PODGLĄDANIE przyrody było od dawna źródłem

PODGLĄDANIE przyrody było od dawna źródłem

(fragment)
PODGLĄDANIE przyrody było od dawna źródłem inspiracji dla człowieka. Z jednej strony
dowiadywał się, czym wszechobecne stworzenia mogą go zadziwić, z drugiej zaś wpadał na
pomysły, jak wykorzystać w swoich wynalazkach zachowanie, umiejętności czy techniki
działania niekiedy malutkich czy mikroskopijnych istot żywych obecnych wokół niego.
Wcześniej czy później człowiek dochodził do jednego wniosku: przyroda była pierwsza,
a w zasadzie jej „Projektant”, o którym jakoś wstydliwie i niechętnie ten i ów chciał wspominać
(…).
„Współczesne” wynalazki wzorowane na rozwiązaniach
stosowanych w przyrodzie od tysiącleci
Wystarczy się przyjrzeć kilku naszym wynalazkom, poszukać w nich odniesienia do
żywych tworów otaczającego nas świata i szybko zdołamy dojść do nieodpartego wniosku, że
przyroda była ZAWSZE pierwsza. To w przyrodzie, w jej żywych istotach, znaleźć można
prawzory urządzeń znanych nam dzisiaj – znanych od dawna (…).
W ciągu ostatnich 100 lat człowiek dokonał wielkiego postępu na przykład w dziedzinie
transportu. Udoskonaliliśmy samochody, pociągi, łodzie i statki, zwłaszcza zaś samoloty,
a wykorzystujemy w tych środkach komunikacji naprawdę nowoczesne rozwiązania techniczne.
(…) Te nasze ludzkie „nowinki” techniczne od tysiącleci są znane zwierzętom. (…) Zacznijmy od
czegoś tak powszechnego i elementarnego, jak koło.
„Koło” elastycznie przytwierdzone do… bakterii
Konstruktorzy współczesnych kół słusznie mogą być dumni ze swoich najnowszych
osiągnięć. Dzisiejsze koła bowiem dalekie są od wynalezionych w odległej przeszłości –
przypuszczalnie w połowie IV tysiąclecia p.n.e. w Mezopotamii przez Sumerów – kół
drewnianych, zrobionych z połączonych ze sobą desek. Służyły one do transportu ciężkich
ładunków. (…)
Jedno jest pewne: Gdyby nie koło, nie byłoby takiego świata, jaki znamy teraz. (…)
Okazuje się jednak, że nierzadko nowy pomysł techniczny nawiązuje do mechanizmów, z jakich
od stuleci korzysta przyroda. Dotyczy to również koła. Już dawno temu bakterie i pierwotniaki
wykorzystywały „coś” w rodzaju koła. Co mam na myśli?
„Centrum
dowodzenia”
Wić
Przegub kątowy
Wał
napędowy
Wirnik „silnika” sterowany
systemem sekrecji
Po lewej: schemat bakterii; 1. Pile, 2. Plazmid, 3. Rybosomy, 4. Cytoplazma, 5. Błona zewnętrzna, 6. Ściana
komórkowa, 7. Otoczka, 8. Nukleoid, 9. Wić; po prawej: schemat wici Gram-ujemnej bakterii – wić jest połączona
ze złożonym mechanizmem wewnątrz bakterii, zwanym ciałkiem podstawowym („wał napędowy”, „wirnik” itd.)
(Zdjęcia: z ogólnodostępnych zasobów internetowych)
Podglądanie przyrody
2
Przyjrzyjmy się dokładnie małej bakterii. Pływa ona dzięki wiciom, których ruchy
skoordynowane są z obracającym się jak wirnik małym jej elementem, zwanym ciałkiem
podstawowym, w taki sposób, że wspólnie tworzą one swoisty silnik napędzający ten malutki
organizm, dzięki czemu porusza się on w cieczy, a nawet po powierzchni ciała stałego. Tak więc
prosta bakteria dysponuje nie tylko „kołem” (wiciami), ale też „silnikiem” (wicie plus obrotowe
ciałko podstawowe bakterii), który sama napędza. Oczywiście opis ten należy do najbardziej
uproszczonych, by skrótowo pojąć, jak funkcjonuje napęd tak znikomego żywego tworu, jakim
jest bakteria. Czytelnik wymagający wolałby wyczytać być może więcej informacji o samej
bakterii i jej mechanizmie ruchu, w tym o wiciach spełniających wraz z innymi elemencikami
tego organizmu rolę „koła” – wszak to dzięki wprawianym w ruch wiciom bakteria się porusza.
