Vides Vēstis
Viss atpūtai dabā
Dabas dati

Bioloģiski!
 

 

Dženīna Benjasa.

 

 
 

Izdrukāt

Par šo rakstu saņemta 271 atsauksme
Apskatīt atsauksmes · Pievienot atsauksmi

Biomīmikrijas risinājumi cilvēka radītās sistēmās

Linda Romanovska


3,8 miljardus gadu laikā, izmantojot ierobežotus līdzekļus, īpašā laboratorijā eksperimentāli tikuši izstrādāti 30 miljoni veiksmīgu risinājumu. Viss, kas mūsdienu zinātniekam jāspēj, ir paņemt gatavu risinājumu no šīs laboratorijas, saprast, kā tas strādā, un pielietot aktuālo problēmu atšķetināšanā. Šī laboratorija ir mūsu planēta Zeme, un tās veiksmīgie eksperimenti ir mums visapkārt – rāpo, lido, elpo, dzīvo, aug, attīstās, nepārtraukti mainās un pielāgojas. Pēc gadu simtiem ilgiem mēģinājumiem kaut ko jaunu izgudrot zinātnieki visbeidzot ir nonākuši pie atziņas, ka viss, ko var izdomāt, jau sen eksistē – dabā. Arvien vairāk uzmanības tiek veltīts dabā pastāvošo mehānismu izpētei un apzinātai to izmantošanai problēmu risinājumiem, kas ir ilgtspējīgi un videi draudzīgi.


Imitē dabu

Lai gan cilvēki ir smēlušies iedvesmu dabā jau izsenis un ir zināmi arī senāki biomīmikrijas risinājumu piemēri, pirmo reizi biomīmikriju kā zinātni un tās īpašo nozīmi citu zinātņu vidū 1997. gadā aprakstījusi Dženīna Benjasa (Janine Benyus) grāmatā «Biomimicry: Innovation Inspired by Nature» («Biomīmikrija: dabas iedvesmotas inovācijas»), kur viņa dod arī savu šās zinātnes nozares definīciju: «Biomīmikrija ir jauna zinātņu nozare, kas pēta dabas realizētos procesus un struktūras un imitē tās, lai rastu ilgtspējīgus risinājumus cilvēku problēmām.»

Biomīmikrijai ir daudz kopīga ar citām biozinātnēm, kuras smeļas iedvesmu dabā, piemēram, bioniku, biomimētiku, bioinženieriju. Biomīmikrijas īpašā atšķirība ir tā, ka tās mērķis ir ilgtspējīgi risinājumi. Tā nenodarbojas ar jau gatavu biomehānismu izmantošanu (kā tas notiek, piemēram, bioloģiskajās ūdens attīrīšanas iekārtās, kur tiek izmantotas baktērijas), bet gan tiecas radīt principiāli jaunus mehānismus, iedvesmojoties no dabas. Piemēram, pēc insekta acs uzbūves mehānisma parauga tiek radīts pārklājuma materiāls, ko var izmantot saules bateriju paneļiem, kas ļauj maksimāli absorbēt saules enerģiju, vai arī datoru un mobilo tālruņu bezatspīduma ekrāniem. Var teikt, ka biomīmikrija ir solis uz priekšu cilvēka mēģinājumos izmantot dabas procesus savā labā, darot to arvien zinošāk un radošāk.

Biomīmikrijas piemēri

Lai ilustrētu, ar ko īsti nodarbojas Dženīna Benjasa no Biomīmikrijas institūta, evolūcijas biologs Edrjū Pārkers no Londonas Dabas vēstures muzeja, ķīmijas inženieri Maikls Rubners un Roberts Koens no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta, elektronikas inženieris Ronalds Fīrings no Bērklijas Universitātes, robotikas eksperts Marks Kutkoskijs no Stenfordas Universitātes un citi biomīmikrijas pionieri, tabulā ir apkopoti daži no daudzajiem jau realizētajiem vai vēl attīstības stadijās esošiem biomīmikrijas projektiem.

Lotosa lapas pašattīrās

Biomīmikrija ir interdisciplināra zinātne, kurā, lai sasniegtu veiksmīgu rezultātu, piedalās visdažādāko jomu zinātnieki un inženieri: biologi, botāniķi, zoologi, antropologi, fiziķi, elektronikas un robotikas speciālisti, materiālu zinātnes pētnieki un militāro tehnoloģiju pārzinātāji utt.

