Urządzenia wzorowane na naturze

Obserwowanie much, rekinów czy kwiatów pomaga rozwiązywać najbardziej złożone problemy techniczne. Ciągle bowiem natura jest pełna rozwiązań bardziej zaawansowanych niż te zastosowane w najdoskonalszych urządzeniach skonstruowanych przez człowieka

Zagrożony jest każdy rekord świata – zadeklarował przed igrzyskami olimpijskimi w Pekinie Mark Schubert, trener amerykańskiej kadry pływackiej.  „Przyczyni się do tego ten kostium” – dodał Amerykanin. Schubert miał na myśli nowy model stroju pływackiego australijskiej firmy Speedo – Fastskin LZR Razer. Sprawdziła się prognoza trenera Amerykanów. Z drugiej strony nie trzeba było daru przewidywania przyszłości, by zgadnąć, że tak się stanie. Pływacy mający na sobie kostium LZR Razer jeszcze przed igrzyskami pobili aż 38 rekordów świata.

NASA i rekiny przyspieszają pływanie?

Co w tych „kąpielówkach” jest wyjątkowego? Nad tym supernowoczesnym strojem pływackim pracowali między innymi inżynierowie Amerykańskiej Agencji Kosmicznej (NASA). Sam pomysł ściągnięto od… rekinów.

Te drapieżne ryby poruszają się w wodzie wyjątkowo szybko i dynamicznie. Ten fakt nie umknął uwadze naukowców, przed którymi australijska firma Speedo postawiła zadanie stworzenia „najszybszego” kostiumu pływackiego na świecie. Zatrudnieni eksperci przeanalizowali budowę ciała rekina, któremu zawdzięcza swą zwinność i szybkość. Ewolucja wyposażyła go w specjalnie wyżłobione łuski. Skóra rekina stała się dzięki nim tak gładka, że ta ważąca nawet tonę ryba chrzęstnoszkieletowa bez najmniejszego problemu radzi sobie z oporem wody.  Nowatorski kostium, który nazwano Fastskin (ang. szybka skóra), wykonano z odpychającej wodę tkaniny i śliskich paneli z poliuretanu. Pod względem właściwości i z wyglądu przypomina skórę rekina. Fastskin zadebiutował na igrzyskach w Atenach w 2004 r. W Chinach wykorzystano jego najnowszą wersję. Jeszcze przed igrzyskami Michael Phelps mówił, że wskakując w nim do wody, czuje się jak rakieta. Jego słowa wkrótce się potwierdziły, bo na Olimpiadzie w Pekinie wywalczył aż 8 złotych medali.

Początkowo wielu trenerów uważało przechwałki Speedo za czcze oraz sądziło, że zawodnicy zawdzięczają rekordy tylko własnym umiejętnościom. Australijczycy poradzili sobie z krytyką w oryginalny sposób. Jednego z najgłośniejszych kontestatorów – Ricka Sharpa, profesora fizjologii z Uniwersytetu Stanu Iowa (USA) – poprosili, by stworzył lepszy strój. Ten zaprosił do współpracy inżyniera NASA – Stephena Wilkinsona. W tunelach aerodynamicznych przebadano dziesiątki kostiumów pływackich i różnych materiałów. Okazało się, że najszybszy jest właśnie produkt Speedo. Dzięki zastosowaniu technologii NASA udało się jeszcze bardziej udoskonalić australijskie „kąpielówki” – i tak powstał model LZR Racer.

Efekt? Eksperci twierdzą, że dzięki strojowi Speedo czas pływaka poprawia się o 1,9–2,2 proc. W jednym z wyścigów Phelps wygrał z Serbem Miloradem Čaviciem o jedną setną sekundy. Jeśli eksperci mają rację, to bez kostiumu Speedo Amerykanin miałby o jedno złoto mniej.

Podczas pracy nad kolejną, udoskonaloną wersją kostiumu – modelem LZR Racer – wykorzystano modelowanie komputerowe. Maszyna symulowała zachowanie cieczy opływającej kostium i ciało pływaka w wodzie. W trakcie badań naukowcy posługiwali się dokładnymi skanami ciał aż 400 zawodowych pływaków. Analizowano, w których punktach woda spotyka największe siły oporowe. Dzięki zebranym informacjom projektanci ze Speedo mogli w problematycznych miejscach użyć wyjątkowo gładkich materiałów.

