Biomimetyka*, czyli naśladowanie tego, co żyje

W największym skrócie, biomimetyka zaczyna się tam, gdzie spotykają się wiedza na temat budowy oraz działania organizmów żywych i technologia. Dzięki temu możliwe jest rozwiązanie bardzo różnorodnych problemów dotyczących człowieka. Takie interdyscyplinarne podejście z powodzeniem znalazło zastosowanie w automatyce, budownictwie, informatyce, elektronice, mechanice, inżynierii materiałowej, transporcie, a także biomedycynie.

Biomimetyka działa na różnych poziomach. W najprostszej formie obejmuje naśladowanie kształtu i budowy zewnętrznej organizmów żywych, ich elementów lub tworzonych przez nie struktur. Inspiracją może być również sposób poruszania danego organizmu. W ten sposób opływowe kształty zwierząt morskich i ptaków stały się wzorem dla kadłubów statków. Obserwacje lotu ptaków zapoczątkowały trwające od starożytności ludzkie marzenia o lataniu. Natomiast poznanie ptasiej anatomii i fizjologii w znacznym stopniu umożliwiło zrealizowanie tych marzeń w czasach nowożytnych. Przedmiotem inspiracji może być również wewnętrzna struktura organów widoczna dopiero w mikroskopowym powiększeniu, wiedza o mechanizmie ich funkcjonowania i roli jaką pełnią, kompozycja chemiczna, obserwacje zachowań społecznych zwierząt … i tak przykłady można by mnożyć dalej.

Fenomen plastra miodu

Jednym z naturalnych wzorów, który zwrócił ludzką uwagę jest szczególna budowa plastra miodu. Kształt struktury złożonej z sześciokątnych komórek zachwyca symetrią i precyzją wykonania charakterystyczną dla owadzich budowniczych. Jest też na tyle rozpoznawalny, że nazwa plaster miodu przylgnęła na stałe do wszystkich struktur o podobnym planie przestrzennym.

Plastry budowane przez pszczoły spełniają bardzo ważną rolę i umożliwiają przetrwanie roju. Służą owadom jako bezpieczne przechowalnie pokarmu: nektaru i pyłku przyniesionych wprost z kwiatów, a także miodu powstającego z enzymatycznie przetworzonego nektaru. Ponadto komórki plastra stanowią schronienie dla rozwijających się pszczelich larw.

Budulcem plastra jest wosk będący naturalną tłuszczową wydzieliną ciała pszczół [1]. Z uwagi na to, że jego produkcja jest dla pszczół energetycznie kosztowna, kluczowe jest zbudowanie gniazda, przy jak najmniejszym zużyciu materiału. Okazuje się, że stosowana przez nie struktura sprawdza się pod tym kątem idealnie – stosunkowo mała ilość wosku zużyta do budowy pozwala na przygotowanie bardzo dużej powierzchni magazynowej i mieszkalnej dla roju. Podobne komórkowe struktury produkowane są również przez osy społeczne. W odróżnieniu od pszczół używają one masy powstającej z przeżutego drewna i włókien roślinnych. Pod względem chemicznym masa ta jest więc „naturalnym papierem”.

Cechą charakterystyczną struktury plastra miodu jest obecność pustych komórek utworzonych między cienkimi pionowymi ścianami. Komórki te mają kształt kolumn o podstawie sześciokątnej. Taka geometria komórek jest wypadkowym efektem konstrukcyjnych umiejętności pszczół i działania sił fizycznych, wpływających na kształtowanie już wytworzonego plastra [2]. Taka budowa plastra pozwala na ograniczenie ilości zużywanego materiału przy równoczesnym zachowaniu dość dużej odporności fizycznej na ściskanie (w płaszczyźnie prostopadłej do przebiegu kolumn). Dodatkową zaletą jest jej lekkość.

Regularna budowa plastra miodu zwracała uwagę ludzi już w czasach starożytnych [3]. Nic więc dziwnego, że przyczyniło się to do dużego zainteresowania takim rozwiązaniem w naukach technicznych. Obecnie struktury inspirowane  plastrem miodu znalazły zastosowanie między innymi w architekturze, transporcie, inżynierii mechanicznej, inżynieria chemicznej, nanotechnologii, a także biomedycynie [4].

Jak powstaje tektura falista i komórkowa?

Najpierw były osy i ich misterne gniazda wykonane z masy papierowej [5]. Później podobne konstrukcje z papieru zaczął tworzyć człowiek. W 1901 roku Hans Heilbrun opracował strukturę plastra miodu wykonaną z ekspandowanego papieru i rozpoczął jej produkcję w niemieckiej papierni Heilbrun & Pinner w Halle. Początkowo papier ten był używany do celów dekoracyjnych. Z czasem rdzenie o strukturze plastra miodu stały się ważnym elementem konstrukcji warstwowych, które są wykorzystywane w przemyśle lotniczym, okrętowy i kosmicznym [6], [7].

Tektura jest materiałem tak powszechnie spotykanym w naszym otoczeniu, tak oczywistym, wręcz pogardzanym, że raczej nie zadajemy sobie trudu, żeby dokładnie się jej przyglądać. A szkoda, ponieważ to naprawdę ciekawy materiał o szerokich zastosowaniach.

Warto rozróżnić dwa różne rodzaje tektury, które pomimo podobnej technologii ich tworzenia, różnią się znacznie budową, a co za tym idzie właściwościami i wynikającym z nich zastosowaniem. Tektura falista powstaje w wyniku oklejenia pofalowanego arkusza tektury dwoma arkuszami gładkimi, w taki sposób, że “plisy” na falowanym arkuszu biegną równolegle z płaszczyzną gładkich arkuszy. Taka tektura ma zazwyczaj kilka milimetrów grubości i jest używana np. do produkcji opakowań.