Lai saprastu, kā darbojas kāds process dabā, vienā kompleksā sistēmā ir jāapvieno zināšanas visdažādākajās jomās. Tam par piemēru kalpo 1982. gadā vācu botāniķa Vilhelma Bartlota patentētais lotosa efekts (Lotos-effect). Dabā lotosa lapas, pat apšļāktas ar dubļiem, vienmēr paliek tīras. Šī pašattīrīšanās iespējama auga lapas superhidrofobiskās struktūras dēļ, proti, ūdens lapu nesaslapina, bet veido ūdens pilītes, kas notek no lapas, nesot līdzi visas netīrumu daļiņas.

Vienkāršojot komplekso lotosa efekta sistēmu, to var attēlot kā bioloģisku un fizikālu procesu secīgu darbību (skat. att. zemāk) Šim efektam dabā ir liela nozīme augu pasargāšanā no dažādiem patogēniem, piemēram, sēnītēm vai aļģēm, kā arī no aptraipīšanās, kas samazinātu saules gaismai atklātās auga virsmas laukumu un tādējādi bremzētu fotosintēzi.

Dabas radītā lotosa lapas nanostruktūra, kas sastāv no vasku kristāliņiem, mehāniskas iedarbības rezultātā var tikt viegli sabojāta, tāpēc tehnoloģiskos risinājumos tiešā veidā tā nav pielietojama. It sevišķi, ja ir paredzama mehāniska iedarbība. Tādēļ nanotehnologi ir izpētījuši pieejamos materiālus, kuru nanodaļiņas vienlaikus nodrošinātu gan tā saukto lotosa efektu, gan būtu noturīgas pret mehānisku iedarbību, un par vispiemērotāko «Lotosan» krāsas radīšanai atzinuši titāna dioksīda nanodaļiņas.

Pirmais un visveiksmīgākais lotosa efekta pielietojums līdz šim ir pašattīroša fasādes krāsa «Lotosan», kura tika izlaista tirgū 1999. gadā. Sfēriskās titāna dioksīda nanodaļiņas tiek pievienotas silikona bāzes krāsai noteiktā koncentrācijā. Tas nodrošina ar šo krāsu pārklātās virsmas superhidrofobiskumu, kas nezūd arī mehāniskas iedarbības, piemēram, skrāpējumu, gadījumā, jo noskrāpēto nanodaļiņu vietā šīs funkcijas sāk pildīt zemākos slāņos esošās nanodaļiņas.

Eksperimentējot ar dažādām citām nanodaļiņām un nesējsubstancēm, nanotehnologi ir izgatavojuši vēl vairākus apstrādes materiālus, pārklājumus, krāsas, audumus un virsmas, kas nesamirkst un pašattīrās gluži kā lotosa lapa. Nākotnē tiek plānoti vairāki konkrēti lotosa efekta pielietojumi: Vācijas autobāņu satiksmes kontroles ierīču sensoros tiks ierīkoti pašattīroši stikliņi; «Evonik AG» ir izstrādājuši aerosolu, ko var izmantot uz dažādām virsmām, lai radītu pašattīrošu pārklājumu; lotosa efekta superhidrofobiskie pārklājumi, izmantoti uz īsviļņu antenām, būtiski samazina lietus radītos signāla traucējumus un sniega un ledus uzkrāšanos.

 

Pētāmais objekts dabā: Koferzivs, par spīti kastei līdzīgai ķermeņa formai, ir teicamas aerodinamikas paraugs. Tā spēj pārvietoties sešu sava ķermeņa garumu attālumā sekundes laikā.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Autoražotājs «Mercedez Benz» izstrādājis konceptauto dizainu, kas ļautu samazināt degvielas patēriņu.

Pētāmais objekts dabā: Austrālijas tuksnesī dzīvojoša ķirzaka Moloch Horridus pat no mitrām smiltīm spēj uzsūkt ūdeni ar jebkuru ķermeņa daļu un novadīt to līdz mutei. Namībijas tuksnesī dzīvojošas vaboles uzņem ūdeni no gaisā esošā mitruma un novada to uz muti.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Zinātnieki attīsta materiālus un sistēmas ūdens savākšanai, lai ūdens ieguve būtu iespējama arī sausos reģionos.

Pētāmais objekts dabā: Tauriņu, putnu un vaboļu spārnu krāsainais zaigojums rodas nevis no krāsu pigmenta, bet no to virskārtas nanostruktūras spējas atstarot dažādu garumu gaismas viļņus.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Šādu zaigojošu materiālu pieejamība ievērojami samazinātu krāsu pigmentu izmantošanas nepieciešamību tekstilindustrijā, kosmētikā un hologrammu ražošanā, tādējādi samazinātos toksisko vielu izmantošanas apjomi un būtu pieejami košāki un neizbalējoši krāsu toņi.

