Choć jesteśmy przekonani o wyższości zwierząt nad roślinami – ostatecznie do tych pierwszych sami się zaliczamy – przy tworzeniu nowych technologii dużo łatwiej jest kopiować „zielone” wynalazki. „Rośliny korzystają z bardzo prostych elementów, takich jak woda i celuloza. Łatwiej więc się od nich uczyć i wdrażać to w życie. Jeśli zatem znajdziemy coś, co rośliny robią bardzo dobrze, możemy to zastosować niemal natychmiast” – wyjaśnia prof. Jacques Dumais z Harvard University w USA.
To nowość dla specjalistów od biomimetyki – działu nauki zajmującego się przeno-szeniem pomysłów przyrody w świat ludzkiej techniki. Do niedawna bowiem woleli oni podpatrywać zwierzęta, uważając rośliny za zbyt proste i „niemrawe”. Niesłusznie. Nawet brak ruchu u roślin to tylko pozór. „Potrafią np. skakać. I nie ma większej różnicy w szybkości między zwierzętami, które wyewoluowały do skakania, jak pchła czy żaba, a roślinami” – mówi prof. Dumais. Ów badacz opublikował właśnie pracę o skocznych ruchach iglicy pospolitej (Erodium cicutarium).
Skacz, skacz, nasionko!
Pierwotnie ta roślina z rodziny bodziszkowatych występowała w Europie i Azji. W XVIII wieku zawleczono ją do Ameryki Północnej, gdzie stała się gatunkiem inwazyjnym. W Polsce rośnie na miedzach, polach i rumowiskach. Gdy jej liliowe kwiaty zostaną zapylone, przekształcają się w suche owocki – rozłupnie. W każdym z nich tkwi pięć nasion zaopatrzonych w długi ogon zwany ością. „Kiedy ości są mokre, stają się wyprostowane. Kiedy wysychają, skręcają się jak korkociąg. Ten ruch odbywa się eksplozywnie i zajmuje ledwie ułamek sekundy” – opowiada prof. Dumais.
Nasiona wyskakują wówczas z rozłupni na wysokość blisko metra i rozsypują się dookoła. A to dopiero początek. Skoczny mechanizm może bowiem być używany wielokrotnie. Gdy nasiona leżą na ziemi, nocą ponownie nasiąkają wodą, więc ich ogonki prostują się. W ciągu dnia słońce wysusza je i znów dochodzi do gwałtownego skrętu ości. Tym razem nasionko wykorzystuje ten ruch, by wkręcić się w glebę. Jeśli mu się nie uda za pierwszym razem, będzie to powtarzać do skutku. „Niektóre z nasion iglicy mam od paru lat i wciąż są w stanie to robić. To piękne przystosowanie ewolucyjne!” – mówi prof. Dumais.
Taka trwałość mechanizmu jest możliwa dzięki temu, że ruch wywołują wyłącznie martwe komórki. Sekret tkwi w ułożeniu włókien celulozy, tworzącej ścianę komórkową w nasionach. Gdyby udało się to skopiować, można by ten mechanizm wykorzystać do budowy elementów takich jak np. wyjątkowo wytrzymałe sprężyny.
Kwiatowe zawiasy
Prof. Dumais nie próbował jeszcze zainteresować swoim pomysłem inżynierów. Ten etap ma już za sobą prof. Thomas Speck z niemieckiego Universität Freiburg. Jego zespół badawczy analizował ruch zawiasowy strzelicy, zwanej też strelicją królewską (Strelitzia reginae). Ta roślina z Ameryki Południowej zafascynowała ich dużymi pięknymi i przede wszystkim bardzo sprytnymi kwiatami. Są one doskonale przystosowane do tego, by zwabiać ptaki, częstować je nektarem i przy okazji zmuszać do przenoszenia ich pyłku. Dwa zrośnięte ze sobą płatki strelicji tworzą coś w rodzaju małej grzędy. Na tej wygodnej podstawce siada ptak. Pod jego ciężarem żerdka ugina się, co jednocześnie prowadzi do wysunięcia się schowanych do tej pory pręcików, które przyklejają ziarna pyłku do nóg ptaka. Gdy gość napije się nektaru i odleci w poszukiwaniu kolejnych porcji pożywienia, grzęda unosi się, a pręciki chowają między płatkami.