Natomiast tektura komórkowa powstaje w wyniku zaklejenia struktury “plastra miodu” pomiędzy dwoma gładkimi arkuszami, tak że ścianki komórek ułożone są prostopadle do płaszczyzny gładkich arkuszy. Taki rodzaj tektury używany jest często w meblarstwie i budownictwie.

Lekkie meble

Przykładem “wprowadzenia tekturowych mebli na salony” jest kolekcja “Easy Edges” zaprojektowana przez Frank’a O. Gehry’ego na początku lat 70. XX wieku. [8].  Meble te były w całości wykonane ze sklejonych arkuszy tektury falistej. Seria odniosła natychmiastowy sukces, jednak Gehry wycofał ją z produkcji po zaledwie trzech miesiącach. Decyzję tę tłumaczył obawą, że jego nagły rozgłos jako popularnego projektanta mebli może zmniejszyć jego rozpoznawalność jako architekta. Z biegiem czasu zmienił jednak zdanie decydując się na powrót do pomysłu kartonowych mebli. Kolekcja, w skład której wchodziło krzesło “Wiggle”, została wyprodukowana w 1990 roku [9].

Tektura jest materiałem tanim, łatwo dostępnym, nadającym się do recyklingu, lekkim, a także wytrzymałym – pod warunkiem, że jest odpowiednio uformowana. Te wszystkie cechy spowodowały, że jest ona od długiego czasu obecna w meblarstwie. Chociaż może w nieco mniej widocznej formie niż w projektach Gehry’ego. Często wypełnienie z tektury okleja się laminatami z tworzyw sztucznych lub naturalnego drewna. Dzięki temu meble uzyskują estetyczny i całkiem „solidny” wygląd przy zachowaniu lekkości.

Gdyby porównać dwa stoliki kawowe o zbliżonych rozmiarach, z których jeden składa się płyty wiórowej i tekturowego wypełnienia o strukturze plastra miodu, a drugi z litego drewna, to okaże się, że różnica w ich masie jest znaczna (przykład zaprezentowano w tabeli) [10], [11]. W przypadku dużych mebli, szaf czy regałów różnice te są jeszcze bardziej zauważalne. A o tym, jak istotna jest waga mebli, z pewnością przekonał się każdy, kto samodzielnie musiał uporać się z przemeblowaniem mieszkania lub przeprowadzką. Nie bez znaczenia jest również cena. Meble z wypełnieniem o strukturze plastra miodu zazwyczaj są tańsze, ponieważ do ich wykonania potrzeba znacznie mniej surowców. Ich wytrzymałość mechaniczna jest na tyle duża, że z powodzeniem umożliwia typowe użytkowanie. Natomiast wspinaczka na blaty takich mebli nie należy do najlepszych pomysłów. Może zakończyć się zniszczeniem przedmiotu i dość nagłym spotkaniem wystraszonego eksperymentatora z powierzchnią gruntu!

Temat inspiracji przyrodą i czerpania z niej wzorów dla technologii stosowanych w życiu codziennym zagościł tu nie przypadkowo. Jest to jeden z wątków, które pojawią się na wystawie stałej Cogiteonu.

Uchylając rąbka tajemnicy dodam, że planujemy eksponat, który pozwoli Użytkownikom samodzielnie przekonać się o wytrzymałości odpowiednio ukształtowanej konstrukcji z tektury komórkowej.

* Termin „biomimetyka” powstał przez połączenie pochodzących z języka greckiego słów βῐ́ος(bios) oznaczającego „życie” oraz  μῖμος (mimos) oznaczającego „naśladowanie”; za: neologisms.rice.edu

Źródła:

[1] tradycjamiodu.pl/artykuly/pszczeli-plaster/

[2]  Nazzi, F. (2016) ‘The hexagonal shape of the honeycomb cells depends on the construction behavior of bees’, Scientific Reports. Nature Publishing Group, 6(June), pp. 1–6. doi: 10.1038/srep28341., doi.org/10.1038/srep28341

[3] Goss, D. et al. (2020) ‘Bioinspired honeycomb core design: An experimental study of the role of corner radius, coping and interface’, Biomimetics, 5(4), pp. 1–24. doi: 10.3390/biomimetics5040059., doi.org/10.3390/biomimetics5040059

[4] Zhang, Q. et al. (2015) ‘Bioinspired engineering of honeycomb structure – Using nature to inspire human innovation’, Progress in Materials Science. Elsevier Ltd, pp. 332–400. doi: 10.1016/j.pmatsci.2015.05.001., www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642515000377

[5] Cranshaw, W. (2014) ‘European Paper Wasp’, Colorado State University Extension, Fact Sheet No. 5.611, extension.colostate.edu/topic-areas/insects/european-paper-wasp-5-611/

[6] Sparavigna, A. C. (2014) ‘Paper-based Metamaterials: Honeycomb and Auxetic Structures’, International Journal of Sciences, 3(11), pp. 22–25. doi: 10.18483/ijSci.597., www.researchgate.net/publication/285277392_Paper-based_Metamaterials_Honeycomb_and_Auxetic_Structures

[7] www.campus-halensis.de/en/artikel/erfindungen-made-in-halle/

[8] collections.dma.org/artwork/5319946

[9] hcollections.artsmia.org/art/4393/wiggle-side-chair-from-the-easy-edges-series-frank-gehry

[10] www.ikea.com/pl/pl/p/lack-stolik-bialy-30449908/

[11] www.ikea.com/pl/pl/p/omtaenksam-stolik-antracyt-brzoza-70469391/