Podobnost vzorců v přírodě: Příklady a aplikace

Vzor, jako ústřední téma, dráždí svou mnohovýznamností sahající od pravidelně uspořádaných struktur po předlohu hodnou nápodoby. Angličané na tom se slovem pattern nejsou o nic lépe.

Zvuková podobnost svého času přivedla Ivana M. Havla k hravému překladu „pattern - patrnost“: „Anglické slovo ‚pattern‘ většinou označuje něco, podle čeho se chováme či máme chovat, co rozpoznáváme, napodobujeme, podle čeho si můžeme něco vybrat, a vůbec něco, co má nějakou pravidelnost či opakování, ať už uskutečněnou či potenciální.

Podle toho si můžete zvolit mezi českými slovy vzor, vzorec, vzorek, vzoreček. K onomu rozpoznání někdy potřebujeme mikroskop, někdy vzor odhalí spektrální analýza zvukové nahrávky, někdy se nepatrné stane patrným až díky použití statistických metod, někdy opakující se vzor vyvstane až v dlouhé časové řadě zdánlivě nudných pozorování… Patrnost může být skrytá, nenápadná, ale vždy je alespoň v principu odhalitelná.

Na patrnosti Ivana M. Havla se odkazují i Jindřich Brejcha s Karolínou Korvasovou ve svém příspěvku o mimikry. Jejich článek různé významy slova vzor propojuje. Mimikry často stojí na barevných či strukturních vzorech a mimetici napodobují své vzory ve snaze přiživit se na jejich evolučních vynálezech. Autoři navíc upozorňují na dynamický charakter vzorů v živé přírodě.

Petr Knotek na příkladu rozsivek a zlativek představuje ornamentované struktury mikrosvěta. I zde mnohdy platí funkcionalistické heslo zdůrazňující, že forma sleduje funkci. Přestože některé ornamenty mohly vzniknout náhodnými procesy a jejich jediným užitkem je potěcha oka hledícího do mikroskopu, důkladnější výzkum zpravidla odhalí jejich adaptivní význam.

Čtěte také: Dobrodružství s albatrosy v knihách

Struktury, které se nám jeví jako samoúčelně krásné, mohou sloužit jako mechanická ochrana před predací (optimalizovaná s ohledem na spotřebu a hmotnost stavebního materiálu), ovlivňují proudění okolní vody a přísun živin, koncentrují sluneční světlo do fotosyntetického aparátu anebo odstiňují škodlivé ultrafialové záření.

Vzory vytvořené přírodou slouží za vzor člověku, který je využívá ve svých výrobcích. O tom, jak lze pomocí paralelizace zvýšit rychlost a tím i praktickou využitelnost strukturování povrchu pomocí laseru, píše Petr Hauschwitz a Jan Turek ukazuje, že zdánlivě abstraktní motivy na pravěké keramice často nesou symbolické významy.

Fraktály v přírodě a umění

Věděli jste, že vzor větvení stromů lze popsat matematickým vzorcem? Řídí se takzvanými fraktálními zákony. A platí to jak pro skutečné, tak pro namalované stromy. Podle totoho pravidla poznáme na obraze strom a když ho autor poruší, tak je z obrazu záhada.

Fraktály jsou matematické vzorce, jejichž složky se donekonečna opakují a vzájemně se prolínají. Fraktály jsou soběpodobné, co znamená, že určitý charakteristický tvar se opakuje bez ohledu na měřítko a na první pohled složitý tvar je generován opakovaným použitím jednoduchých pravidel.

Skoro každý strom má fraktální strukturu. Od kmene po poslední špičku větévky se větve větví ve stejném, opakujícím se vzoru, od velkého po nejmenší. Je to vyzkoušená a prověřená struktura, jež přináší stromům výhody, třeba efektivní transport tekutin nebo stabilitu.

Čtěte také: Více o rizicích v přírodě

Do zkoumání tohoto estetické větvení se pustili dva vědci, Jingyi Gao z University of Wisconsin a Mitchell Newberry z University of New Mexico. Oba analyzovali nejen skutečné stromy, ale také méně či více vydařené vyobrazení stromů ze slavných uměleckých děl z různých období, kultur a stylů. Zajímalo je, jak souvisí tloušťka větve se stupněm větvení stromu a vytvořili pro to matematický vzorec.

Nakonec potvrdili to, co věděl již nepřekonatelný Leonardo da Vinci. Tloušťka stromu zůstává v každém větvení stejná, ale se rozdělí do několika větví. Poměr mezi průměry jednotlivých větví se dá popsat parametrem α, což je exponent měřítka poloměru v případě soběpodobného větvení nebo exponent měřítka průměru větve. Číslo vlastně udává, kolik menších větviček připadá na větší větev. Da Vinci konstatoval, že v případě rozdvojení na dvě větve je parametr 2.

Fraktály se vyskytují v přírodě kromě stromů, to jsou například sněhové vločky, šnečí ulity, cévní systém nebo květák romanesko.

Podle týmu vědců lze vzorec větvení dokonce popsat vzorcem, který připomíná Pythagorovu větu: a² + b² = c². Pouze v tomto případě není exponent vždy 2, ale α a proměnné popisují příslušný průměr větve.

U namalovaných stromů spočítali Gao a Newberry hodnoty pro α mezi 1,5 a 2,8. „Našli jsme něco univerzálního, co platí pro všechny stromy v umění i v přírodě,“ řekl Mitchell Newberry.