Ten mechanizm może działać wielokrotnie – aż do zapylenia i zwiędnięcia kwiatu. I choć naukowcy najczęściej mówią tu o ruchu zawiasowym, tak naprawdę w roślinie nie ma żadnych zawiasów. I to jest największa zaleta. Zawiasy bowiem – zwłaszcza te nieduże, które wchodzą w skład parasolek czy rolet – z czasem ścierają się. Ich konserwacja staje się coraz bardziej kosztowna, a w końcu należy je wymienić na nowe (albo wyrzucić do kosza zużyty parasol). Dla strzelicji to jednak nie problem. Na podstawie jej pomysłowego mechanizmu zespół prof. Specka wraz z inżynierami opracował produkt, który ma postać elastycznych, pozbawionych zawiasów warstewek. Potrafi on lekko zginać się w jedną i drugą stronę, więc spokojnie może zastąpić znane nam zawiasy. „Po raz pierwszy zostanie wykorzystany do pokrycia 30-metrowego budynku na wystawie Expo 2012 w Korei. Na rynku pojawi się za jakieś trzy lata” – chwali się prof. Speck.
Zapchajdziura z pnącza
Oba pomysły na innowacje techniczne zaczęły się od obserwacji przyrody. Taki proces określa się mianem „z dołu do góry” (bottom-up). „Od pojawienia się idei do wyprodukowania prototypu mija w tym wypadku około 5–7 lat” – mówi prof. Speck. Prace idą dużo szybciej, gdy pomysł wychodzi od inżynierów (to proces „z góry na dół”, czyli „top-down”). „Inżynierowie sami przychodzą do nas z problemem, a właściwie z wyzwaniem” – śmieje się uczony. „Chcą wiedzieć, czy biologia może im w tym pomóc. Jeśli znajdziemy rozwiązanie, budowa prototypu nowego urządzenia zajmuje rok, dwa lata, czasem nawet mniej” – dodaje.
W jego grupie badawczej blisko 80 proc. projektów powstaje „z góry na dół”. O pomoc zwróciła się do niego np. szwajcarska firma, która zajmuje się produkcją urządzeń pneumatycznych. Cylindryczne błony wypełnia powietrzem pod ciśnieniem, dzięki czemu powstają pręty mocne jak stal i lekkie jak piórko. Głównym wyzwaniem, z jakim zmagali się producenci, była podatność błon na roz-rywanie i dziurawienie. Nawet drobne uszkodzenia prowadziły do spadku ciśnienia, co z kolei zmniejszało wytrzymałość prętów na obciążenia.
Szukając rozwiązania, prof. Speck zwrócił uwagę na pnącza z grupy kokornaków (Aristolochia). Łodygi tych roślin pękają bardzo często – gdy pęd grubieje, w jego zewnętrznych warstwach nagminnie tworzą się drobne szpary i dziury. Roślina jednak naprawia je w błyskawicznym tempie. Niemal natychmiast komórki, które sąsiadują ze zranieniem, puchną i zapychają dziurę. Odbywa się to całkowicie mechanicznie – odpowiada za to ciśnienie, które panuje wewnątrz komórek. Dopiero potem ściana komórkowa rozluźnia się, co dodatkowo ułatwia dopasowanie się komórek do szczeliny i jeszcze lepsze jej zatkanie. W kolejnych fazach komórki zaczynają się mnożyć, a ich ściany grubieją.
Z inżynieryjnego punktu widzenia najważniejsza była jednak ta pierwsza reakcja kokornaków na uszkodzenie. Biorąc z niej wzór, uczeni opracowali gąbczasty materiał, w którego pęcherzykach panuje podwyższone ciśnienie. Tym materiałem pokrywa się od wewnątrz błonę w pneumatycznych prętach. Jeśli teraz przypadkiem zostanie ona uszkodzona, pęcherzyki w piance natychmiast wpychają się w dziurę i zatykają ją – dokładnie na tej samej zasadzie, co komórki w łodydze kokornaku. Gąbczasta substancja bez problemu reperowała dziury po gwoździach, nawet jeśli ich średnica dochodziła do 5 mm.
Pomelo na wszelki wypadek
„Proces »z góry na dół« ma swoje ograniczenia. Zakres projektu wyznacza zapotrzebowanie zgłoszone przez inżynierów. Natomiast w procesie »z dołu do góry« można odkryć coś całkowicie nowego. Nikt np. nie przypuszczał, że najlepsze powierzchnie samooczyszczające powinny być nierówne” – twierdzi prof. Speck. Chodzi o tzw. efekt lotosu. Liście tego kwiatu – który w Azji jest symbolem czystości – nigdy się nie brudzą.
