Biomimetismul – când natura devine cel mai mare “inginer” al tuturor timpurilor. Tehnologii emblematice, care au avut un succes răsunător

Biomimetismul (în engleză, “biomimicry”) este o disciplină fascinantă, presupunând o abordare interdisciplinară, care se inspiră din ingeniozitatea naturii pentru a rezolva provocările complexe ale timpului nostru, pentru a dezvolta soluții tehnologice, inovații, materiale și proiecte care imită și se bazează pe principiile și modelele găsite în lumea naturală.

Ideea principală este că natura a fost un “laborator” de miliarde de ani, în cadrul căruia au fost “dezvoltate” soluții eficiente și durabile pentru o varietate de probleme, iar aceste soluții pot fi adaptate și aplicate pentru a rezolva problemele umane în moduri inovatoare și sustenabile.

Biomimetismul nu contribuie numai la dezvoltarea de tehnologii mai eficiente, unele spectaculoase, dar și la o mai bună înțelegere a naturii și a modului în care aceasta îşi “rezolvă” problemele. Un astfel de concept are potențialul de a aduce inovații semnificative într-o varietate de domenii, de la inginerie și arhitectură, la medicină și tehnologie spațială şi tot mai multe companii caută să valorifice biomimetismul în scopuri de inovare. Iată câteva tehnologii de top, bazate pe biometism:

Biomimetismul – tehnologii de top

Designul aripilor de avion inspirat de aerodinamica aripilor de pasăre

Unul dintre cele mai cunoscute exemple de biomimetism se referă la aeronautică, la felul în care au fost (şi sunt) proiectate aeronavele.

Leonardo da Vinci, în secolul al XV-lea, pentru a realiza una dintre cele mai faimoase invenţii ale sale – “maşina zburătoare” – a studiat zborul liliecilor și al păsărilor, pentru a încerca să-realizeze prototipurile aripilor, din lemn și mătase fină. În epoca modernă, avioanele datorează mult naturii, mai ales când vine vorba de eficiența aerodinamică.

De altfel, oricine a observat cu atenție aripile păsărilor poate vedea cum acestea au rolul să minimizeze rezistența aerului și să asigure zborul eficient. Inginerii aerospațiali au studiat aceste structuri (mai ales zborul berzelor, al acestor păsări maiestuoase, care sunt cunoscute pentru capacitatea lor de a zbura pe distanțe lungi, cu o rezistență minimă a aerului) și au dezvoltat aripi de avion care sunt mai eficiente și economice din punctul de vedere al consumului de combustibil.

Albatrosul, o pasăre capabilă să alunece peste imensele întinderi ale oceanelor fără să bată din aripi, a fost o sursă cheie de inspirație pentru proiectarea unuia dintre cele mai de succes planoare, SB 10 – un exemplu care ilustrează perfect modul în care biomimetismul poate ajuta la depăşirea limitelor a ceea ce este posibil din punct de vedere tehnologic.

Ciocănitoarea şi cutiile negre ale avioanelor

Deşi, în logica obişnuită, ar fi imposibil să ne imaginăm vreo legătură între o ciocănitoare şi o cutie neagră a unui avion, biomimetismul a făcut posibilă punerea la punct a unui mecanism de funcţionare a cutiilor negre care să reziste la condiţii extreme în cazul unui accident aviatic.

Când o ciocănitoare bate în scoarţa unui copac pentru a căuta hrană sau pentru a-şi construi cuibul, folosește un mecanism complex, care presupune o combinație ingenioasă între osul hioid, structura craniului și lichidul cefalorahidian, pentru a-și proteja creierul de vibrații şi şocuri. După acest model, inginerii din aeronautică au conceput şi sistemul de funcţionare a cutiilor negre.

Sisteme de navigație inspirate de albine și furnici

Albinele și furnicile au sisteme de navigație/ deplasare complexe, care le permit să găsească cele mai scurte căi între puncte. Aceste modele au fost utilizate pentru a dezvolta algoritmi de navigație pentru roboți și vehicule autonome.

Biomimetismul şi TGV-ul japonez

Shinkansen, “trenul glonţ”, este nava amiral a tehnologiei japoneze, unul dintre cele mai fiabile trenuri din lume. Inițial, a fost construit pentru a conecta regiunile îndepărtate japoneze cu Tokyo, capitala, pentru a ajuta la creșterea și dezvoltarea economică, Japonia fiind, de altfel, prima țară care a construit linii de cale ferată dedicate călătoriilor de mare viteză.

Traseul liniilor Shinkansen include numeroase tuneluri, pentru a traversa orașe și munți. De fiecare dată când intra într-un astfel de tunel cu viteză mare, Shinkansen genera o undă de șoc, care provoaca o poluare fonică semnificativă.

Pentru a limita zgomotul la traversarea tunelurilor, inginerul Eiji Nakatsu (specializat şi în ornitologie) s-a inspirat de la kingfisher – o familie de păsări de talie mică până la mijlocie, viu colorate – care traversează apa, în căutarea hranei, folosindu-se de ciocul lung şi ascuțit, ca un vârf de lance, în perfectă continuitate cu forma craniului său, al cărui design a fost reprodus pentru partea din față a TGV-ului.