Čtěte také: Inspirace pro svatbu v přírodě

Když se umělci ve svých dílech drží fraktálního modelu přírody, umožňuje to pozorovateli poznat zobrazení stromu jako strom. „I když se některé rysy umění se zdají být estetické nebo subjektivní, můžeme je popsat pomocí matematiky,“ potvrdila Jingyi Gao. Svým způsobem jsou tak umělecká díla objektivně srozumitelná. Platí to i v abstraktních uměleckých dílech.

Takový kubistický Šedý strom od Pieta Mondriana, nemá žádné klasické větvení nebo barvy podobné stromům, a přesto v něm poznáme strom díky fraktálnímu principu. Realistické rozmezí hodnoty α je mezi 1,5 a 2,8. Zmíněný Šedý strom má α hodnoty mezi 2,8 a 3,0.

Naopak, pokud se umělci fraktálního vzoru nedrží, malovaný strom již není objektivně rozpoznatelný. Pak je interpretace záhadou a ve hře jsou čistě subjektivní vjemy.

Třeba Kvetoucí jabloň namaloval Mondrian o rok později a ještě abstraktněji. „Jediný rozdíl mezi těmito dvěma obrazy je měřítko v průměru větví. Jinak jsou oba jen černé tahy na šedém pozadí,“ vysvětlil Newberry. Ale Kvetoucí jabloň má α hodnotu přibližně 5,7. A strom kvůli nerealistickému měřítku doslova zmizel.

Biomimetika a umělá inteligence

Pojem umělé inteligence je většinou skloňován v souvislosti s počítačovým softwarem. Nově vyvíjená nápodoba mozkové synapse však slibuje k inteligentnímu učení dokopat i samotnou architekturu hardwaru.

Mnoho výzkumů z biomimetiky, oboru inspirujícího se pro technická řešení ve světě přírody, již bylo překováno do praktických aplikací v informatice. Podobné programy jsou ale výpočetně velmi náročné a hlad po rychlejších strojích proto stále roste.

Právě na to vsadil tým Vincenta Garcii ze společné laboratoře francouzského Národního výzkumného centra (CNRS) a společnosti Thales, když vyvinuli obvod s architekturou stavějící na umělé synapsi.

Ačkoliv máme obvykle tendenci klást důraz spíše na počet neuronů, jsou to ve skutečnosti především synapse a vzájemná konektivita, co se v mozkové funkci počítá. Čím více jsou přitom synapse stimulované, tím více je spojení posíleno a učení zlepšeno.

Garciův tým kvůli tomu sáhl po takzvaném memristoru. Jde o malou elektronickou komponentu, jejíž odpor, podobně jako u neuronů, závisí na množství protékajícího elektrického náboje. Je-li odpor nízký, synaptické spojení je silné.

Memristory samotné nejsou zase takovou technickou novinkou. Poprvé byly popsány již v 70. letech, dlouho se o nich mluvilo jako o potenciálním revolučním nápadu pro zrychlení často používaných počítačových procesů. Disky využívající memristorů by totiž teoreticky díky naučení se častějších operací mohly být mnohem rychlejší.

Trvalo však dlouho, než byly pro vývoj memristoru nalezeny vhodné materiály. Garcia vytvořil synapse z nanostruktur známých jako ferroelectric tunnel junctions (FTJs), volně přeložitelné jako feroelektrické tunelové obvody. FTJs se sestávají z ultra tenkého feroelektrického filmu vloženého mezi dvě malé elektrody.

Jinými slovy, Garciovo nastavení FTJs otevírá cestu počítačům, jejichž paměti budou fungovat podobným autonomním způsobem jako mozek. Uživatele potěší vyšší rychlostí, vědce zase možností navýšit kapacitu stále hladovějších neuronových sítí.

Memristory však nejsou jediným způsobem, jakým lze přírodní principy aplikovat pro svět informatiky. Mozkové buňky jsou v něm uzavřeny do nanoschránek regulujících jejich teploty, vlhkost a výživu, a převádějící impulzy na vnější povrch, kde jsou předávány do schránek jiných. Opět tak vzniká analog synapse, dle filozofie Koniku jsou však čipy sestavené z neuronů potenciálně výhodnější pro specializované aplikace emulující lidskou činnost - například čich nebo řízení vozidel.

Stačily by prý k tomu sítě s pouhými desítkami či stovkami neuronů, které by dovolily miniaturizaci specializovaných počítačů. Klíčovější než spojování neuronů je však jejich programování, které bude ještě vyžadovat nějaký čas. Koniku je v tomto oboru prozatím více méně komerčně jedináčkem, jeho teze se tak mohou ještě ukázat býti lichými.

Stejně tak i Garciovy umělé synapse jsou ještě notně vzdálené od komerčního nasazení. Je však znát, že biomimetika stále více inspiruje nejenom programátory umělých inteligencí, ale i konstruktéry hardwaru jako takového.

tags: #podobnost #vzorcu #v #prirode #priklady

Oblíbené příspěvky:

• Sběratelství vs. diagnóza
• Kariéra v ekologii v Plzeňském kraji
• Adresa skládky v Bohumíně
• Odpad Praha 6
• Přírodní krásy a pláže Gabicce Mare