Poznajmy zatem szczegóły „koła” elastycznie przytwierdzonego do… bakterii.
Powyżej, na lewym zdjęciu, ukazano schemat bakterii, a na prawym schemat wici jednego
z typów tych organizmów. Zwłaszcza zdjęcie po prawej stronie dobrze ilustruje, jak wygląda
połączenie wici za pomocą „haka” z wewnątrzbakteryjnym „ciałkiem podstawowym”, które
w zasadzie jest bardzo skomplikowane, składa się – jak widzimy – z pomniejszych części. (…)
Specjaliści od mechaniki i konstrukcji kół oraz napędów mówią często, iż w układzie
ruchu bakterii można wyróżnić: pędnik (wić, inaczej włókno), silnik (z wirnikiem
umiejscowionym w ciałku podstawowym oraz z zewnętrznymi wiciami), przegub kątowy (hak)
czy wał napędowy. (…) Z kolei biochemicy odkryli, że sama precyzja funkcjonowania tego
mechanizmu to nie wszystko. Poza tym ma on stałe łącze do czujników kontrolujących położenie
bakterii. Za sprawą otrzymywanych ze środowiska zewnętrznego informacji (na przykład z wody)
czujniki w „porozumieniu” z „centrum dowodzenia” (cytoplazma i nukleoid) sterują dalszym
ruchem bakterii – jej szybkością i wyborem trasy (kierunku ruchu, powiedzmy do przodu, do tyłu,
w górę i w dół). Oznacza to, że zmiany szybkości i kierunku dokonują wici. Ponieważ bakterie
charakteryzuje niezwykła różnorodność wici (pojedyncza i długa albo podwójna lub wiązka
wici), dlatego te wijące się (obracające się) włókna należą do najlepszych środków napędu.
Żeby było bardziej interesująco, dodam, iż w „prymitywnej” bakterii – jak niektórym się
zdawało – pojedynczą wić (ten „ogonek”, włókno na powyższym zdjęciu z prawej strony) tworzy
20 białek. Ale do jej kontroli i „umocowania” poprzez „hak” w ciałku podstawowym wewnątrz
organizmu wykorzystywanych jest aż 30 białek! Wić czy włókno to obracająca się struktura
zewnątrzkomórkowa, odpowiednik koła, wprawiana w ruch za pomocą skomplikowanego
i precyzyjnego „napędu”, którego elementy składowe umiejscowione są w środku bakterii.
Niektóre z tych elementów noszą niecodzienne nazwy, takie (…).
Dlaczego Projektant bakterii i owadów wzgardził kołem?
Zwierzęce twory obecne w przyrodzie nigdy nie zostały wyposażone w koło. Czyż to nie
zastanawia? Co może być tego powodem? Niestety, muszę teraz przytoczyć brutalną prawdę: Jak
wykazują najnowsze badania, koło jest środkiem lokomocji dalekim od ideału i dlatego mało
praktycznym. Zabrzmiało ostro? Owszem, tak zabrzmiało. Lecz pomyślmy: Samochód porusza
się doskonale po gładkiej szosie, a pociąg po idealnie dobranym i wyprofilowanym torowisku.
W terenie podmokłym samochód – nawet odpowiednio dostosowany do trudnych warunków –
porusza się kiepsko, czasami wcale! A pociąg po zdezelowanych szynach? Zwalnia, stąd też
mamy ograniczenia prędkości i się denerwujemy, że znowu spóźnimy się na umówioną w stolicy
naradę.
A jak w trudnych warunkach terenowych radzi sobie większość zwierząt? Nie jeżdżą one
samochodami ani pociągami. Przemieszczają się wolniej, ale za to skutecznie! Na nierównych
i grząskich powierzchniach najlepszym środkiem lokomocji są… nogi, a u owadów odnóża!