Astfel, biomimetismul a permis inginerilor Shinkansen să rezolve problema poluării fonice. În plus, această inovaţie a adus o creștere a vitezei cu 10%, o reducere a consumului de energie electrică cu 15%, o reducere a brațului la intrarea în tuneluri și o călătorie mai liniștită în general.

Materiale care se curăţă singure, inspirate de frunzele de lotus – unul dintre cele mai cunoscute exemple din domeniul biomimetismului

Lotusul sacru, originar din ţinuturile asiatice, formează adesea un ecosistem bogat în amfibieni, păsări și insecte. Frunzele lor mari formează un covor la suprafața apei pe care se deplasează multe organisme, depunând corpuri solide (noroi, excremente, particule etc.).

Cu toate acestea, lotusul depinde de fotosinteza frunzelor sale pentru a supraviețui. Dacă particulele împiedică lumina să ajungă la suprafața frunzelor sau o limitează în alt mod, va rezulta o performanță energetică mai scăzută. Evoluția a determinat lotusul să dezvolte o “tehnică” elaborată pentru a-și optimiza performanța energetică – superhidrofobia. Este vorba de nişte vilozităţi care creează rugozitate la scară nanometrică.

Practic, frunzele de lotus au o suprafață cu proprietăți auto-curățabile – picăturile de apă sau murdăria nu rămân pe ele, ci se scurg ușor. Acest principiu a inspirat dezvoltarea de materiale cu suprafețe auto-curățabile, care pot fi folosite în aplicații precum acoperișuri și sticlă pentru ferestre, vopsele care se auto-curăţă (pentru faţadele clădirilor), textile și piei sintetice superhidrofobe etc.

Recent, panouri solare care reproduc structura nanometrică particulară a lotusului au fost dezvoltate pentru a obține efectul hidrofob de autocurățare și, ca și frunza de lotus, pentru a optimiza captarea energiei solare.

Biomimetismul în arhitectură

În domeniul arhitecturii, biomimetismul oferă soluții inovatoare pentru a crea clădiri mai armonioase, mai durabile, mai eficiente din punct de vedere energetic, servind drept punte între natură și designul uman. Inspirându-se din formele naturale, arhitecții au fost preocupaţi să proiecteze structuri care nu numai că se integrează mai bine în decor, dar care și optimizează utilizarea resurselor, reduc deșeurile și îmbunătățesc bunăstarea ocupanților.

Un exemplu remarcabil în acest sens este Teatrul Esplanade din Singapore, inspirat de forma fructului durian, fruct comestibil al mai multor specii de arbori originari din Insulele Sumatra şi Borneo, cu forma rotundă, acoperită de spini. Acoperişul teatrului are un design unic, datorită căruia se filtrează și optimizează lumina naturală, se reglează temperatura interioară, reducându-se dependența de iluminatul artificial și de aerul condiționat. Rezultatul este o economie de energie de 30%.

Ventilația în clădiri inspirată de termite

Biomimetismul stă şi la baza unor sisteme de ventilaţie foarte eficiente. Termitele construiesc termitiere (mușuroi de termite) care sunt remarcabil de bine ventilate, menținând o temperatură constantă și nivelul optim de umiditate. Oamenii de știință au analizat această structură și au dezvoltat sisteme de ventilație în clădiri care sunt eficiente din punct de vedere energetic și care asigură un mediu interior confortabil.

De pildă, clădirea Eastgate din Harare, Zimbabwe, este construită după modelul termitierelor, folosind un sistem de ventilaţie similar, constând din canale care permit aerului să circule eficient.

Lipitorile – modele pentru dispozitive medicale care să prevină coagularea sângelui

Lipitorile au substanțe anticoagulante în saliva lor, ceea ce le permite să se hrănească cu sânge fără ca acesta să se coaguleze. Oamenii de știință au dezvoltat dispozitive medicale care imită aceste substanțe pentru a preveni coagularea sângelui în timpul intervențiilor chirurgicale.

Biomimetismul şi roboții inspirați de animale

Cercetătorii au creat roboți care imită mișcarea și comportamentul animalelor, cum ar fi șerpi, păianjeni sau gândaci, pentru a se deplasa pe terenuri dificile sau pentru a efectua operațiuni de căutare și salvare.

Biomimetismul şi viitorul tehnologiei de afişare

Biomimetismul a făcut posibilă o veritabilă revoluţie în tehnologia modernă de afişaj, în conceperea ecranelor, de la smartphone-uri la televizoare. Modelul din natură este cel al aripilor fluturelui Greta oto, aripi transparente, cu o structură complexă, care micşorează reflexia luminii.

Folosindu-se de acest model din natură, specialiştii au dezvoltat tehnologii legate de modul în care sunt proiectate și fabricate afișajele, protejând, în acelaşi timp, vederea. Mai mult, afişajele viitorului, după modelul aripilor fluturelui Greta oto, ar putea oferi o claritate și o vizibilitate fără precedent, reducând totodată oboseala ochilor și consumul de energie.

