživatelů těchto řešení v průmyslu anebo konečným uživatelům v domácnostech.

A samozřejmě nelze opomenout ani nutnost znát aspoň v základních rysech teorii designu.

NEJSCHOPNĚJŠÍ NEROVNÁ SE VŽDYCKY NEJSILNĚJŠÍ

Bionika nahlíží na bohatství přírody a rozmanitost předmětů, tvarů v ní jako na obrovskou škálu multifunkčních materiálů a řešení. Platí samozřejmě to, co zde už bylo výše uvedeno, totiž že v přírodě se, jak to vystihl už Darwin, prosadí to nejschopnější. Avšak dnešní bionikové upozorňují na to, že termín "nejschopnější" není správné chápat jako: nejlepší, nejrychlejší nebo nejsilnější, nýbrž jako označení pro toho tvora či předmět, který se nejlépe adaptuje na své okolí, prostředí. Proto mnohé silné a rychle pohybující se živočišné druhy vyhynuly a zůstaly jiné, sice pomalejší a slabší, zato přizpůsobivější. A toto platí i pro průmyslové výrobky a technologie.

"3 F"

Kromě toho, jak tvrdí nové poznatky bioniků, v přírodě platí zásada 3 F, čili "form follows function", což znamená že určitý tvar - tedy to, co na přírodním výtvoru z flóry či fauny padne do oka nejdříve - se vyvíjí až z funkce, která je vždy primární. Na toto při přejímání inspirace lidé mnohdy zapomínají, a nejenom designéři. Příroda oplývá mnoha jevy a podněty, které na člověka působí navýsost esteticky a příjemně, např. nejrůznější květiny nejen z tropického, ale i mírného pásma zeměkoule, anebo nádherné zbarvení levhartí kůže a celý tvar tohoto predátora, ale vždy je nutno studovat, proč je vzhled a tvar těla toho kterého zvířete takový, prostě jít k podstatě.

ZNEUŽÍVÁNÍ BIONIKY V ZÁJMU DESIGNU?

Kdyby mělo být výsledkem bionických aplikací do moderní výroby a celého společenského života jenom přenášení estetických motivů z přírody, tedy pouhé zkrášlování dnes vyráběných předmětů, bylo by to málo a byla by to nesprávná cesta, tvrdí např. dr. Werner Nachtigall, jeden z nejvýznamnějších představitelů bioniky v Evropě.

Tento odborník varuje před zploštěním, změlčováním deformací a komercionalizací bioniky, která je dnes těmto nebezpečím vystavena současně s tím, jak se začíná stále více aplikovat a jak se stává módní záležitostí, bohužel spíše v horším smyslu tohoto slova.

Prakticky to znamená, že bionikou se začínají ohánět nejrůznější experimentátoři orientující se na moderní design, přičemž však mnohdy dobře neovládají ani zásady designu. Nejde přece, jak říká Nachtigall, aby se moderní předměty za každou cenu podobaly nějaké předloze v přírodě, nýbrž o funkčnost. Jako příklad toho, kudy by se aplikace bioniky v průmyslu neměla ubírat, uvádí příklad jedné německé automobilky, která nedávno přišla s automobilem označovaným jako "Bionic Car", přičemž vývojáře k aerodynamickému tvaru vozu údajně inspiroval dosti neobvyklý tvar těla jedné mořské ryby. Protože tato ryba rychle pluje, domnívají se konstruktéři, že vůz, který svým designem kopíruje některé její tvary a křivky, bude lépe rozrážet vzduch na silnicích. Jde však podle Nachtigalla jenom o nepříliš seriózní marketingový tah.

MATERIÁLOVÁ ÚSPORNOST

O tom, do jaké míry ten který výrobce propagující svůj nový produkt jako bionický, skutečně může dostát kritériím této nové disciplíny, se sice těžko může přesvědčit běžný spotřebitel, zato odborník to může zjistit lehce. Bionika totiž dospěla mj. k tomuto poznatku o fungování přírody, pokud jde o zacházení s materiálem: k tomu, aby mohl růst a fungovat určitý mechanismus anebo tvor, je zapotřebí určitý zdroj, určitý materiál, ale nikdy ne více.

