TEMA BROJA
Dr Ana Paunović
Biotehnologija / Inovacije inspirisane prirodom
I živo i neživo je “živo”
Priroda je već rešila mnoge tehnološke zagonetke - sve što treba je da učimo od nje. Jaz koji nas odvaja od prirode postupno se smanjuje. Biomimetika (biomimikrija) je naziv za kombinaciju nauka biologije, hemije, matematike i fizike u cilju proučavanja struktura i funkcija bioloških sistema kao modela za konstruisanje raznih sistema i materijala u tehnologiji. Živi organizmi su, preko prirodne selekcije, razvili dobro prilagođene strukture i materijale tokom vremena.
Biomimetika predstavlja imitaciju modela, sistema i elemenata prirode u svrhe rešavanja složenih ljudskih problem, koja je dala vetar u leđa razvoju novih tehnologija inspirisanih imitiranjem i reprodukovanjem rešenja iz prirode, i na makro nivou i na nanoskali. Biomimetički dizajn ima primenu u poljoprivredi, arhitekturi, građevini, transportu, modi i mnogim drugim oblastima. Priroda već ima brojna rešenja za mnoge od najvećih tehnoloških zagonetki iz oblasti hemije, proizvodnje energije i hrane, transporta, ambalaže.
Čovek je od davnina bio inspirisan prirodom, ali je tek u 20. veku skovao termine koji opisuju imitaciju prirode u tehnologiji. Američki pronalazač Oto Šmit je transfer ideja od biologije ka tehnologiji nazvao biomimetika, a termin bionika smislio je 1960. psihijatar i inženjer Džek Stil, opisujući „nauku sistema čije su neke od funkcionalnosti preslikane iz prirode“. Međutim, ovaj termin je vremenom počeo da označava upotrebu veštačkih delova tela kojima se elektronski upravlja, kao i povećanje ljudske moći zahvaljujući upotrebi takvih pomagala (natprirodna snaga).
Novo polje koje koristi biomimetici je i robotika. Radi omogućavanja robota da hodaju, plivaju i lete, inženjeri često prvo pogledaju veličanstveni dizajn prirode da bi razumeli kretanje i mogućnosti kretanja. Umesto bionike, počev od osamdesetih godina 20. veka uglavnom se govori o biomimetici, nauci i tehnologiji koje, inspirisane prirodom, pokušavaju da reše probleme čovečanstva.
Leonardov pokušaj letenja
Da Vinči je bio fasciniran prirodom. Proučavao ju je i pokušavao da je imitira, ispitujući njene zakone. Bio je fasciniran letenjem pa je tokom života napravio ogroman broj studija o anatomiji ptica i načinu na koji uspevaju da lete. U svojim sveskama, Leonardo da Vinči crtao je najrazličitije mehaničke životinje, uključujući ptice, viline konjice, pa čak i mehaničkog čoveka-viteza. Za većinu njegovih nacrta, mnogo kasnije, utvrđeno je da ih je bilo bilo nemoguće konstruisati tako da te mašine budu funkcionalne.
Smatra se da je Leonardo prvu leteću mašinu nacrtao 1490. godine. Bila je to ogromna letelica koja je podsećala na slepog miša. Da bi se pokrenula krila, letač je morao da koristi i ruke i noge. Iako znamo da letelica nikad nije napravljena, ovo je za to doba bilo neverovatno dostignuće i inspiracija za brojne druge pokušaje. Neke od ovih mašina konstruisane su po Da Vinčijevom nacrtu. Pojedine mašine su se pokazale kao vrlo uspešne, dok su druge bile neupotrebljive. Ornitopteri, letelice sa krilima koja tokom letenja prave pokrete nalik pticama, nisu samo maštarija iz davnina, starija i od Leonarda, već se izrađuju i u 21. veku.
Ljudi koji se bave pronalazaštvom inspirisanim prirodom posmatraju svet oko sebe pokušavajući da shvate kako funkcioniše, da uoče obrasce, sisteme, oblike, boje. Biomimetici je veoma doprineo razvoj tehnologije mikroskopa koji je uveličao predmete merene nanometrima, kamere koje mogu kvalitetno da snime i reprodukuju nekada okom nevidljive događaje.