Pētāmais objekts dabā: Kuprainā vaļa spuras izaugumi palīdz tam ģenerēt spēku asos pagriezienos.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Zinātnieki izstrādā lidmašīnas spārnu dizainu, kas nodrošinātu labāku šā transportlīdzekļa vadāmību. Vaļa spuras izaugumu ideja kopēta arī vēja turbīnu spārnos, lai ģenerētu vairāk elektrības pie zemāka ātruma, radot mazāku troksni.

Pētāmais objekts dabā: Āfrikas termīti savos mājokļos izmanto sistēmas mitruma, temperatūras un gaisa apmaiņas regulēšanai, lai nodrošinātu ideālus apstākļus savai barībai – sēnītei, kas aug to mājokļu iekšienē.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Arhitekti kopē termītu mājokļos izmantotās idejas, lai radītu ēkas, kurās nav nepieciešama apkure un gaisa kondicionēšana un maksimāli tiek izmantots dabiskais apgaismojums. Pirmā šāda ēka ir «Eastgate» iepirkšanās un ofisu centrs Zimbabves galvaspilsētā Hararē.

Pētāmais objekts dabā: Oda dzelonis ir viegli robots, kas padara tā dūrienu upurim nesāpīgu, radot minimālu nervu stimulāciju.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Medicīnā tiek ieviestas injekciju adatas, kas izgatavotas pēc oda dzeloņa parauga. Dūriena sāpes pacientiem.būšot mazākas.

Pētāmais objekts dabā: Tukāna milzīgais knābis ir pietiekami izturīgs, lai sašķeltu riekstus, un vienlaikus tik viegls, lai netraucētu putna lidojumam. Ežu un dzeloņcūku adatu struktūra ir ļoti vienkārša, tomēr tās ir apbrīnojami elastīgas un asas vienlaikus. Zirnekļa tīkla pavedieni ir piecas reizes izturīgāki un daudz elastīgāki par visaugstākās kvalitātes tēraudu.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Zinātnieki strādā pie jaunu supermateriālu izstrādes, kas aizstātu šobrīd izmantojamos materiālus, kuru ražošanā tiek izmantoti neatjaunojamie resursi.

Pētāmais objekts dabā: Melanophila vaboles spēj sajust ugunsgrēku simtiem kilometru attālumā.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Šo spēju pēta arī ASV Gaisa spēki, lai izmantotu lidmašīnās.

Pētāmais objekts dabā: Siseņu koncentrācija vienā kvadrātkilometrā var sasniegt 80 miljonus kukaiņu, tomēr tie nekad nesaskrienas cits ar citu.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Ņūkāslas universitāte sadarbībā ar autokompāniju «Volvo» izstrādā sadursmes novēršanas sistēmu automašīnām.

Pētāmais objekts dabā: Gliemeži savus gliemežvākus audzē no jūras ūdenī esošajiem kalcija joniem, piesaistot tos ar specifisku proteīnu palīdzību, un pārtrauc šo kristalizācijas procesu ar cita veida proteīniem.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Ir izstrādāts videi draudzīgs kaļķa nogulšņu veidošanās novēršanas produkts, kuru izmanto ūdens apgādes caurulēs.

Pētāmais objekts dabā: Ekosistēmas dabā veiksmīgi uztur vides auglību un vairo dzīvības iespējas tajā.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Viens no jaunākajiem virzieniem lauksaimniecībā ir t. s. auglības audzēšana jeb lauksaimniecības metodes, kas nevis noplicina augsni, bet uztur un vairo tās auglīgumu.

Pētāmais objekts dabā: Mikrobu molekulas spēj no dažādām vielām izdalīt sev nepieciešamos metālus.

Pielietojums cilvēka radītās sistēmās: Kompānija «MR3», atdarinot šo molekulu darbību, iegūst tīras metālu rūdas no bīstamajiem atkritumiem, notekūdeņiem, piesārņotām ūdenstilpēm un citiem kompleksiem metālu avotiem.

 

Izmantotie avoti:

1. Benyus J. «12 sustainable design ideas from nature». February, 2005. http://www.ted.com

2. Biomimicry Institute. http://www.biomimicryinstitute.org

3. Lotus-Effect Arbeitsgruppe, Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen der Universität Bonn. http://www.lotos-effect.com

4. Mueller T. «Biomimetics: Design by Nature»; National Geographic. April, 2008. http://ngm.nationalgeographic.com •