Élőlények a mérnökök szolgálatában

Miért nem esik le a gekkó a plafonról? Mi köze a bálnák úszóinak a szélerőművekhez és a jégmadaraknak a japán Sinkanszen szupervonatokhoz? Az élővilágban rengeteg olyan megoldás született az evolúció évmilliói folyamán, amelyekre az ember sokáig csak irigykedve tekintett. A mérnöki tudomány mára elérte azt a szintet, hogy képessé vált lemásolni és felhasználni a természet találmányait. Korábban az élőlények ihlette ruhákat és páncélokat mutattuk be. Most számos további találmányt sorakoztatunk föl, amelynek ötletét az élővilágból vették át a tervezők.

Az élőlények "mérnöki célú" tanulmányozásával a biomimetika (lásd keretben) tudománya foglalkozik. Korábbi cikkünkben bemutattuk, milyen "találmányokkal" segítették az állatok és a növények a ruházkodásunkat, illetve a sérülések elleni védelmünket. Az élőlényektől átvett ötletek azonban az élet számos más területén megtalálhatók.

Szuperragasztó - ragasztó nélkül

A gekkók képesek még a legsíkosabb felületeken is könnyedén megkapaszkodni, és akár egy lábbal is megtartják magukat fejjel lefelé egy üveglapon. Ez a tulajdonságuk már régóta felkeltette a szakemberek figyelmét. Sokáig azt gondolták, hogy a hüllő valamilyen ragasztószerű anyagot választ ki a talpán, és így tapad meg a csúszós felületeken. Csak pár éve derült ki, hogy tévedtek, és a gekkók tulajdonképpen a nanotechnológia "úttörői".

Mi a biomimetika?

A biomimikri vagy biomimetika (a görög bios = élet és mimézis = utánzás szóból) olyan tudományág, amely a biológiát és a mérnöki tudományt hivatott egyesíteni. Fő célja, hogy az élőlények felépítését és mechanizmusait gyakorlati szinten megvalósítsák mesterséges anyagokban, gépekben, mintegy lemásolva az evolúció által évmilliókig tökéletesített természetes szervezeteket. A tudományterület régebben elterjedt elnevezése a bionika volt, de újabban ezt kifejezést egyre inkább kisajátítja az orvostudomány, ahol a szervek vagy testrészek mechanikus változattal való cseréjét jelölik vele.

A gekkók talpát sok milliónyi apró, szabad szemmel láthatatlan keratinszőr borítja. Amikor a szőrök valamilyen felszínnel érintkeznek, a felület és minden egyes szőrszál között gyenge molekuláris vonzerő (ezeket hívják van der Waals-féle erőknek) lép fel. Ezek az erőhatások egyedileg parányiak, de a sok millió szőrszál együttesen már igen erős tapadóerőt képes létrehozni.

A gekkó talpa üveglapon és a mesterséges gekkótalp (kis kép)

A Manchesteri Egyetem kutatói néhány éve kifejlesztettek egy olyan anyagot, amelyet nanoszkopikus szőrszálak borítanak. A trükk az, hogy a szőrszálaknak elég rugalmasaknak és hajlékonyaknak kell lenniük, de nem szabad könnyen összetapadniuk vagy letörniük. A szőrszálak hossza 2 mikrométer (mikrométer a méter egymilliomod része), vastagsága 0,2 mikrométer, pont akkora, mint a gekkóké. Egy négyzetcentiméternyi felületen hozzávetőleg 100 millió mesterséges szőrszál helyezkedik el.

Ezek a szőrszálak utánozzák a gekkó talpán lévőket, és olyan erős tapadást adnak, hogy ha ilyen anyaggal borítják valakinek a kezét, akkor az képes megtapadni a mennyezeten. A "ragasztószalagot" nagyon egyszerű leválasztani a felületről: egyszerűen el kell kezdeni lassan fölhúzni az egyik oldalát a felszínről. Az anyag alkalmazásának lehetőségei szinte beláthatatlanok az új típusú autókerekektől a falra mászó robotokig. Már létezik olyan gyógyászati felhasználású ragasztóanyag, amely a gekkóláb mintájára készült.