Aparat jak oko muchy

Kombinezon pływacki Speedo jest znamienny dla bioniki, ponieważ większość osiągnięć z tej dziedziny rzadko opuszczała laboratoria. Przykładem zaawansowanego urządzenia bionicznego jest superpłaska kamera stworzona przez zespół dr. Jacques’a Duparre’a z wydziału optyki Instytutu Fraunhofera. Obiektyw tego niezwykłego urządzenia ma zaledwie 0,2 milimetra grubości. Naukowcy osiągnęli taki poziom miniaturyzacji, wzorując się na oku muchy. Badanie owadziego oka zajęło aż 3 lata, bowiem jest to bardzo skomplikowana struktura.

Oko muchy, zależnie od wielkości, zbudowane jest z setek bądź tysięcy pojedynczych soczewek. Każda z tych soczewek odbija padające światło tak, by trafiło do receptorów (soczewki mają przypisane receptory). Mózg muchy, niczym superkomputer, składa te pojedyncze obrazy w całość. Również sztuczne oko zbudowane jest z mikrosoczewek, które odbite światło przekazują dalej do sztucznych sensorów CCD albo CMOS. Tworzą je układy światłoczułe, które dzięki specjalnym filtrom są w stanie odczytać natężenie światła w poszczególnych punktach (tak działają też zwykłe aparaty cyfrowe).

Ponieważ praktycznie każdy piksel potrzebuje osobnej soczewki, tych obiektywów nie mozna stosować w aparatach cyfrowych. „Nie nadają się więc do telefonów komórkowych” – mówi Andreas Bruckner, członek zespołu badawczego, który zbudował kamerę. Widzi on jednak inne możliwości ich wykorzystania. „Przemysł samochodowy jest tym mocno zainteresowany” – twierdzi Bruckner. Płaskich kamer można byłoby używać przy tworzeniu systemów bezpieczeństwa, np. detektorów sprawdzających, czy kierowca nie zasnął za kierownicą. Inny pomysł: sensory wychwytujące pozycję, w jakiej siedzą pasażerowie. „Jeśli system ustali, że pasażer wychyla się do przodu albo opiera się na boku, to automatycznie odpowiednio dostosowane zostaną ustawienia poduszki powietrznej” – wyjaśnia Bruckner.

W takich zastosowaniach nie potrzeba dziesiątek milionów pikseli. Dzięki niewielkim rozmiarom sztuczne oko bez problemu mieści się w samochodzie. Na dodatek jest tanie w produkcji. Wytwarza się je tak samo jak komputerowe chipy: wycinając pojedyncze sztuki z całej warstwy, która schodzi z linii produkcyjnej. Tymczasem tradycyjne soczewki robi się ręcznie. Dlatego są dużo droższe. I jeszcze jedna zaleta: „Tego rodzaju kamery nie da się zobaczyć” – podsumowuje Bruckner.

Procesor chłodzony krwią

Od mniej więcej połowy ostatniego stulecia ludzie systematycznie badają wytwory matki natury, by wykorzystać jej konstrukcje w technice. Ta dziedzina nauki nazywa się bioniką – połączenie biologii i techniki. Chcąc poprawić wydajność urządzeń, naukowcy często przyglądają się insektom i roślinom, a czasami także ludziom. Robi tak na przykład dr Brun Michel, fizyk i biochemik pracujący w laboratorium badawczym firmy IBM w Zurichu.

