Příroda jako inženýr, díl druhý: Zvíře v nástroji
„Evoluce je nejlepší inženýr, jakého jsme nikdy nezaplatili. Chyba je, že jsme ji tak dlouho ignorovali.“
(volně podle Janine Benyusové, Biomimicry: Innovation Inspired by Nature, 1997)
V prvním díle tohoto článku jsme se podívali na to, jak jednoduché pozorování přírodního vzoru proměnilo průmysl: geko změnil lepicí pásku, ledňáček opravil japonský vlak, keporkak vylepšil větrné turbíny. Jenže příroda je nevyčerpatelná knihovna – a my jsme přečetli teprve první kapitolu.
Tady je pokračování. Devět dalších případů, kdy se někdo zastavil, podíval se na zvíře nebo rostlinu a místo toho, aby pokračoval dál, začal přemýšlet.
Žralok, který letěl do Pekingu
Na olympiádě v Pekingu v roce 2008 se stalo něco, co rozhýbalo sportovní správní orgány k rychlé akci. Plavci oblečení v celotělových kombinézách z polyuretanu a neoprenu rozbili rekord za rekordem. A světová plavecká federace záhy takové oblečení zakázala v soutěžních závodech.
Za tím zákazem stála technologie inspirovaná žraločí kůží. Žralok není hladký – jeho povrch pokrývají miniaturní zubovité struktury zvané dermální dentikule, které řídí tok vody kolem těla a snižují odpor. Návrháři závodních kombinéz se tímto vzorem nechali inspirovat a vytvořili textury, které podobným způsobem vedou vodu přes plavecké tělo. Bylo to natolik účinné, že plavci v těchto oblecích dosahovali výsledků, kvůli kterým se začalo pochybovat, zda se vlastně porovnávají lidé, nebo jejich vybavení.
Pozdější studie ukázaly, že komerční oblečení nereplikuje přesnou strukturu skutečné žraločí kůže, jenže princip fungoval i tak. Inženýři od té doby pokračují v průzkumu nových materiálů pro závodní vybavení i povrchové úpravy plavidel. Žralok totiž problém hydrodynamiky řeší od prvohor, takže na to má víc než čtyři sta milionů let praxe.
Netopýr a zvuk, který vás zachránil
Lazzaro Spallanzani byl v osmnáctém století zvídavý člověk, který dělal pokusy s netopýry v tmavých místnostech. Zjistil, že netopýři létají naprosto spolehlivě, i když jim zakryje oči – ale selhávají, když jim zacpe uši nebo ústa. Pohybují se zvukem, ne světlem.
Toto pozorování – které Spallanzani formuloval s trochou zmatku, protože mechanismu sonarového vnímání tehdy ještě nikdo nerozuměl – položilo základ pro pozdější vývoj sonaru. Námořní inženýři vypracovali systém, který vysílá zvukové pulzy a měří odrazy: tímto způsobem lze mapovat okolí pod vodou, sledovat ponorky i navigovat v úplné tmě. Sonar se pak stal modelem i pro lékařský ultrazvuk, který dnes zobrazuje orgány a nenarozená miminka bez jediného rentgenového paprsku.
Technologie, která „vidí zvukem“, sdílí základní princip s malým nočním lovcem, jehož rozpětí křídel nepřesahuje délku dlaně. Spallanzani to nemohl tušit. Byl o sto padesát let napřed před tím, než si kdokoliv uvědomil, jak přesně to celé funguje.
Létající veverka, která naučila lidi padat správně
Franz Reichelt byl krejčí, který v roce 1912 vyskočil z Eiffelovy věže v plášti, který si sám navrhl jako létací oblek. Nepřežil to. Byl odhodlaný, možná statečný, určitě neprozřetelný. A taky přišel na myšlenku zhruba stejnou jako létající veverka, jen bez dostatečného pochopení toho, proč jí to funguje.
Poletucha totiž nelétá, ale klouže. Má membránu zvanou patagium – kus kůže napnutý mezi předními a zadními končetinami na obou stranách těla – která se roztáhne, jakmile tento savec rozhodí končetiny do tvaru X. Přesně tato geometrie přetváří volný pád na řízené klouzání pod úhlem přibližně třicet až čtyřicet stupňů. Ocas slouží jako kormidlo: zvednutím dokáže v posledním okamžiku téměř zastavit a přistát.