I jakoś zwierzęta nie spóźniają się na swoje sejmiki i robocze posiedzenia grupy lub stada.
Projektant istot żywych dobrze wiedział, że najlepiej będą się poruszały za pomocą nóg. Co
ciekawe, wbrew przypuszczeniom, odnóża owadów wcale nie są prymitywne, lecz wyjątkowo
skomplikowane. To właśnie z tego powodu przewyższają swymi walorami koła. Tak zresztą jak
bakterie korzystają z obrotowych i giętkich, zdalnie kontrolowanych i sterowanych wici – zamiast
Podglądanie przyrody
3
z „czegoś” na podobieństwo wynalezionego przez człowieka koła. Oto powody, dla których
Konstruktor i Twórca bakterii i owadów „wzgardził” kołem.
Lecz to nie wszystko! Konstruktorzy robotów przeznaczonych do poruszania się po
nierównym terenie już dawno zrezygnowali z kół na rzecz „owadopodobnego” układu odnóży,
zwykle sześciu, a czasami ośmiu. Współczesne roboty zaledwie usiłują naśladować metody
przemieszczania się typowe dla owadów, ale i tak potrafią już sporo. Wystarczy wspomnieć
o takich urządzeniach, jak Hexapod czy Hexor II, czyli 6-nożnych robotach kroczących.
Odznaczają się one prostotą i estetyczną budową. Umieją nie tylko chodzić, lecz także omijać
przeszkody i wykonywać inne wcześniej zaprogramowane ruchy.
Sześcionożny polski robot Hexor II (dwie różne wersje), skonstruowany na Politechnice Śląskiej
(spółka „Stenzel”), prezentowany podczas wystawy
(Zdjęcia z Internetu: http://www.asimo.pl/modele/hexor.php oraz http://dnip.pl/?mode=wystawcy&cmd=71)
Na przykład robot Hexor (zobacz zdjęcia powyżej), skonstruowany na Politechnice
Śląskiej*, przypomina skorpiona, który zamiast kolca na ogonie ma kamerę przesyłającą obraz na
komputer, a z niego poprzez łącze radiowe można sterować (…).
* Twórcy robota Hexor, dwaj absolwenci Politechniki Śląskiej, Tomasz Stenzel i Maciej Sajkowski (wspierani przez
profesorów Bogusława Grzesika i Kazimierza Gierlotkę), wygrali w 2002 roku konkurs „Mój pomysł na biznes”.
Później powstała spółka „Stenzel Sp. z o.o.”, która realizuje kolejne wersje tego robota.
A co powiedzieć o szczegółach? „Pajęczak” porusza się na sześciu plastikowych
odnóżach, napędzanych małymi silniczkami z wykorzystaniem serwonapędów. Posiada ponadto
wąsy, kryjące czujniki dotykowe, ma też czujniki na podczerwień w odwłoku i sonar na ogonie –
dzięki temu wyposażeniu radzi sobie z każdą przeszkodą. Bezbłędnie ją rozpoznaje i na czas
omija. Może więc patrolować zadaną mu trasę.
Oprócz przesyłania obrazu z kamery robot potrafi mierzyć temperaturę, stężenie gazu lub
wykrywać materiały wybuchowe – w zależności od liczby i rodzaju czujników, jakie w nim
zamontowano. (…) „Pajęczak” ten ma również wbudowany reflektor podczerwieni pozwalający
na widzenie w ciemności. Osiąga prędkość 10 cm/s, czyli sporo, jeśli wziąć pod uwagę, że
jednocześnie wykonuje wiele innych czynności wspomnianych wyżej. No i spokojnie porusza się
po nierównym lub błotnistym albo kamienistym terenie. A wszystko za sprawą kroczących
odnóży z plastiku – nie zaś nowoczesnych kół, które by całkowicie zawiodły, gdyby robot miał
przeczesywać na przykład obszar leśny, szukając celów namierzanych przez policję lub służby
wojskowe.