„Mačije oči“
Primera biomimetike u poslednjih nekoliko decenija ima mnogo Jedno od najpoznatijih su katadiopteri, poznatiji kao „mačije oči“, koje su dobile izuzetno rasprostranjenu upotrebu. Prvi uređaj koji radi kao katadiopter je izumeo Henri Šretjan, u Nici 1917. Godine. Patentirao ga je 1923. godine. Uređaj je napravljen za komunikaciju tokom koje neprijatelj ne može da presretne poruke.
Henri Šretjan je inspiraciju za svoj izum našao u prirodi. Mačke i još neke životinje u oku imaju poseban reflektivni sloj. Mačje oko je zapravo proporcionalno veće od ljudskog oka i poseduje sloj čestica s velikom sposobnošću refleksije, poznate kao tapetum lucidum. Kombinacija ovih čestica i većeg oka omogućava mački da bolje vidi pokrete i objekte u mraku. Tapetum lucidum smešten je između optičkog nerva i rožnjače i ponaša se kao ogledalo, reflektujući svetlo i omogućavajući oku da uhvati maksimum dostupne svetlosti.
Katadiopteri se u saobraćaju najviše koriste u sledećim bojama: crveni katadiopteri - po konvenciji crveni katadiopteri se nalaze na zadnjem delu vozila, beli katadiopteri - na prednjoj strani velikih vozila (kombija, kamioni i sl) i narandžasti katadiopteri - obično sa strane vozila i na pedalama na biciklu.
Geko traka
Poznati primer biomimetike je „geko traka“. Ideja za traki pozajmljena je od gmizavca gekona, čije nožice sa donje strane prekrivaju milioni mikroskopskih dlačica. Na razvoju ove trake još se radi, a cilj naučnika je da stvore materijal sa usmerenim prianjanjem, koji bi se lepio i na glatku površinu, ali koji bi prestao da prianja ukoliko se promeni smer prianjanja, odnosno kontaktni ugao sa podlogom.
Stopice i ventilator
Jedna kompanija dizajnirala je laptopa iz prestižnih serija pažljivo posmatrajući životinje. Na primer, stopice od laptopa, koje služe da uređaj ne klizi sa stola, napravljene su kao jastučići nalik mačijoj šapi, dok su pera na ventilatoru napravljena u obliku koji podseća na krila sove, ptice koja leti gotovo bešumno.
Spašavanje ptica
Procenjuje se da u Evropi više od 250,000 ptica dnevno ugine usled sudara sa prozorskim staklom. Ptice nemaju sposobnost da uoče ova stakla i, nesvesne opasnosti, pokušavaju da prolete kroz njih. Da bi rešila ovaj problem, jedna nemačka kompanija je dizajnirala posebno staklo pod imenom „Ornilux”, staklo sa premazom koji reflektuje ultraljubičaste zrake, što omogućava pticama da ga vide. Ljudskom oku ovaj dodatak je skoro neprimetan. Istraživanja su pokazala da 76% ptica uspe da izbegne ovo posebno staklo. Inspiracija za „ Ornilux” potiče od UV-reflektujućih paučinastih niti koje neke vrste paukova koriste za pletenje svojih mreža. Na ovaj način, paukovi istovremeno privlače neke insekte i odbijaju veće životinje koje bi mogle da unište njihovu mrežu. |
Čičak traka
Čičak traku je četrdesetih godina prošlog veka smislio Švajcarac Žorž de Mestral, čovek koji je redovno posle šetnji čistio svog psa od čičaka. Posle jedne jedne duže šetnje po Alpima, skinuo ih je sa psa i stavio pod mikroskop: video je gomilu kukica i petlji koje su se mrsile u bilo koju mekšu površinu. Trebalo mu je par godina da patentira proizvod, ali danas, zahvaljujući tome, sasvim mala deca mogu lakše sama da se obuvaju, i nebrojeno drugih proizvoda u svom sastavu ima čičak traku.
Biomimetika u arhitekturi
Biomimetika je veoma zanimljiva arhitektama. Nije reč samo o imitaciji oblika iz prirode, kao na primer očiju insekta, košnice pčele i slično, nego o tome da je priroda inspirisala i način na koji se projektuje i materijale koji se koriste u gradnji, kao i tzv. „zelenu gradnju“. Jedan od najinteresantnijih primera biomimetike u arhitekturi je velika zgrada nazvana Istgejt centar.