Moderní wingsuit, který se v komerční podobě objevil na konci devadesátých let – nejprve jako BirdMan Classic od Roberta Pečnika a Jariho Kuosmy – dělá přesně totéž s nylonovou tkaninou napnutou mezi pažemi, nohama a trupem. Piloti dosahují horizontálních rychlostí přes tři sta kilometrů za hodinu. Stále ale musejí nakonec otevřít padák – přistání bez padáku veverka zvládla, piloti wingsuitů zatím ne. Jak poznamenal jeden popularizátor tohoto sportu, evoluce nás tu stále o generaci předbíhá.
Pes, který jde tam, kam policisté nemohou
„Švejku vy ste ukrad psa!“
Nadporučík Lukáš
V březnu 2024 absolvovala massachusettská policie sedmihodinovou patovou situaci: ozbrojený muž se zavřel v bytě a držel rukojmí. Místo aby dovnitř posílala důstojníky, poslala robota. Robot se jmenoval Roscoe, byl vyroben firmou Boston Dynamics, měl čtyři nohy a pohyboval se místnostmi způsobem, který je pro dvounohé tvory těžko proveditelný bez vystavení se přímému nebezpečí. Roscoe lokalizoval podezřelého – a byl třikrát střelen, načež přestal komunikovat. Žádný důstojník nebyl zraněn.
Boston Dynamics svůj robot Spot modeloval podle pohybu středně velkého pracovního psa. Tedy zvířete, které přirozeně zvládá terén, schodiště, rovnováhu na nestabilním povrchu i orientaci v uzavřených prostorech. Spot nese až čtrnáct kilogramů vybavení, může přenášet kamery, termální senzory a mikrofony, a v roce 2024 jej aktivně využívalo přes šedesát pyrotechnických a zásahových jednotek po celých Spojených státech a Kanadě. Americká tajná služba ho nasadila k hlídkování areálu Mar-a-Lago před příjezdem prezidenta.
Robot psa nekopíruje doslova, ale přebírá ze čtyřnohé biomechaniky přesně to, co má smysl: stabilitu na nerovném povrchu a schopnost fungovat v prostorách, které nebyly navrženy s ohledem na bipedy neboli dvounožce.
Kolibřík v budově plné výbušnin
DARPA – americká agentura pro výzkumné projekty obrany – financovala v roce 2011 projekt nazvaný Nano Hummingbird. Výsledkem byl dron přibližně velikosti skutečného kolibříka, který místo rotorů používal mávající křídla a dokázal se vznášet na místě, uhýbat do strany, letět pozpátku a provádět prudké obraty. Schopnosti, které konvenční drony s pevnými rotory dělají špatně nebo vůbec.
Kolibřík vyvinul tuto manévrovatelnost proto, aby se dokázal vznášet před květinou a sát nektar – jde o evoluční řešení problému, jak zůstat přesně na místě ve třech dimenzích. Inženýři z AeroVironment toto řešení přenesli na zpravodajský nástroj, který se vejde do otevřené dlaně, snímá video v reálném čase a dokáže proniknout do budov oknem nebo ventilačním otvorem. Chování, které se vyvinulo k sání cukrového roztoku, bylo adaptováno k průzkumu nebezpečných prostor bez rizika pro lidský personál.
Nano Hummingbird zůstal prototypem. Princip, který demonstroval, ale přetrval a nachází cestu do nové generace miniaturních dronů, které se nenavrhují podle aeroplánů, ale podle hmyzu a ptáků.
Sněžnice, které vymyslel zajíc
Sněžný zajíc má velká, hustě osrstěné zadní tlapky. Tato anatomická zvláštnost není estetická – je to inženýrské řešení problému, jak se pohybovat po povrchu, který se pod tlakem rozpadá. Velká plocha distribuuje váhu těla tak, aby tlak na čtverečný centimetr sněhu zůstal pod kritickou hodnotou, při níž by se zvíře propadlo.
Historické záznamy loveckých kultur popisují, jak lidé pozorovali zvířata s nadměrně velkými tlapami – zajíce, rysy, kariby – a jak tato pozorování vedla k prvním sněžnicím: dřevěným rámům vyplétaným surovou kůží. Stejný princip – zvýšení plochy pro distribuci váhy – stojí za moderními sněžnicemi, širokými sjezdovými lyžemi do hlubokého sněhu i za konstrukčními rozhodnutími u vojenských vozidel určených pro terén se slabou nosností povrchu. Příroda tento problém vyřešila dávno před tím, než inženýři dostali první zakázku.
