Artykuły
Jak żywe
PC Format 10/2018

Rozwijając technologie przyszłości, inżynierowie często korzą się przed Matką Naturą. Co rusz okazuje się, że ukształtowane tysiącami lat ewolucji rozwiązania znane ze świata roślin i zwierząt przydają się także nowoczesnej cywilizacji. Michał Amielańczyk

Naturalna optymalizacja


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.

Robozwierzaki


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.



Zobacz również