Człowiek może się od natury wiele nauczyć

Mądrość natury
Człowiek zawsze czerpał wiedzę z natury. Samolot, zapięcie na rzepy czy minimalizujący opory kombinezon nurka oraz inne rozwiązania techniczne to chrzestne dzieci natury. Także w MANN+HUMMEL od lat trwają prace nad wykorzystaniem biologii w rozwiązaniach technicznych. Kiedy Leonardo da Vinci ok. roku 1500 prowadził badania nad odwieczną tęsknotą człowieka – możliwością latania, przeniósł na papier szkice pierwszych konstrukcji latających, śmigłowców i spadochronów. Ten malarz i naukowiec czerpał inspiracje ze studiowania lotu ptaków. Nie inaczej było w przypadku niemieckiego konstruktora maszyn Otto Lilienthala, który cztery wieki później skonstruował swój ślizgowy statek powietrzny, który w roku 1891 zapisał się w historii jako pierwszy dający się reprodukować szybowiec. Lilienthal obserwował najpierw dokładnie naturę, studiowal aerodynamikę skrzydeł bocianów i naśladował ich rozstawienie, zanim zastosował je odpowiednio w skrzydłach szybowca, przyczyniając się do rozwoju lotnictwa.

Pionierzy bioniki
Dzisiaj da Vinci i Lilienthal uważani są za pionierów nowej dyscypliny naukowej, która postawiła sobie za zadanie systematyczne rozwiązywanie tajemnic natury i wykorzystywanie ich do tworzenia technicznie lepszych konstrukcji. Ponieważ nauka ta łączy dwie dyscypliny, biologię i technikę, stąd powstała nazwa bionika. Biologia dostarcza wiadomości o systemach biologicznych, technika zaś pozwala przekształcić je w wiedzę na temat praktycznych rozwiązań. Profesor Werner Nachtigall, jeden z najbardziej znanych bioników w Niemczech, tak podsumował zadania tej nowej dyscypliny: “Zajmować się bioniką, to czerpać wiedzę z zasad konstukcyjno--technologicznych i ewolucyjnych pochodzących z natury, dla pozytywnego wykorzystania jej dla człowieka, natury i otoczenia”. Aktualne znaczenie tej dziedziny nauki dla przyszłości miało swoje odzwierciedlenie w mottcie niemieckiego stoiska na Expo 2005 w Japonii: “Mądrość natury.” Za pomocą bioniki Niemcy zaprezentowali się jako kraj technologicznych kompetencji, zdobyczy techniki i intensywnych badań naukowych.

Wielostronnie korzystny efekt kwiatu lotosu
Wskazówką potencjału kryjącego się w bionice jest już wielość rozwiązań, które w ostatnich latach pojawiły się w naszym codziennym życiu. Do najbardziej znanych efektów bioniki należy efekt kwiatu lotosu, który niektórzy znają z reklamy. Lotos jest w Azji symbolem czystości, ponieważ płatki jego kwiatu wyłaniają się z mułu akwenu i rozkwitają w nieskazitelnie czysty sposób.
- Samooczyszczanie optymalnie mikrostrukturalnych powierzchni znacznie ogranicza powierzchnię kontaktową tak, że brud i zarodki nie przyczepiają się i są stale usuwane przez deszcz – wyjaśnia dr inż. Matthias Teschner, który zajmuje się w MANN+HUMMEL bioniką. Efekt ten wykorzystywany jest między innymi w samooczyszczających się farbach fasadowych. Również wysoko lepne płyny, jak np. miód, mogą oczyszczać antyprzyczepne powierzchnie bez pozostawiania jakichkolwiek resztek zanieczyszczeń. Można wyobrazić sobie wykorzystanie tego efektu w MANN+HUMMEL, np. do tego, aby wzorcowe pokrywy lub obudowy filtrów powietrza w obrębie silnika nie brudziły się tak mocno lub pozwoliły się łatwo czyścić podczas mycia silnika. Tego rodzaju możliwości zastosowań są w tej chwili w fazie projektu badawczego razem z Instytutem Tworzyw Sztucznych w Lüdenscheid.