Kachna, která odolává dešti bez membrány Gore-Tex
„Kachny. Kachny. Kachny.“
Rozpuštěný a vypuštěný
Kachní peří odpuzuje vodu tak spolehlivě, že kachna může celý den plavat a pod peřím zůstat suchá a teplá. Mikroskopická analýza ukazuje, že za tím nestojí žádná exotická chemie – jde o víceúrovňovou vláknitou strukturu, která zachycuje vzduch a spolupracuje s přirozeným voskem, který si kachna aplikuje zobákem z mazové žlázy. Výsledkem je hydrofobní povrch, který vodu odráží, aniž by sám absorboval vlhkost.
Textilní vědci tuto strukturu studují a navrhují syntetické povrchy a povlaky, které napodobují vlastnosti kachního peří. Výzkum v této oblasti přímo ovlivňuje vodoodpudivé a voděodolné úpravy používané v outdoorových bundách, stanech a dalším vybavení, které musí odpuzovat déšť a zároveň umožňovat průchod páry. Kachna tento problém – zůstat suchou, ale nezadusit se – vyřešila s elegancí, ke které se výrobci technických textilií stále přibližují.
Gepard, který netlačí na svaly
Gepard je nejrychlejší suchozemský živočich na planetě. Dosahuje rychlosti přes sto kilometrů za hodinu na krátké vzdálenosti. A dělá to díky soustavě těsně sepjatých svalů, pevné pojivové tkáně a aerodynamicky tvarovaných končetin, které minimalizují zbytečné pohyby při zrychlování a brzdění. Sval nepracuje nadbytečně, protože ho nic zbytečně nevychyluje.
Kompresní oblečení pro sportovce přebírá stejný princip: přilnutím ke svalům omezuje jejich vibraci při pohybu, podporuje krevní návrat a snižuje únavu při opakovaných sprintech. Je pravda, že moderní kompresní oblečení nevzniklo přímým pozorováním gepardů, jeho kořeny jsou v lékařských kompresních punčochách a sportovní fyziologii. Ale princip, který ztělesňuje, je identický s tím, co gepardí anatomie demonstruje na svalové úrovni: kontrolovaný pohyb, stabilní svalstvo, efektivní průtok krve.
Had, který operuje
Chirurg, který dnes provádí minimálně invazivní zákrok tenkým flexibilním nástrojem skrz malý řez, pracuje s technikou inspirovanou pohybem hada. Inženýři z Carnegie Mellon University strávili léta studiem toho, jak had ohýbá tělo, využívá tření a posílá vlnu podél páteře tak, aby tělo sledovalo hlavu skrze úzké prostory. Výsledkem bylo zařízení, které oni i jejich spolupracovníci popsali jako „vysoce kloubnatou sondu“ – flexibilní chirurgický nástroj, který kombinuje tuhost se schopností zatočit se přesně tam, kde to konvenční rigidní nástroj neumí.
Princip „follow-the-leader“ – kdy každý člen systému sleduje trasu, kterou udělala hlavice – je přímou adaptací hadí biomechaniky. Flex System vyvinutý z tohoto výzkumu získal certifikaci pro použití v evropských operačních sálech a byl nasazen pro chirurgii hlavy a krku. Pacient se rychleji uzdraví, protože chirurg nepotřeboval velký řez. A chirurg to dokáže proto, že se někdo před lety podíval na hada a zeptal se, jak to dělá.
Spolehlivý spolužák
Když se podíváte na tento seznam jako celek – od létající veverky po chirurgického hada, od kolibříka po kachní bundu – vychází z toho jeden opakující se vzor. Ne ten, že příroda je „chytrá“. Ale ten, že příroda je prověřená. Každý organismus, který dnes existuje, přežil miliony let selekce. Cokoliv bylo neefektivní, zmizelo. Co zbylo, funguje – a v mnoha případech funguje lépe než cokoliv, co jsme vymysleli sami.
Janine Benyusová, která tento obor pojmenovala a systematizovala, říká, že nejdůležitější otázka biomimetiky není „co můžeme zkopírovat“. Je to: „Jak zůstat dostatečně pozorní, abychom si všimli, co příroda dělá?“ De Mestral se v roce 1941 mohl jednoduše setřást bodláčí a jít domů. Spallanzani mohl ignorovat netopýra jako zajímavou kuriozitu. Nakatsu mohl ledňáčka pustit z hlavy.
Nezapomněli. A proto jsme my měli tišší vlaky, bezbolestné injekce a roboty, kteří jdou tam, kde to policisté nemohou.
Zdroje: AZAnimals, BostonDynamics, CarnegieMellonUniversity