Bálnaúszókból szélturbinák

A "WhalePower" (bálnaenergia) nevű szélturbinákat nemrég tervezték. A turbinalapátokhoz az ötletet a hosszúszárnyú bálnák különös, "bütykös" úszói adták. A bálnaúszó aerodinamikai tanulmányozásakor kiderült, hogy a rajta lévő kinövések jelentősen elősegítik az úgynevezett átesés megelőzését. (Az átesés a repülésben használt szakszó arra, amikor a légáramlással szabályosan körülvett szárnyon valamilyen oknál fogva megszűnik a szabályos áramlás, és ennek következményeként helyi turbulencia és áramlásleválás alakul ki. Az esetek többségében az áteséssel magasságvesztés párosul, mivel csökken a felhajtóerő.)

Ez adta az ötletet a kutatóknak, hogy a jelenséget föl lehetne használni a turbinalapátok tervezéséhez. A bálnák úszója alapján tervezett szélturbinák prototípusai 27 kilométer óránkénti szélsebességnél kétszer akkora teljesítményt nyújtottak, mint a hagyományos szélturbinák.

A kísérleti WhalePower szélturbinák. Balra lent egy turbinalapát, jobbra fent egy hosszúszárnyú bálna úszója (képek a WhalePower Corp. szívességéből)

Hűtés a termeszektől

A zimbabwei Hararében lévő Eastgate Centre a zöld építészet egyik legjobb példája. Az épület tervezésekor figyelembe vették a termeszvárak felépítését. Az épületnek nincs hagyományos légkondicionálása és fűtése, mégis egész évben kellemes a hőmérséklete, ugyanakkor csekély az energiafogyasztása.

A Zimbabwében élő termeszek hatalmas várakat építenek. Ezekben termesztik fő táplálékukat, egy gombát. A gombát pontosan 30 Celsius-fokon kell tartani, miközben a kinti hőmérséklet 2 Celsius-fok (éjszaka) és 40 Celsius-fok (nappal) között ingadozik. A termeszeknek mégis sikerült olyan nyitható és zárható hűtő- és fűtőkürtőkkel felszerelt várat építeniük, amelyben pont a kívánt hőmérséklet uralkodik. Ezt a konstrukciót vették át a betonból épített Eastgate Centre tervezői, és sikerült az épület légkondicionálására fordított költséget egy hasonló nagyságú épület költségeinek a 10 százalékára csökkenteni.

Az Eastgate Centre és egy termeszvár (balra)

Jégmadár alakú vonat

A japán vasúttársaság Sinkanszen Bullet Train vonata a világ leggyorsabb vonata, sebessége megközelíti az óránkénti 400 kilométert. Mi akkor a gond? A zaj! A légnyomásváltozás hatalmas mennydörgésszerű robajt okoz valahányszor a vonat kibújik egy alagútból (amelyből akad bőven), és még a majdnem egy kilométerre élő lakosok is panaszkodnak emiatt. A véletlen úgy hozta, hogy a vonat mozdonyvezetője, Eiji Nakatsu egyben lelkes madármegfigyelő. Nakatsu elgondolkodott azon, nem találkozott-e már a természetben olyan dologgal, amely gyorsan és simán közlekedik két eltérő közeg között. Ekkor jutott eszébe a jégmadár, amely halászatkor nagy sebességgel, mégis nagyon kis csobbanással bukik le a levegőből a vízbe.

Javaslata alapján a vonat orrát átalakították, hogy hasonlítson a jégmadár csőrére. Ennek eredményeként a vonat nemcsak halkabb lett, de 15 százalékkal kevesebb villamos energiát használ föl, és a sebessége is 10 százalékkal növekedett.

A Sinkanszen Bullet Train orra és egy vízbe lebukó jégmadár (kis kép)

A fenti példákon kívül a természet még rengeteg ötlettel szolgált és szolgál a jövőben is a feltalálók, tervezők és mérnökök számára. Nem tértünk ki olyan ismert természetből vett találmányokra, amelyekről nagyon sok helyen lehetett már olvasni (például a denevérektől és a cetektől kölcsönzött szonárra), inkább igyekeztünk kevésbé ismert, de hasonlóan izgalmas példákat kiragadni a sok lehetőség közül.

***

Rovatunk már a Facebookon és a Twitteren keresztül is elérhető, ahol extra tartalmakat is kínálunk.