W jaki sposób gekony biegają po suficie?
Innym efektem bioniki jest noga gekona, która pozwala małym jaszczurkom poruszać się po pionowych gładkich ścianach. Duży palec u nogi pokryty jest najeżoną szczeciną składającą się z pół miliona włosków, z których każdy dzieli się na tysiące nanowłosków. Ta ich liczba i istniejące między nimi siły przyciągania wystarczają, aby zwierzę utrzymało się na ścianie. Chodzi tu także o słynne siły van der Waalsa, które prowadzą w filtracji do odkładania się cząsteczek zanieczyszczeń na włóknach. Techniczne wykorzystanie właściwości nogi gekona doprowadziło do stworzenia swoistego rodzaju taśmy klejącej, za pomocą której człowiek tak jak Spiderman może zawisnąć na jednej ręce pod sufitem. Jest to swego rodzaju zapięcie rzepowe, które pracuje nie na zasadzie włókna czy haczyków, ale opiera się na zasadzie działania sił elektrostatycznych. Według dr Matthiasa Teschnera na podstawie tych przykładów można odczytać postępy bioniki. Tak jak w przypadku pierwszych zastosowań bionicznych da Vinci czy Lilienthala “ mniej lub więcej kopiowane były próby z natury, bez szczegółowej wiedzy, co się za tym kryje”, tak w przypadku lotosu czy nogi gekona chodzi o analizę systemu biologicznego dla zrozumienia podstaw i przeniesienia ich do systemu technicznego.

Nić pajęcza
– lekka, elastyczna i odporna na rozerwanie
Z największą uwagą bionicy badają sztukę budowy nici pajęczych. Jej włókna są elastyczne i odporne na zrywanie oraz mają właściwości, które są niezbędne w technice. Włókna pajęczyny, przy uwzględnieniu wagi, mają pięciokrotnie wyższą wytrzymałość aniżeli stal i to przy wydłużeniu do 40 proc.
- To jest zdumiewające – ocenia dr Teschner. - Mamy tu do czynienia z kombinacją właściwości, które są ekstremalnie interesujące dla techniki. Duża wytrzymałość przy wysokiej podatności i rozciągliwości. Dodatkowo naukowcy z zakresu techniki materiałowej pracują obecnie nad tym, aby te składające się z protein nici produkować sztucznie. Jeżeli ten punkt zostanie dopracowany, to efektem będą niepojęte możliwości wykorzystania ich w medycynie czy też produkcji nowych tworzyw.

Filtry powietrza z płynnego drewna
Temat, który może być interesujący dla firmy MANN+HUMMEL to płynne drewno. To termoplastyczne tworzywo ma tę zaletę, że składa się z całkowicie odbudowującego się surowca – ligniny. Jako produkt uboczny przemysłu papierniczego gromadzi się go rocznie na świecie w ilości ok. 50 milionów ton. W niektórych właściwościach tworzywo to porównywalne jest z termoplastycznymi tworzywami sztucznymi, jak np. polipropylen i może być wykorzystywane w samochodach do okładzin lub w zmodyfikowanej formie do systemów filtracji powietrza. Jednak problem stwarza jeszcze odporność na materiały robocze i wysokie temperatury w obrębie silnika. – Z pewnością nie jest już daleka droga do produkcji filtrów powietrza z płynnego drewna. Musimy jednak zająć się tym tematem bliżej i zbadać, jak w przyszłości przy nowo pojawiających się surowcach odejść od olejów mineralnych – uważa dr Teschner.

Przez kopiowanie i śledzenie zasad natury udało się bionice znaleźć kilka robiących wrażenie rozwiązań. Jednak natura ma o wiele więcej do zaoferowania – wykorzystanie zasad samej ewolucji.