Co nás inspirovala příroda: Od žraločí kůže po suchý zip

Čeští inženýři hledali povrch, který by byl odolný vůči bakteriím. Inspiraci našli v živočišné říši. Takový totiž má třeba kůže žraloka, ale také gekonů či hadů. Mezi dokonalé antibakteriální povrchy patří i lotosové listy. V čem ten zázrak spočívá? Dá se povrch se stejnými kvalitami vyrobit uměle? První pokusy už probíhají a na výsledek netrpělivě čekají zejména v medicíně.

Antibakteriální materiály pro medicínu

Antibakteriálními materiály by totiž rádi nahradili například současné katetry, jimiž do těla pacientů proudí léky, ale využívají se i na mnoho jiných lékařských úkonů. Jenže katetry, zejména pokud jsou v těle pacienta delší čas, se stávají častým cílem bakterií. Ty se pak dostanou do těla pacienta a je-li ohrožený, může mít takto získaná infekce pro něj fatální následky.

Ideální povrch kůže mají žraloci, na níž se bakterie neudrží. To je sice hezké, řeknete si, ale co s tím? Je jasné, že se těmito povrchy může lidstvo inspirovat a také se inspiruje, ale lze je vůbec napodobit v micro a nanorozměrech? Leckde se o to už i pokusili, ale výroba šla velmi pomalu, takže by byla krajně neefektivní. Opracování laserem jemných detailů na mikroúrovni je časově velmi náročné, proto se zatím nano materiály se schopnostmi žraločí kůže vyrábějí jen omezeně.

Opracování jednoho centimetru čtverečního voděodolné struktury s jedním laserovým svazkem trvalo minutu. Takže výroba metru čtverečního by trvala sedm dní. To je naprosto neefektivní a nerentabilní.

Petr Hauschwitz, absolvent oboru laserová technologie a fyzikální inženýrství na ČVUT Praha, se tématu superhydrofóbního (voděodolného) materiálu věnoval ve své disertační práci a v roce 2022 za ni získal ocenění Nejlepší disertační práce Wernera von Siemense. O rok později získal Prémii Otto Wichterleho, kterou Akademie věd ČR uděluje mladým talentovým vědcům.

Čtěte také: Proč je příroda největší luxus?

Inspirace lotosovým listem

Inspirací k výrobě superhydrofóbního materiálu byly mladému vědci lotosové listy. Zjistil totiž, že voda po nich sklouzne a s sebou vezme veškeré nečistoty a prach. Lotosový efekt, jak se jevu říká, chrání rostlinu před bakteriemi, houbami i nemocemi.

Podle Petra Hauschwitze je velmi zajímavé pozorovat jednotlivé povrchy pod mikroskopem. Žraločí kůže vypadá jako obdélníkové dlaždičky včetně spár, lotosový list zase díky miniaturním výběžkům připomíná les sopek a gekoní tlapky koberec s dlouhými chlupy na konci roztřepenými. Hadí kůže je zase hustě posetá ostrými hroty.

Chcete-li tuto strukturu napodobit, musíte si buď vytvořit v počítači 3D model, nebo mřížku dané struktury. Podle toho je pak potřeba nastavit laserovou obráběčku. Ne že by svět tyto materiály dosud neznal, ale Petr Hauschwitz se ve své disertační práci pokusil navrhnout, jak by se výroba dala zrychlit a zefektivnit. Rychlost nezískáte výkonnějším laserem.

Důležité je, jak dovedete nastavit laserový svazek, aby mohl pracovat na více místech najednou. A tým Petra Hauschwitze tohle dovede. Důkazem je, že překonal několik světových rekordů a z původních sedmi dnů práce na metru čtverečním se posunul k pěti minutám.

