Biomimetismul – Când tehnologia ia lecţii de la natură

Acest lucru nu presupune renunţarea la progresul ştiinţific, ci integrarea lecţiilor oferite de natură. Conceptul de biomimetism (în engleză biomimicry) a fost făcut celebru în 1997 de Janine Benyus prin lucrarea Biomimicry: Innovation Inspired by Nature, în care susţinea că oamenii trebuie să facă un efort conştient pentru a se inspira din geniul naturii. Conceptul de biomimicry (sau biomimetism) este format din două cuvinte greceşti, bios – însemnând viaţă şi mimesis, adică „a imita”.

Principalul argument în favoarea biomimetismului este acela că natura a rezolvat deja multe din problemele cu care se confruntă oamenii. Identificarea unei soluţii mai bune decât cea care a rezultat în urma evoluţiei de-a lungul a miliarde de ani pare un obiectiv nerealist.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Din ce în ce mai multe persoane sunt convinse că biomimetismul constituie una din metodele care vor asigura un viitor mai bun, în care produsele vor fi mai eficiente în a-şi atinge scopul, folosind mai puţină energie electrică şi dăunând mai puţin mediului înconjurător.

Biomimetismul, o soluţie de-a lungul istoriei

Natura a reprezentat o sursă de inspiraţie pentru inventatori, artişti, poeţi şi arhitecţi de-a lungul timpului. De la arhitecţii egipteni, care s-au inspirat din frunzele plantelor de lotus şi din structura palmierilor pentru a crea coloanele clădirilor şi până la Antoni Gaudí, care considera că „originalitatea înseamnă întoarcerea la origini”, mediul înconjurător a fost muza a nenumăraţi creatori.

Sagrada Familia, cea mai cunoscută operă a arhitectului catalan, este concretizarea cea mai spectaculoasă a arhitecturii biomimetice. Gaudí considera că natura este opera perfectă a lui Dumnezeu, el inspirându-se din creaţia divină în toate elementele ce formează templul. Coloanele din interior, spre exemplu, au fost proiectate să semene cu trunchiuri de copaci, care să-i dea vizitatorului senzaţia că se află într-o pădure.

Arhitectura nu a fost însă singurul domeniu influenţat, de-a lungul timpului, de natură. Una dintre cele mai cunoscute invenţii ale secolului al XX-lea, «ariciul» Velcro folosit la numeroase obiecte de îmbrăcăminte, încălţăminte şi nu numai, a fost inspirată tot de mediul natural.

Ideea acestei invenţii i-a venit lui George de Mestral în urma unei plimbări alături de câinele său. Când a ajuns acasă, el a descoperit că seminţele unui scaiete se agăţaseră de blana câinelui şi de pantalonii săi. Intrigat, a studiat la microscop mecanismul de prindere al plantei şi a realizat că acesta ar putea fi copiat şi pus în aplicare şi de către oameni.

Dacă până recent biomimetismul era un principiu aplicat doar de câteva personaje vizionare, în ultimii ani se observă o tendinţă tot mai pronunţată, în numeroase domenii existând o schimbare de paradigmă ce duce la integrarea perspectivei biomimetice în principiile de bază.

O schimbare de perspectivă

Până de curând, majoritatea substanţelor şi materialelor folosite pentru conceperea produselor erau analizate doar din perspectiva costului şi a performanţei, impactul asupra mediului înconjurător nefiind luat în calcul. Elizabeth Grossman scria în cartea Chasing Molecules: Poisonous Products, Human Health and the Promise of Green Chemistry că „doar 4% dintre cele 30.000 de chimicale folosite în acest moment în produse sunt monitorizate în mod constant pentru a li se evalua impactul de mediu şi asupra sănătăţii umane, iar peste 75% dintre acestea nu au fost evaluate niciodată„.

Astfel se explică o serie de probleme de mediu şi de sănătate apărute în ultimele zeci de ani, de la folosirea azbestului în pereţii clădirilor, a vopselelor pe bază de plumb în case şi şcoli sau a bisfenolului A în sticlele de plastic şi în biberoanele destinate bebeluşilor.

Astăzi, companiile încearcă o schimbare, luând în calcul impactul asupra sănătăţii umane şi a mediului încă din faza de producţie. Pentru produse prietenoase cu mediul, inventatorii se inspiră din natură. Un exemplu este oferit de Kaichang Li, cercetător la Universitatea din Oregon. Acesta a inventat Purebond, un adeziv din soia, conceput pentru a înlocui la lipirea placajelor substanţele adezive pe bază de formaldehidă, o substanţă cancerigenă. Omul de ştiinţă a reuşit să conceapă prin imitarea naturii acest adeziv ce nu are efecte secundare asupra sănătăţii umane. Astfel, el a studiat şi copiat metoda prin care funcţionează proteinele lichide folosite de midii pentru a se ataşa de stânci. Pe lângă faptul că nu are niciun efect secundar asupra sănătăţii umane, PureBond este şi mai ieftin de produs decât adezivul vechi!