Najwyraźniej więc w pewnych zastosowaniach także człowiek „wzgardził” tradycyjnym
kołem, a skorzystał z rozwiązań od dawna znanych owadom. Fakt ten jednak wcale nie umniejsza
roli konstruktorów nowoczesnych kół ani nie odziera ich z poczucia słusznej dumy. Po prostu –
koła nadają się znakomicie do niektórych pojazdów i maszyn, podczas gdy plastikowe odnóża
wzorowane na nóżkach owadów przydatne są w urządzeniach badawczo-poszukiwawczych
w rodzaju robotów. Odnóża te faktycznie dobrze sobie radzą podczas poruszania się
Podglądanie przyrody
4
w nierównym i różnorodnym terenie. Niemniej jednak w zakresie ich konstrukcji pozostaje
jeszcze wiele do zrobienia. (…)
Koło „nowoczesne”, znane „od dawna” wici bakterii
czy równie stary układ odnóży owada – co lepsze?
Oto pytanie! Koło, wici i odnóża spełniają swoje funkcje w określonych okolicznościach.
Bakteria nie chce mieć nieprzydatnych kół, owad woli swoje nóżki (i ma ku temu powody),
a ludzie preferują koła – bo je wynaleźli, bo zrewolucjonizowały one nasze życie i nasz świat.
Jednakże koło, jako środek transportu daleki od ideału, ma sporo mankamentów, chociaż obecnie
nie wyobrażamy sobie świata bez tego wynalazku. Wici – porównywane do pędnika (śruby
napędowej w łodzi) – obracają się, przypominając ruch kołowy, ale nie mają z kołem zbyt wiele
wspólnego. Odnóża kroczą po terenie i są praktyczne tam, gdzie koła zawodzą. Podglądając wici,
można ulepszać koła, a podpatrując sposób poruszania się owadów, trzeba po prostu z kół
zrezygnować na rzecz nóg u robotów, wybitnie podobnych do tych u biedronek.
Może ktoś wzorując się na napędzie bakterii skonstruuje koło z bieżnikiem zaopatrzonym
w „wici”, w jakie zostało wyposażone to mikroskopijne stworzonko? Nonsens? Zauważmy tylko:
Kiedy zimą kierowcy samochodów w okolicach górskich zakładają na opony łańcuchy, to czyż
nie dają do zrozumienia, że zwyczajne tradycyjne koło – nawet najnowocześniejsze – nie zdaje
egzaminu? Wprawdzie łańcuchy to nie wici, no ale pomysł przekształcenia gładkiego koła
w takie, które by miało na obrzeżach jakieś wystające, sprężyste i elastyczne włókna, mógłby się
okazać koncepcją torującą przed zapalonymi konstruktorami skromne początki. (…)
A czy udałoby się ulepszyć koło poprzez domontowanie do niego odnóży, by zapewnić mu
łatwość poruszania się po nierównych powierzchniach na wzór owadów? Brzmi to dość
dziwacznie. Jak by takie koło miało wyglądać? Gdyby na przykład odnóża (…).
Ku pobudzeniu nas do refleksji
Ponieważ przyroda – w tym bakterie i owady – była pierwsza niż koło, przeto rozwiązań
technicznych poszukiwać możemy (i powinniśmy) u jej żywych i niezwykle zaawansowanych
tworów. Koło, które w niniejszym artykule stało się celem rozważań, stanowi zaledwie jeden
przykład wynalazku człowieka wcale nie najdoskonalszy. A co powiedzieć o wspomnianych na
początku silnikach odrzutowych, urządzeniach radarowych bądź namierzaniu laserowym? We
wszystkich tych i wielu innych urządzeniach zastosowano jakiś wynalazek wcześniej podpatrzony
w przyrodzie (…). Wykazaliśmy w tym artykule, że inżynierowie często naśladują rozwiązania
zaobserwowane w przyrodzie, by usprawnić własne wynalazki. (…)
Czyż uczciwe spojrzenie na osiągnięcia ludzi (…) nie powinno pobudzać nas do refleksji
i wyzwalać poczucia pokory?
Artykuł przygotowany niemal w całości na podstawie materiałów własnych:
Teodor Gnozjusz
Więcej informacji o tym, jak nabyć cały artykuł, podano w zakładce „Zamówienie”
Copyright © 2014 by Redkor.pl