O tým mladého vědce je zájem i ve světě. Oslovili je třeba Kanaďané, kteří si u nich objednali hydrofóbní materiál na plech, který by mohli využít v chladicí soustavě. A uplatňují se i v oblasti vesmírných technologií. Jednou ze zakázek, kterou už splnili, bylo vyvrtat mikrometrové otvůrky v granitu a keramice, které se mají stát součástí motorů vesmírných družic.

Čtěte také: Krásy argentinské provincie

Ale zpět ke katetrům. „V projektu, který právě připravujeme, počítáme s vývojem antimikrobiálních katetrů a dalších medicínských pomůcek, u nichž hrozí riziko zavlečení infekce do těla,“ říká mladý inženýr.

Podle jeho slov antimikrobiální materiály inspirované kůží žraloka by se skvěle hodily také pro kloubní náhrady. V týmu Petra Hauschwitze jsou i odborníci na laserové vyklepávání. Jde o metodu, jíž se dá prodloužit životnost silně namáhaných součástek u kloubních náhrad. Využití laserového mikroobrábění pomocí speciálních, tzv. několikasvazkových metod, jemuž se Petr Hauschwitz se svým týmem věnuje, je široké jak v medicíně, tak v průmyslu nebo kosmu.

Další příklady bio-inspirace

Jak to dopadá, když příroda inspiruje technologické vynálezy? Většinou dobře. Japonské šinkanseny jsou skvělé ultrarychlé vlaky, které se řítí po kolejích rychlostí přes 300 kilometrů za hodinu. Původní „typ 0“ měl jenom jednu hlavní nevýhodu. Byl strašně hlasitý. Když se v roce 1995 stal japonský inženýr Ejdži Nakacu zodpovědný za vývoj takzvané série 500, udělal to samé, co da Vinci a bratři Wrightové. Nejprve se soustředil na nejtiššího ptáka na světě - sovu. A díky tomu vyvinul nový povrch, který nedělá tolik hluku. Potom se podíval na ledňáčka, mistra aerodynamiky, a přizpůsobil špici vlaku tvaru ledňáčkova zobáku. To je jen jeden z příkladů biomimiker, technologií inspirovaných přírodou.

Vědci hledají nápady nejenom nad zemí, ale i v moři. Například plejtváci posloužili jako inspirace pro větrné turbíny. Jejich ploutve mají malé hrbolky, které snižují přetlak vody. Nové turbíny modelované podle velrybích ploutví snížily přetlak téměř o třetinu a zlepšily výtlak o 8 %. Plavky inspirované žraločí kůží zase pěkně zamávaly olympiádou v roce 2008. Téměř všichni medailisté měli v bazénu takzvané LZR plavky. Ty vlastně stlačí plavce do zjednodušené trubky a zachycují vzduch, přidávají vztlak a snižují odpor. Co na tom, že brzy po olympiádě byl tento druh plavek zakázán. Žraločí kůže, která se dokáže dobře vypořádat s malými vodními organismy, jež obvykle parazitují na kůži ryb, inspirovala i vývoj materiálu Sharklet, který zabraňuje růstu bakterií.

Struktura pavoučí sítě zase výrobce inspirovala k vývoji odolnějšího skla. Gekoní nohy posloužily jako vzor pro lepenku, která nepotřebuje lepidlo.

Čtěte také: Přečtěte si recenzi knihy Kniha, obraz a příroda

Suchý zip vynalezl švýcarský inženýr Georges de Mestral (1907-1990) na počátku 50. let 20. století. Tento okamžik, zdánlivě banální, odstartoval cestu k jednomu z nejrevolučnějších vynálezů 20. století, který bez přehánění změnil svět. Suchý zip Velcro proslavený svojí neuvěřitelnou přilnavostí, vzešla z pozorování ostnatých bobulí lopuchu, které se snadno přichytávají k naší kůži či vlasům. Semena díky tomu mohla snadno cestovat z místa na místo, protože rozsev za pomoci větru nebo ptactva není možný kvůli jejich váze. Příroda tedy řeší jejich přesun systémem vyčnívajících háčků, díky nimž se mohou snadno uchytit na kůži či ochlupení zvířat. Na zcela stejném principu funguje i suchý zip.