Un alt exemplu de biomimetism îl constituie agricultura verticală, considerată o soluţie pentru provocările secolului al XXI-lea. Astfel, se estimează că până în 2050 aproximativ 80% din populaţia planetei va locui într-un mediu urban. Acest lucru, alături de schimbările climatice şi de necesarul tot mai mare de terenuri agricole pentru a satisface nevoia de hrană a unei populaţii în creştere, va necesita o regândire a sistemului prin care ne procurăm hrana.

Agricultura verticală este considerată o potenţială rezolvare pentru această problemă. În cadrul acestui tip de agricultură, plantele ar fi crescute într-un zgârie-nori conceput special pentru a obţine cât mai multă lumină solară. Astfel, ferma verticală ar imita natura, formând un ecosistem funcţional în care apa folosită ar fi captată prin dezumidificare şi refolosită, iar deşeurile ar fi reciclate.

Folosirea de ferme verticale ar reduce costurile financiare şi de mediu asociate transportării hranei, permiţând în acelaşi timp creşterea mai multor tipuri de culturi fără a depinde de vremea de afară. De asemenea, terenurile folosite acum pentru agricultură ar avea timp să se refacă, nemaifiind afectate de pesticide şi îngrăşăminte.

Principalul susţinător al fermelor verticale este Dickson Despommier, profesor la Universitatea Columbia şi autor al cărţii The Vertical Farm: Feeding Ourselves and the World in the 21st Century. Acesta susţine că „natura a făcut deja totul în locul nostru, noi nu trebuie decât să o observăm„.

Un semn că designul biomimetic devine din ce ce în mai important în conştiinţa publică este oferit şi de o serie de reclame folosite de RENFE, societatea naţională de exploatare a căilor ferate spaniole, pentru a se promova.

Inspirându-se din natură, proiectanţii trenurilor folosite de RENFE au reuşit să obţină o folosire mai eficientă a curentului electric. „Cea mai bună soluţie pentru a proteja natura este să o imităm„, este sloganul folosit în aceste reclame.

Şi inginerii japonezi au apelat la natură pentru proiectarea trenurilor de înaltă viteză, concepând locomotiva acestora pentru a semăna cu ciocul unei păsări.

Un gândac ne învaţă să extragem apa din ceaţă

Accesul la apă potabilă constituie o problemă pentru o bună parte a populaţiei lumii, ONU estimând că un miliard de oameni trăiesc fără a avea acces la o sursă stabilă de apă curată!

Studiind această problemă, o echipă de masteranzi de la Massachusetts Institute of Technology a descoperit o metodă eficientă de a extrage apă potabilă din ceaţă. Cercetătorii au fost inspiraţi de gândacul de deşert din Namibia (Stenocara gracilipes), care trăieşte pe ţărmul arid al acestei ţări, într-o regiune în care nivelul anual de precipitaţii este de 40 de milimetri.

Acest gândac a dezvoltat o metodă unică pentru a obţine apă de băut. Dimineaţa, pe ţărmul atlantic al Namibiei, se formează ceaţă ca urmare a interacţiunii dintre aerul fierbinte al deşertului şi briza venită dinspre ocean. Gândacul are un set de aripi adaptate pentru a colecta apa, pe care le extinde, acumulând picături minuscule de lichid. Când aceste picături au devenit suficient de mari, acestea alunecă într-un „şanţ” acoperit cu o substanţă ceroasă ce transmite preţioasa apă spre gura sa.

Studiind aripile gândacului, cercetătorii de la MIT au descoperit că acestea prezintă mici zone hidrofile folosite pentru a atrage apa. Combinaţia acestora cu şanţurile hidrofobe ce permit transportul rapid al apei constituie un sistem extrem de eficient, ce nu risipeşte nicio picătură din valorosul lichid.

Colectarea de apă din ceaţă nu este o idee nouă, utilizându-se în acest scop plase metalice de mai bine de un deceniu. Graţie inspiraţiei oferite de gândacul namibian, specialiştii de la MIT au reuşit să descopere substanţele hidrofile (pentru colectarea apei) şi hidrofobe (care să permită ca aceasta să fie stocată rapid într-un rezervor, înainte de a se evapora) cele mai potrivite pentru fiecare mediu, reuşind astfel să obţină mai multă apă cu ajutorul acestor plase.

Descoperirea celor de la MIT va fi extrem de utilă în zonele de deşert şi de munte în care nu există surse de apă potabilă, dar în care se întâlneşte fenomenul de ceaţă. Cercetătorii au lansat deja un proiect pilot în Africa de Sud şi intenţioneze să lanseze altul în India, pentru a aplica modelul oferit de gândacul de deşert. Ei estimează că un metru pătrat de plasă metalică poate genera cel puţin un litru de apă potabilă pe zi, în condiţii ideale fiind posibil să se obţină până la 10 litri!

Hipopotamul ne învaţă să ne protejăm de soare

Deşi hipopotamul petrece nenumărate ore în soare, pielea lui nu este afectată de această expunere constantă. De ce? Cercetătorii au descoperit că acesta este protejat de o secreţie glandulară produsă sub piele şi eliminată pe toată suprafaţa corpului prin pori.