Ovaj objekat sagrađen u Zimbabveu ima ventilacioni sistem projektovan na osnovu onoga koji grade termiti u svojim humkama. Naučnici su primetili da termiti uspevaju da u svom gnezdu održe stalnu temperaturu i vlažnost, iako spoljna temperatura može da varira od 0 do 40 stepeni Celzijusa. Suočen sa problemom skupog i neefikasnog održavanja prijatne temperature u zgradi u Harareu, arhitekta Mik Pirs došao je na ideju da izgradi šoping centar i poslovni kompleks po uzoru na termitnjak. Tako je nastao „Istgejt” centar. Termitnjaci imaju složenu strukturu sa mnoštvom kanala koji promovišu protok vazduha te poboljšavaju termoregulaciju. Po uzoru na njih, „Istgejt” centar je izgrađen od materijala visokog toplotnog kapaciteta koji čuvaju i oslobađaju toplotu primljenu od okoline. Unutar ove građevine, sistem ventilatora u ciklusima potpomaže skladištenje toplote tokom dana, kao i oslobađanje toplote tokom hladnijih, noćnih sati. Takođe, toplota uređaja i stanara zgrade podstiče protok vazduha kroz unutrašnje prostorije, uzdižući se od nižih spratova prema otvorenim krovnim dimnjacima. Brojni otvori na zgradi doprinose pasivnom protoku pod dejstvom spoljašnjih vetrova. Zbog ovakvog dizajna, „Istgejt” centar troši manje energije od uobičajenog kompleksa iste veličine. Bez obzira na spoljnu temperaturu, unutrašnjost zgrade uspeva da održi svežinu bez sistema veštačke klimatizacije.
Biološke kapsule
Godišnji gubici prinosa voća i povrća usled gljivičnih infekcija biljaka procenjuje sa na 25% pa se postavlja pitanje: kako sačuvati četvrtinu ove dragocene hrane i istovremeno izbeći rizike koje donose široko korišćeni veštački fungicidi. Jedna turska kompanija našla je odgovor. Poznato je da neke biljke, na primer origano, izlučuju supstance koje imaju antifungalna svojstva, te se mogu smatrati prirodnim fungicidima. Donedavno nije bilo poznato kako ih efikasno upotrebiti na drugim biljkama zato što se one razgrađuju pod uticajem spoljašnjih faktora. Istraživači su ovaj problem prevazišli tako što su ekstrahovali mnoštvo tih supstanci i spakovali ih u male, biološke kapsule. Na ovaj način, kapsule ih štite i omogućavaju im da se prikače za površinu biljke. Ukoliko gljiva napadne biljku, pH vrednost njene površine se snižava, što predstavlja signal za kapsulu da se dezintegriše i oslobodi svoj sadržaj, koji ubrzo suzbija infekciju. Sem što je zdravija od veštačkih fungicida, ovo se pokazalo i kao efikasniji metod za očuvanje voća i povrća. |
Ajkule kao inspiracija
Ajkule su primer evolucije koja traje preko 400 miliona godina, podstičući strah, znatiželju i snimanje filmova. Tajna njihovog dugog trajanja je biomimetika. Naime, koža je prekrivena krljuštima i time je otporna na mikroorganizme i smanjuje otpor sredine tokom plivanja. Kupaći kostim “fast skin” napravljen je kao imitacija kože ajkule, a struktura kože ove životinje bila je inspiracija za nove materijale kojima se oblažu superbrzi brodovi.
Inženjer na Univerzitetu Florida, Antoni Brenan ističe da sve ajkule imaju krljušt koja se preklapa. Njihova je površina toliko gruba da ne dozvoljava bakterijama da se nastane. Njegova kompanija imitira tu jedinstvenu strukturu koja sprečava razvoj bakterija na medicinskim aparatima i površinama. Ova struktura je i osnova za farbarski premaz u Institutu za istraživanja u Nemačkoj. Prema inženjeru Volkmaru Stencelu, ovaj premaz bi mogao da pomogne avionima i brodovima u štednji goriva. Ako se proizvodnja uspešno nastavi, ovaj premaz bi mogao da poveća i efikasnost vetrenjača.
Ajkule imaju i osobinu elektroprijema - zahvaljujući nizu rupica koje kupe slabe vibracije i otkrivaju elektromagnetna polja, kao i majušnim termo-osetljivim kapsulama na bradi i obrazima ispunjenim gelom neobičnog sastava. Na Univerzitetu u San Francisku razvijen je sintetički gel sličnog sastava sa takvim termoelektričnim osobinama. On bi mogao da posluži za konvertovanje viška toplote sa motora automobila ili neke mašine u struju.