Współzałożyciel Intela, Gordon Moore, w połowie lat 60. poprzedniego wieku sformułował prawo dotyczące rozwoju chipów, nazywane dzisiaj od jego nazwiska prawem Moore’a. Przetrwało ono – choć w lekko zmienionej formie – do dziś. Według Moore’a liczba tranzystorów mieszczących się na jednym układzie będzie podwajać się co 18 miesięcy. To oznacza coraz większą moc obliczeniową, ale także coraz więcej ciepła wytwarzanego przez układy. „Tymczasem dzisiejsze technologie wykorzystywane do chłodzenia procesorów osiągają granice swoich możliwości” – uważa dr Brun Michel. Bilans energetyczny komputerów jest fatalny. Dr Michel wylicza, że człowiek jest 100 tys. razy bardziej wydajny od komputera, jeśli wziąć pod uwagę stosunek jego „mocy obliczeniowej” do zużywanej energii. Całkiem logicznie więc rozumując, naukowiec postanowił stworzyć system przeznaczony do komputerów, bazując na budowie ludzkiego organizmu. Nie udało mu się bowiem znaleźć bardziej wydajnej techniki chłodzenia niż krwiobieg.Wypływająca z serca krew biegnie przez aortę do tętnic. Dalej system rozgałęzia się na tętnice mniejszego kalibru, później tętniczki, wreszcie naczynia włosowate, które znajdują się we wszystkich narządach. „Obieg krwionośny musi transportować tlen i cukier do mięśni, gdzie zostają one zamienione na siłę. Dzięki tej hierarchicznej strukturze system krwionośny jest w stanie zapewnić niezwykle efektywny transport” – wyjaśnia naukowiec. Dr Bruno Michel i jego zespół chcą wykorzystać strukturę układu krwionośnego, konstruując nowy system chłodzenia procesorów: będzie on oparty nie na radiatorach, lecz na urządzeniach chłodzących wykorzystujących płyn. Nanoruruki, przez które popłynie ciecz – swoista krew komputera – będą przylegać do procesora. Całe urządzenie nie będzie większe niż obecnie wykorzystywane obudowy procesorów.

Samochód jak ryba

„Przypuszczam, że za około 10 lat bionika będzie na stałe związana z branżą IT” – twierdzi dr Michel. Siłą napędową jest w tym wypadku dopiero zdobywający popularność trend oszczędzania energii. „W procesie ewolucji zużycie energii każdej żywej istoty zostało zoptymalizowane przez selekcję naturalną. Stworzenia, które potrzebują tylko połowę żywności co inne gatunki, aby wykonać taką samą pracę, mają ewidentną przewagę. Dlatego też producenci, tworząc kolejne generacje procesorów, nie tylko starają się zwiększyć moc, ale też radykalnie ograniczyć zapotrzebowanie na energię. Bionika będzie miała wpływ nie tylko na sprzęt, również programy zostaną napisane na nowo. Nasz mózg wykonuje równolegle wiele obliczeń – to samo będziedotyczyć sprzętu IT. Ale żeby do tego doszło, potrzebne są zmiany w architekturze: najpierw sprzętowej, następnie także programowej. Dopiero kilka lat temu bionika wkroczyła do świata komputerów. Początkowo była to dyscyplina dla majsterkowiczów. W 1920 roku austriacki botanik i mikrobiolog Raoul Heinrich France opracował… solniczkę, wzorując się na główkach maku. Georges de Mestral, szwajcarski inżynier, zastanawiał się, dlaczego do sierści jego psów zawsze przyklejały się rzepy. Postanowił więc zbadać kolczaste kulki pod mikroskopem. W efekcie w 1951 roku zgłosił do urzędu patentowego pomysł na rzep.

Jednak nie zawsze tajemnice natury dają się prosto wyjaśnić. Botanik Wilhelm Barthlott potrzebował w latach 70. XX wieku elektronowego mikroskopu skaningowego, aby zobaczyć, dlaczego brud nie osiada na liściach lotosu. Przez wiele lat eksperymentował z przewodzącymi wodę nanostrukturami. Umożliwiło to stworzenie farb do malowania elewacji, które nie pokrywają się brudem.

Czasami naukowcy zajmujący się bioniką ograniczają się do zwykłego kopiowania projektów natury. Przykładowo trzy lata temu w Mercedes-Benz pojawił się koncept bionicznego samochodu. Pojazd ten – zbudowany na podobieństwo ryb z gatunku kosterowatych, które pod względem budowy przypominają sześcian – generuje niesamowicie niewielki opór powietrza.

Niewidoczne kamery, komputery o ogromnej wydajności, zupełnie nowe rodzaje oprogramowania – trudno oprzeć się wrażeniu, że pomysły matki natury w najbliższym czasie odcisną piętno na całej branży IT. I że dostrzeżemy je także w przedmiotach codziennego użytku, a nie jedynie w superkosztownych zabawkach naukowców. Tę opinię podzielają prominenci branży komputerowej. Niedawno szef Intela, Paul Otellini, zapytany w wywiadzie, co nastąpi po cyfrowej rewolucji, odpowiedział krótko: „Bionika”.

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.