První prototypy byly vyrobeny z bavlny, ale ta nebyla dostatečně odolná. Nylonové háčky si udržely svůj tvar i po opakovaném použití a poskytovaly potřebnou pevnost. Trvalo mu celých deset let, než svůj vynález zdokonalil a nechal si jej patentovat v roce 1955. V letectví a kosmonautice se ukázal být obzvláště užitečný, protože funguje spolehlivě i v extrémních podmínkách. Kromě těchto hlavních odvětví se suchý zip rozšířil do nesčetných dalších aplikací.

Bio-inspirované produkty v našem životě

Bio-inspirace je nová oblast vědy zkoumající design nacházející se v přírodě. Na základě tohoto výzkumu jsou pak díky bio-inspiraci navrženy praktické a přelomové technologií a předměty. Jednoduše řečeno, bio-inspirace přispěla společnosti celou řadou pozoruhodných nápadů a přelomových věcí pro denní užívání a kompletně zlepšila komfort našich životů. Bio-inspirovaný předmět je tedy ten, jehož funkčnost je založena na systému, který se vyskytuje v přírodě. Samotné fungování předmětu už má ale mnohdy jiný účel, než tomu bylo původně přírodě.

Bio-inspirované produkty bychom tedy rozhodně neměly zaměňovat se „zelenými výrobky“ nebo bioprodukty. Pojmy bio nebo zelené výrobky označují především způsob, jakým byly vyrobeny, na rozdíl od bio-inspirovaného produkt, který označuje způsob, jak předmět funguje.

Víte, co vše vzešlo původně z přírody a postupně se stalo neodmyslitelnou součástí našeho každodenního života? Podívejte se na stručný přehled:

• Boty na běhání - ty byly inspirovány skutečnou biomechanikou běhu naboso.
• Křídla letadel - ptačí křídla zase inspirovala výrobce letadel.
• Roztok na čočky (Biotrue) - vznikl se úmyslem šetřit naše oči a zvýšit pohodlí nositelů kontaktních čoček.
• Displeje počítačů - napodobují procesy odrazu a rozptylu světla na motýlích křídlech.
• Náplasti - přilnavý mechanismus tlapky gekona inspiroval tvůrce náplastí.
• Plavky z vláken - plavky imitující žraločí kůži umožňují plavci rychlejší plavání díky sníženému tření.

Mnohá z nejinspirativnějších řešení na světě vytvořili vědci, kteří své nápady „ukradli“ ze světa přírody. Během milionů let evoluce totiž příroda přišla na řešení mnoha problémů.

Další příklady:

1. Vědce už dlouho ohromuje, jak dobře se mušle drží pod vodou na skalách. Nyní pracují na tom, jak napodobit jejich lepivé proteiny a vytvořit netoxické lepidlo, které okamžitě slepí materiály dohromady, a to i pod vodou.
2. Sledování toho, jak kachny plavou v řadě, poskytuje vodítko k energeticky účinnější přepravě zboží po celém světě.
3. Kořeny rostlin jsou schopny selektivně nasávat vodu a specifické živiny potřebné pro růst.
4. Kůže chameleona měnící barvu obsahuje malé krystalky, které odrážejí světlo různě podle toho, jak jsou velké nebo jak jsou uspořádány - pro změnu barvy jednoduše napnou nebo uvolní kůži.
5. Rostliny vyrábějí potravu fotosyntézou, při níž nasávají oxid uhličitý z atmosféry.

tags: #co #nás #inspirovala #příroda

Oblíbené příspěvky:

• Recenze ekologických konvic
• Co dělat, když nezaplatíte poplatek za odpad
• Firmy s ekologickým oblečením
• Aktuální hrozba teroru v ČR
• Encyklopedický pohled na člověka a přírodu