Banda Velcro – un exemplu celebru de biomimetism

Creată în 1941, de inginerul elveţian George de Mestral, banda Velcro imită brusturele, al cărui fruct se poate ataşa de diferite suprafeţe datorită cârligelor sale multiple. Prin reproducerea acestei tehnici pe o bandă de bumbac a luat naștere invenția.

George de Mestral a ajuns la această invenţie după o partidă de vânătoare, întrebându-se de ce semințele de brusture i-au agățat șosetele și haina de lână, precum și blana câinelui său. Analizând acest model natural, inginerul elveţian a conceput o bandă liniară de material textil, cu cârlige minuscule, care se puteau „împerechea” cu o altă bandă de material textil, cu bucle mai mici, dacă suprafeţele erau apăsate una pe cealaltă.

Realizat iniţial din bumbac, ceea ce s-a dovedit nepractic, elementul de fixare a fost în cele din urmă construit cu nailon și poliester. În funcție de materialele folosite pentru cârlige și bucle, Velcro este capabil să reziste la forțe impresionante – de pildă, un pătrat de Velcro de 5 centimetri este capabil să susțină o masă de 80 kg.

Pielea de rechin – o sursă inepuizabilă de inspiraţie pentru ştiinţă şi tehnologie

Rechinii sunt prezenţi în majoritatea mărilor şi oceanelor lumii. “Succesul” lor evolutiv se explică prin mai multe aspecte. Sistemul lor olfactiv foarte dezvoltat le permite să-și observe prada de la distanțe mari sub apă. Pe lângă acest simț al mirosului, nişte organe senzoriale, numite „ Ampulele lui Lorenzini ”, le permit să detecteze câmpurile electromagnetice prezente în apă.

Un avantaj deosebit al acestora este dat şi de capacitatea lor de a se mișca cu ușurință prin apă. Deși nu toți rechinii au, de fapt, o formă hidrodinamică, ei au o caracteristică uimitoare care le permite să-și mărească mult capacitatea de a se mișca prin apă, în timp ce consumă puțină energie – structura pielii.

Pielea de rechin este foarte aspră la atingere, fiind alcătuită dintr-o multitudine de solzi mici care se împletesc şi care au particularitatea de a avea pe suprafața lor nişte micro-caneluri, care generează un fel de „film” de apă care limitează frecarea corpului rechinului cu fluidul.

Luându-se ca model această structură uimitoare a pielii de rechin, producătorul de avioane Airbus a dezvoltat o suprafaţă pentru avioane menită să reducă semnificativ consumul de combustibil.

Pe de altă parte, microstructura solzilor de rechin are un raport înălțime – lățime care împiedică atașarea microorganismelor și proliferarea acestora . O companie americană, inspirată de această caracteristică, a creat o suprafață structural antibacteriană. Modelul și dimensiunea șanțurilor – 2 microni lățime și 3 microni înălțime – împiedică bacteriile să adere și să colonizeze suprafața, aspect promiţător pentru fabricarea de pansamente, filme adezive (pentru protejarea suprafețelor), catetere etc.

Biomimetismul – pielea de gecko şi cea mai recentă realizare tehnologică

Gecko sunt nişte şopârle mici, nocturne, care trăiesc pe toate continentele. Au ochi mari, corp îndesat, picioare în formă de stea, cu degete groase şi capacitatea de a copia forma suprafeţei pe care stau pentru a se camufla. Dar o altă caracteristică a acestor şopârle i-a inspirat pe cercetătorii din domeniul biomimetismului – capacitatea uimitoare de a putea merge pe orice suprafață verticală sau în pantă, cu mai multă ușurință decât pe teren plan, graţie structurii picioarelor, de fapt datorită unor fire de păr microscopice, foarte dense.

Această densitate de fire de păr duce la o interacțiune la nivel molecular (“forța Van der Waals”) cu suportul pe care de deplasează şopârlele – descoperire făcută în anii 2000. Într-o perioadă scurtă de timp, biomimetismul a făcut posibilă apariţia a numeroase inovaţii – roboți în miniatură capabili să urce pe sticlă, Geckskin, un adeziv structural, detașabil, fără substanță adezivă sau substanțe chimice, care se “ține” doar prin forța lui Van der Walls etc.

Există nenumărate alte exemple de biomimetism – seringi cu ace conice, care permit injecţii nedureroase, după modelul trompei de ţânţar, un ochi artificial (un model simplificat al ochiului de muscă), pentru a-i ajuta pe nevăzători, costume de înot ultrarapide, a căror suprafață este modelată pe piele de rechin (revoluție în tehnologie, care a făcut posibilă doborârea unui număr de recorduri mondiale în competițiile internaționale), turboreactoare (după modelul moluştei marine, Nautilus), care se deplasează în tăcere în ape adânci, turbine eoliene, foarte eficiente, prin reproducerea canelurilor găsite pe aripioarele balenelor cu cocoașă etc.

Aşadar, biomimetismul se dovedeşte a fi o sursă inepuizabilă de inspirație pentru inovare şi, deşi domeniul este abia la început, perspectivele par a fi foarte generoase.