Secreţia este formată din două tipuri de acid, acid hiposudoric şi acid norhiposudoric. Oamenii de ştiinţă au descoperit că această secreţie mai are şi alte efecte benefice pe lângă protecţia solară, fiind totodată o substanţă antibiotică şi având un efect de respingere a insectelor. Cercetătorii încearcă acum să conceapă un produs inspirat de această substanţă, care să combine efectul anti-bacterian, anti-insecte şi care să ofere protecţie solară.

Natura, sursă de inspiraţie pentru drone şi roboţi

Dacă acum un deceniu armata americană opera doar 10 drone aeriene, astăzi foloseşte pe câmpurile de război mai bine de 7.000, iar tendinţa pare să se accelereze. Forţele aeriene americane au început deja să instruiască mai mulţi piloţi pentru drone (350 anul acesta) decât pentru avioane de luptă sau de bombardament. Pentagonul va investi anul viitor 5 miliarde de dolari în dezvoltarea dronelor, intenţionând ca până în 2030 acestea să ia forma unui „nor de insecte” care să poată ajunge oriunde se află inamicii.

Dacă dronele folosite astăzi sunt de dimensiuni mari, cercetătorii armatei americane deja au conceput prototipuri de aeronave minuscule, de dimensiunile unor păsări sau ale unor insecte. Pentru acestea au copiat mecanismul de zbor al păsărilor-colibri, al moliilor şi a altor vieţuitoare.

La începutul acestui an, în luna februarie, compania AeroVironment a prezentat primul prototip al unei nanodrone ce imită zborul unei păsări-colibri, micuţa aeronavă fiind capabilă să zboare cu 18 km/h.

Acum, cercetătorii americani încearcă să reproducă zborul moliei colibri, o insectă ce poate plana la fel ca pasărea-colibri, dar la o scară mai mică. „Este uluitor ce reuşeşte să facă această molie în comparaţie cu aeronavele noastre”, declara recent în ziarul american New York Times maiorul Michael L. Anderson, unul dintre cei ce lucrează la conceperea viitoarelor drone pe care le va folosi armata americană.

Principiul biomimetismului este aplicat şi în domeniul roboticii, unde nu este folosit doar în scopuri militare.

Un proiect finanţat de Comisia Europeană intenţionează să conceapă o caracatiţă robotică. Cercetătorii implicaţi în Octopus Project au reuşit să construiască deja un braţ robotic similar celui de caracatiţă, acest pas fiind considerat extrem de important.

O musculatură precum cea a caracatiţei este întâlnită extrem de rar în natură, ea având capacitatea de a deveni tare sau moale în funcţie de nevoie, asemenea limbii umane sau trompei de elefant. Prin intermediul unei structuri de silicon traversate de un cablu de oţel şi conectate la un set de cabluri de nylon, braţul robotic poate manipula obiecte, fiind primul bio-robot „moale” (fără componente rigide) ce poate face acest lucru.

„Am dorit să copiem de la caracatiţă capacitatea de a adapta rigiditatea braţului în funcţie de nevoi„, a declarat Cecilia Laschi, profesor de biorobotică la Scuola Superiore Sant’Anna din Pisa, membră a echipei de cercetători implicate în dezvoltarea acestui robot. Echipa doreşte să realizeze o caracatiţă-robot, cu toate cele 8 braţe funcţionale, până în ianuarie 2013.

Tehnologia ar putea avea un număr mare de aplicaţii, de la folosirea sa pentru a explora spaţiile înguste, ce nu pot fi accesate altfel, la operaţiuni de salvare a celor prinşi sub dărâmături. De asemenea, o echipă de chirurgi britanici s-a arătat interesată de folosirea acestei tehnologii pentru conceperea unui endoscop care să se transforme la comandă dintr-un instrument moale într-unul rigid, cu ajutorul căruia se pot efectua operaţii.

Ce ne rezervă viitorul?

Aceste exemple evidenţiază doar câteva dintre beneficiile pe care oamenii le pot obţine aplicând soluţiile ingenioase ale naturii.

Pe măsură ce aceste soluţii inspirate din mediul înconjurător îşi demonstrează valoarea, din ce în ce mai mulţi oameni de ştiinţă încep să se întrebe, atunci când sunt confruntaţi cu o problemă, „cum ar rezolva natura această problemă?„.

În secolele precedente, progresul a implicat o oarecare aroganţă din partea omului, care a crezut că inteligenţa sa îi va permite să stăpânească natura, ignorându-i lecţiile. Astăzi, natura îşi recapătă rolul de sursă a cunoaşterii, biomimetismul constituind una dintre căile prin care se produce întoarcerea spre studiul perfecţionării prin evoluţie.

Recunoscându-ne limitele şi acceptând lecţiile oferite de procesul evolutiv ce a avut loc de-a lungul a miliarde de ani putem spera la un viitor sustenabil, în care progresul tehnologic şi respectul faţă de natură să se îmbine armonios.