Jinak řečeno, materiálu a zdrojů je zapotřebí co nejméně, podle toho, jak si to vyžaduje funkce a prostředí, v němž předmět anebo tvor stojí anebo žije. Prakticky to znamená, že strom vyrůstá tenký na místech, kde nepotřebuje být silný, a že má silnější kmen tam, kde musí odolávat větru. Podobně je to s kostmi v těle zvířat anebo lidí - jejich hmota se zeslabuje, odbourává tam, kde je na ně kladen malý tlak, nízká zátěž (např. při dlouhodobé nepohyblivosti či upoutání na lůžko), a při zvýšené zátěži je tomu naopak.

Jenže u mnohých výrobců odvolávajících se na bionické přístupy tomu tak není. Mnozí, např. výrobci automobilů, se sice snaží o snížení hmotnosti vozů, ale často tomu tak není po důkladné analýze funkčnosti těch kterých součástí vozů s přihlédnutím k bionickým aspektům. Výsledek? Někde se materiálu v součástkách nedostává, u jiných součástek se jimi plýtvá.

SOFTWAROVÁ OPTIMALIZACE

Tento problém se naštěstí už řeší (protože už stačil narůst do dimenzí, kdy bylo nutno s ním něco dělat). Proto je součástí bioniky také tzv. bionická optimalizace, která analyzuje vozy a posuzuje jejich vývoj i z tohoto aspektu. Optimalizaci provádějí výrobci aut, jako jsou BMW, Opel a DaimlerChrysler, ale také koncern pro přípravu vesmírných letů a letectví EADS. Kupř. BMW se na základě bionické optimalizace vrátil k vývoji ráfku stroje K 1200 S, který byl nově vyvinut s bionicky pojatými paprskovitými (radiálními) výztuhami. U Opela zase tímto způsobem bylo optimalizováno uložení motoru.


Pokud jde o seriózní přístup k bionice a poctivou snahu o získávání poznatků a podnětů z přírody, které mohou posloužit lidem, nabízejí se stále veliké možnosti, jak pro konstrukci dokonalejších nástrojů a výrobních zařízení, tak pro vývoj nových materiálů a technologií. Velmi mnoho podnětů, dosud ne důkladně prozkoumaných, totiž poskytuje např. pohyb tučňáků, jejichž vřetenovitá těla se ve vodě pohybují, prakticky aniž kladou odpor vodě, anebo systémy pohybu různých druhů hmyzu z hlediska úspornosti a funkčnosti tohoto pohybu, růst stromů anebo růst kostí v tělech živých organismů, anebo komunikace mezi delfíny atd. Hodně společného zde bionika má samozřejmě s mikroorganismy, s biotechnologiemi a s nanotechnologií. Velkým pomocníkem při formulování bionických přístupů a konkrétních výzkumech a simulacích jsou samozřejmě IT, podobně jako ve všech ostatních teoretických i aplikovaných vědách.

AUTOR: Ing. Stanislav Kahuda


Související články


Poslední diskuse k článku - 0 příspěvků celkem

přidej nový příspěvek

Zatím žádný příspěvek
můžete na tento článek reagovat jako první...


EnviWeb s.r.o. neručí a nenese zodpovědnost za obsah diskusních příspěvků, diskuse nemoderuje ani nerediguje. Diskusní příspěvky vyjadřují názor jejich autorů. EnviWeb s.r.o. si vyhrazuje právo odstraňovat diskusní příspěvky, a to zejména takové, které odporují dobrým mravům, porušují platné zákony ČR, poškozují dobré jméno serveru nebo obsahují neplacenou reklamu. Diskuse NEJSOU určeny pro dotazy na autory článků nebo redaktory EnviWebu.



Search
ZmapujTo.cz
Fandíme EnviWebu
Výrobky a služby pro životní prostředí
Výrobky a služby pro životní prostředí
Partnerské časopisy
<< Předchozí Následující >>



Doporučujeme: Ekologove.cz - ekologie v každodenní praxi, EnviMarket.cz - nabídka výrobků a služeb, ZmapujTo.cz - hlášení podnětů od občanů, Nazeleno.cz - úspory energie, Inspirace v bydlení, Cena elektřiny, Dřevěné brikety, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo, Palivové dřevo


Enviweb s.r.o. využívá zpravodajství ČTK, jehož obsah je chráněn autorským zákonem.
Přepis, šíření či další zpřístupňování tohoto obsahu či jeho části veřejnosti,a to jakýmkoliv způsobem, je bez předchozího souhlasu ČTK výslovně zakázáno.
Copyright (2008) The Associated Press (AP) - všechna práva vyhrazena. Materiály agentury AP nesmí být dále publikovány, vysílány, přepisovány nebo redistribuovány.
Toplist