Wzorce z natury

Cywilizacja techniczna wyposaża nas w zaawansowane narzędzia pozwalające na subtelne, nieinwazyjne eksploatowanie nieograniczonych zasobów natury. Potrafimy obserwować, odkrywać zasady działania i absorbować na nasze potrzeby rozwiązania występujące w przyrodzie. Ta adaptacja wymaga pełnego zrozumienia ich funkcjonowania i znalezienia właściwego opisu w uniwersalnym języku nauki i techniki, czyli języku matematyki. Tymi zagadnieniami zajmuje się biomimetyka (zwana także bioniką) – interdyscyplinarna dziedzina nauki badająca budowę i funkcjonowanie organizmów żywych z myślą o ich zastosowaniu w rozwiązaniach technicznych i technologicznych.

Tradycyjnie przyjmuje się, że pierwsze udokumentowane rozwiązania wpisujące się w tę dziedzinę wiedzy pojawiły się w XV w. i były autorstwa Leonarda da Vinci. Ten renesansowy geniusz, badając budowę i pracę skrzydeł ptaków i nietoperzy, zaprojektował pierwsze urządzenia latające, takie jak lotnie. Opracował również szkic konstrukcji łodzi podwodnej na podstawie obserwacji kształtu i poruszania się ryb.

Współczesna biomimetyka wyrasta z badań biofizycznych i biomedycznych prowadzonych w latach 50. i 60. XX w. Procesy zachodzące w świecie przyrody, napotykane konstrukcje i wzorce zachowań żywych organizmów pobudzają wyobraźnię naukowców i inżynierów. Przykładem naturalnych inspiracji jest proces biologicznej homeostazy. Homeostaza to zdolności układów (organizmów żywych, systemów technicznych i ekonomicznych) do samoregulacji prowadzącej do utrzymania ich funkcjonowania w bezpiecznych dla nich granicach, bez względu na zmianę warunków otoczenia. Zasady rządzące tym zjawiskiem stały się inspiracją w projektowaniu systemów ciepłowniczych i energetycznych oraz w sterowaniu przepływem danych w sieciach teleinformatycznych. Biologiczna homeostaza jest analizowana przez ekonomistów.

Innym przykładem jest olbrzymie zainteresowanie naturalnymi konstrukcjami. Kopuła w kształcie części grzbietowej pancerza żółwia wieńczy budynek Tammany Hall w Nowym Jorku. W laboratoriach firmy Continental zaprojektowano bieżnik opony ContiPremiumContact w oparciu o strukturę i pracę łapy kota. Firma Tesla opracowała giętkie ramię robotyczne zainspirowane anatomią trąby słonia – taka konstrukcja poprawiła sprawność automatyzacji procesu ładowania akumulatorów w samochodach tej firmy.

Z jednej strony poszukujemy wzorców o nowych funkcjonalnościach, a z drugiej – wzorców zaspokajających nasze potrzeby obcowania z pięknymi rzeczami. Przykładem tego jest budynek Lotus Temple w New Delhi w Indiach o kształcie wzorowanym na kwiecie lotosu. Świątynię Lotosu o wysokości bliskiej 35 m wieńczy dach złożony z 27 marmurowych płatków ułożonych w trzech warstwach.

W ostatnich latach także modele inspirowane życiem społecznym zwierząt są wykorzystywane w informatyce do optymalizacji zadań techniczno-ekonomicznych. Spotykamy rozwiązania wzorowane na aktywnościach grupowych owadów, ryb i ptaków. Do bardziej znanych należy metoda kopiująca zachowanie pszczół podczas poszukiwania pokarmu. Na wstępie grupa pszczół zwiadowców zostaje przypadkowo rozdzielona i wysłana w różne kierunki obszaru poszukiwań. Po odnalezieniu pokarmu osobniki powracające do ula informują tańcem pozostałe pszczoły o kierunku, odległości i zasobności odnalezionego źródła pokarmu. Pozostałe pszczoły oceniają taniec i decydują o przyłączeniu się do najlepiej tańczących pszczół, zawężając tym samym obszar dalszych poszukiwań.

Wszystkie etapy poszukiwania przez pszczoły miejsca najbogatszego w pokarm (najlepszego rozwiązania) są opisywane formułami matematycznymi zrozumiałymi przez języki programowania. Metoda ta znalazła zastosowanie w kolejnictwie. Wykorzystuje się ją do optymalizacji rozkładu jazdy pociągów, przydziału taboru do potrzeb przewozowych, ustalania częstotliwości połączeń i planowania najdogodniejszych tras.

Informatyczne inspiracje zachowaniem społecznym zwierząt służą do rozwiązywania wielu problemów technicznych i ekonomicznych w transporcie, automatyce i energetyce. Są wykorzystywane również podczas harmonogramowania, optymalizacji procesów chemicznych i w analizie obrazów medycznych. Z bioinspirowanymi rozwiązaniami spotykamy się na co dzień. Codziennie korzystamy np. z rzepów ubraniowych (hook-and-loop, marka Velcro), często nie zdając sobie sprawy, że ich konstrukcja odwzorowuje budowę kolczastych i czepliwych owocostanów łopianu.

Otwarte pozostaje pytanie, czy kopiujemy naturę z czystego pragmatyzmu, czy z uznania, że pod względem pomysłowości i jakości wykonania jej nie dorównujemy.