Ich tajemnicę odkrył w połowie lat 70. XX w. Wilhelm Barthlott. Powierzchnię liści pokrywa substancja o własnościach hydrofobowych („nielubiąca” wody). Nie jest gładka, lecz usiana mikroskopijnymi wypukłościami – cząstki brudu zatrzymują się na ich szczytach. Jeśli na liść spadnie woda, to nie rozleje się, lecz utworzy kroplę, która będzie się po nim turlać w różnych kierunkach. W tym czasie przyklejają się do niej wszelkie zanieczyszczenia. W końcu zabrudzona kropla spadnie z liścia. W latach 90., gdy pojawiły się większe możliwości technologiczne, Barthlott wraz ze współpracownikami wyprodukował farbę, której budowa naśladowała powierzchnię liścia lotosu. Wynalazek stał się wielkim sukcesem. Producent chwali się, że farbą pomalowano już blisko 300 tys. budynków. W przygotowaniu są również tekstylia oparte na tej zasadzie.
W procesie „z dołu do góry” narodziły się najbardziej oryginalne pomysły prof. Specka. Niektóre niemal walnęły go w głowę. „Podczas wycieczki w tropikach widziałem wielkie owoce, które spadały z dużej wysokości. I nic im się nie działo” – opowiada. Kokosy potrafią zlecieć z 30-metrowej palmy, a owoce pomarańczy olbrzymiej (Citrus maxima), zwanej też pomelo, spadają z 15 metrów. Są soczyste, o galaretowatym miąższu, ich średnica dochodzi do 22 cm, ciężar zaś – do dwóch kilogramów. Zdumienie prof. Specka wzbudził fakt, że przy upadku z tak dużej wysokości pomelo nie zamieniało się w miazgę.
Badania wykazały, że sekret tej odporności tkwi w skórce owocu. Jej zewnętrzna część ma strukturę lekką i gąbczastą. Im bliżej środka, tym robi się gęstsza. Objętość zajmowana przez puste przestrzenie międzykomórkowe spada z blisko 80 proc. do prawie zera. Zespół prof. Specka pracuje już nad piankami, które imitują strukturę skórki pomelo. Ma nadzieję, że będą one wykorzystywane do transportu materiałów wybuchowych i kwasów, do produkcji hełmów, materiałów chroniących pojazdy przed zderzeniami, a nawet stacje kosmiczne przed deszczem meteorów.
Mucha nie siada
Im dokładniej botanicy przyglądają się własnościom mechanicznym roślin, tym więcej mają pomysłów, co warto skopiować. Prof. Dumais stawia m.in. na muchołówkę amerykańską (Dionaea muscipula), drapieżną roślinę z bagien Ameryki Północnej, która wykonuje bodaj najszybsze ruchy w świecie roślin. Kilka lat temu opisał mechanizm pułapki, jaki stosują jej liście, by w ułamku sekundy uwięzić owada w swym wnętrzu. Gdy ofiara siada na pułapce i niechcący podrażnia włoski czuciowe rośliny, uruchamiają one transport wody z górnej powierzchni liścia do dolnej. Wierzch więc się kurczy, a dół rozszerza. „Dolna powierzchnia puchnie powoli, powoli, aż układ staje się niestabilny i kształt pułapki nagle zmienia się z wypukłego na wklęsły” – mówi prof. Dumais. Innymi słowy, liść nagle wywraca się na drugą stronę. Ten ruch jest tak szybki, że owad nie ma szans odlecieć. „I to jest dobry pomysł na przełączniki nowej generacji” – przekonuje naukowiec.
Prof. Speck zaś w świecie roślin odkrył lakier, na którym nie potrafią usiąść owady. To kwestia struktury warstewki zwanej kutykulą, pokrywającej z zewnątrz liście. Jeśli jest ona gładka, ma zbyt duże lub zbyt małe fałdy, pazurki owada mogą się do niej przyczepić. Ale jeśli pofałdowanie ma średnią wielkość, nieproszony gość po prostu ześlizguje się z liścia. Być może uda się to skopiować w lakierach, którymi będziemy mogli pokrywać różne rzeczy tak, że – dosłownie – mucha nie siada.
Nawet zwykły bluszcz (Hedera helix) zafascynował naukowców swoją siłą. Rosnąc pionowo na skałach, budynkach czy drzewach, tak ściśle wnika w ich powierzchnie, że nie sposób go potem oderwać. A jeśli się to w końcu udaje, to zwykle razem z kawałkami podłoża. Naukowców ciągnie też, by skopiować pędy trzciny laskowej (Arundo donax) i skrzypu zimowego (Equisetum hyemale), które łączą w sobie dwie na pozór sprzeczne cechy: dużą lekkość oraz wielką wytrzymałość. Chcą poznać sekrety gęstego soku, jakim figowiec benjamina (Ficus benjamina) zasklepia wszelkie uszkodzenia. Pracy i pomysłów mają więc na długie lata.