Zapaženo je i da ajkule veoma retko dobiju kancer, pa se sada radi na ekstrakciji supstanci koje bi možda mogle da pomognu u borbi protiv raka. Jedno vreme kozmetička industrija prodavala je skvalin, supstancu ekstrahovanu iz jetre ajkule. Proizvod je korišćen kao sredstvo za održavanje vlage u koži. Međutim, zbog vrlo lošeg uticaja na životnu sredinu, danas se slična supstanca, sa istom ulogom u kozmetičkoj industriji, proizvodi iz biljnih šećera.
Nanoskopski nivo
Istraživači se služe elektronskim mikroskopim, mikrotomografijom i sve bržim računarima da bi zavirivali sve dublje u tajne prirode na mikroskopskim i nanoskopskim nivoima. Raste broj naprednih materijala koji imitiraju prirodne strukture.
Vrsta leptira Morpho menelaus odlikuje se krilima plave boje. Kada se uvećaju krila ove vrste, primeti se da ova obojenost ne potiče od pigmenata već od miliona naslaganih nanostruktura koje reflektuju plavu svetlost, a ostale talasne dužine svetla propuštaju. Ovaj fenomen poznat je kao strukturna obojenost. Na osnovu nje, hemičari u u nekim zemljama razvijaju optičke premaze izgrađene od sintetičkih polimera (uglavnom poliakrilata i poliestera). Ovi polimeri se, po nanošenju na površinu, uređuju u nanostrukture koje reflektuju svetlost željene talasne dužine. Ovako se prave bezbednija sredstva za bojenje koja ne sadrže toksične supstance koje možemo naći u tradicionalnim farbama, a među kojima su neke čak i kancerogene. Do sad su razvijene nijanse ultraljubičastog, vidljivog i bliskog infracrvenog dela spektra, prilagođene za raznovrsnu upotrebu – od boja za automobile i lakova za nokte do toplotno-reflektujućih premaza koji bi mogli da smanje potrebu za korišćenjem klima uređaja.
Keramički materijali su poznati po tome što su tvrdi i laki, ali i veoma krti. Zbog toga, naučnici koji se bave materijalima pokušavaju da imitiraju prirodne materijale koji su i jaki i otporni. Pažnju su posvetili poroznom ali otpornom prirodnom materijalu - sedefu. Sedef, poznatiji kao biserna školjka, je organsko-neorganski kompozitni materijal koji se javlja kod mekušaca, kao unutrašnja ljuska. On je čvrst i elastičan materijal prepoznatljive boje. Strukturu sedefa čine heksagonalne ploče aragonite, jedna forma kalcijum karbonata, širine 10-20 μm i debljine oko 0,5 μm, koje su uređene paralelno. Između slojeva se nalazi organski elastični biopolimer. Kombinacija krtih ploča i tankih slojeva elastičnog biopolimera čine sedef jakim i otpornim, sa modulom elastičnosti 70 GPa. Naučnici su razvili metod za proizvodnju materijala koji su nalik sedefu. Novi keramički materijal, koji svojom strukturom podseća na strukturu sedefa, napravljen je od blisko pakovanih ploča alumine, istih dimenzija kojih su i ploče sedefa (debljine 500 nm i prečnika 7 nm). Ploče se ređaju dužinom, a između njih se ubacuju nanočestice alumine koje imaju ulogu spona između ploča. Ovi materijali imaju osobine slične metalnim legurama i spadaju u najotporniju keramiku koja je proizvedena do sada. Materijali ovakvih svojstava mogli bi da nađu primenu u proizvodnji energetski-efikasnih zgrada i lakih ali otpornih automobilskih struktura.
Puž abalone stvara svoju ljušturu od kalcijum karbonata, iste materije od koje je građena i meka kreda. Pa ipak, raspoređivanjem tog materijala u zidove od nanoskopskih cigala suptilnim delovanjem belančevina, puž sebi izgrađuje štit čvrst poput kevlara koji je 3.000 puta tvrđi od krede.
Treba naglasiti da, kad naučnici naprave kompozitni materijal, osobine tih materijala su obično slične osobinama pojedinačnih konstituenata<, međutim, za razliku od veštačkih kompozita, prirodni kompoziti poseduju mnogo bolje osobine od pojedinačnih konstituenata koji ih sačinjavaju.
Dr Ana Paunović
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
