Vynálezy inspirované přírodou: Učíme se od zvířat i rostlin

Georges de Mestrall se právě vrátil z lovu. Odložil pušku a batoh, sundal kabát a jeho zrak padl na psa, kterému během toulek po alpských úbočích uvízla v srsti spousta lopuchových „ježků“. De Mestrall začal vybírat pichlavé nadělení ze psí srsti a přitom mudroval, proč to jde tak špatně. Hlubší zájem o zdánlivě banální problém se stal kořenem pro zřejmě nejznámější vynález inspirovaný přírodou.

Suchý zip a kočičí oko

Večer vložil Georges de Mestrall jednu bodlinu z lopuchového ježka pod mikroskop a uviděl na konci háček, v němž ještě vězel psí chlup. Právě v tom okamžiku se v roce 1941 v malé švýcarské vesnici Commugny zrodil nápad na „suchý zip“ známý po celém světě pod ochrannou známkou Velcro. Název je složený z francouzských slov „velur“ čili samet a „crochet“, tedy háček. Až v roce 1955 byl ovšem švýcarskému elektroinženýrovi udělen patent. Mestrall se nikdy netajil tím, že svůj životní vynález „opsal“ z přírody, konkrétně od lopuchu většího (Arctium lappa).

Podobných přírodních vynálezů užíváme celou řadu a mnohé jsou ještě starší než suchý zip. Počátkem 19. století přinesla revoluci v dřevařství konstrukce zubů dřevorubeckých pil inspirovaná kusadly larev tesaříků. Také pro reflexní prvky označující například patníky na silnicích našel jejich vynálezce Percy Shaw inspiraci v přírodě. Při jízdě temnou nocí po klikaté silnici zahnul na poslední chvíli správným směrem jen proto, že se světlo z jeho auta odrazilo od očí kočky sedící na plotě. Tak vznikl v roce 1933 nápad na první „kočičí oko“ a patentová přihláška byla podána ve Velké Británii o rok později. Shaw svůj patent obdržel, i když jeho předloha – vrstva buněk zvaná tapetum lucidum – byla v té době stará miliony let.

Nedostižný vzor vojenského námořnictva

Jedním ze současných příkladů přírodní inspirace je fascinace amerického vojenského námořnictva obřím rejnokem mantou atlantskou (Manta birostris). Tato paryba má rozpětí ploutví bezmála osm metrů a největší kusy váží až 1 300 kilogramů. Navzdory impozantním rozměrům jsou manty mistry podvodní akrobacie. Zatímco nejlepší ponorky potřebují k obrátce o 180° oblouk o poloměru 0,7 délky svého trupu, manta vykrouží stejnou obrátku obloukem o poloměru 0,27 délky těla.

Zatímco ryby a žraloky žene vpřed vlnění trupu ze strany na stranu, manta pod vodou „létá“. Počítačová analýza záběrů nasnímaných speciálními kamerami odhalila, že se „křídlem“ manty přeženou při každém mávnutí hned dvě vlny. Jedna probíhá od přední hrany ploutve směrem dozadu, druhá postupuje od trupu k okraji ploutve. Obě vlny se skládají v dokonalé harmonii a výsledkem je vysoká rychlost a přitom dokonalá manévrovací schopnost. Manta zvládá složitou koordinaci pohybu ploutve díky neuvěřitelně komplikované vnitřní anatomii. Pokusy napodobit tuto strukturu a vytvořit umělé podmořské křídlo zatím selhávají. Akrobatická dovednost manty, která umí kromě jiného vyskočit vysoko nad hladinu, je zatím pro výtvory lidských rukou nedostižná.

Pouštní lovec mlhy

Zatímco nad faktickou potřebností výkonných ponorek by se dalo pochybovat, další z přírodních vynález by mohl lidem jednoznačně přinést užitek. Africká poušť Namib patří k nejsušším místům světa. Déšť je tu vzácný a přichází ve zcela nevypočitatelných intervalech. Jediným spolehlivým zdrojem vody je mlha, kterou vítr přináší z chladných vod jižního Atlantiku. Husté mlhy mohou proniknout až 100 kilometrů do vnitrozemí a Namib se do ranní mlhy halí minimálně 60 dní v roce. V některých letech je tu však do roka až 200 mlhavých dní a každý obyvatel pouště se z tohoto přídělu životadárné kapaliny snaží urvat, co se dá.

Mezi tvory, kteří získávají vodu z mlhy aktivně, patří potemník s případným českým jménem sběrač rosný (Onymacris unguicularis). Tento brouk vylézá v mlžných dnech na hřebeny písečných dun a nastavuje tělíčko větru vanoucímu od oceánu rychlostí kolem 30 kilometrů v hodině. Kapičky rosy měří v průměru kolem dvou setin milimetru a zachytávají se na hrbolatém povrchu potemníkových krovek. Povrch krovky má velmi proměnlivé vlastnosti. Hrbolky svým povrchovým nábojem kapičky rosy přitahují, prohlubně je naopak odpuzují. Tak jsou kapičky tlačeny k hrbolkům, kde se voda shromažďuje ve stále větších kapkách. Brouk „loví mlhu“ se zadečkem vysoko zdviženým nad okolní terén a s hlavou těsně u povrchu duny. Když kapka na krovkách naroste do průměru kolem půl centimetru, překoná její tíha přitažlivou sílu hrbolku a kapka steče po zádech až k broukovým ústům.
Technici z amerického Massachusetts Institute of Technology okopírovali strukturu krovek sběrače rosného a vyvinuli materiál vhodný pro získávání vody z mlhy. Mohl by se využívat pro zavlažování rostlin v suchých oblastech s pravidelným přísunem mlh, například v Austrálii nebo Jižní Americe.

Návrat do slepé uličky

Pravděpodobně nejstarší přírodní inspirací je touha lidí vzlétnout, která se bezpochyby objevila mnohem dříve než báje o Ikarovi a jeho pádu. Okoukat let od ptáků se snažil například Leonardo da Vinci. Dlouho se zdála koncepce letounů s pohyblivými křídly překonaná a konstruktéři takzvané ornitoptéry dlouho vnímali jako slepou uličku. To se však mění.

Ptačí let má ve srovnání s provozem letounů celou řadu předností. Pták nepotřebuje ke startu a přistání dlouhou dráhu. Dokáže se pohybovat nejen velkými rychlostmi, ale také se vznášet na místě nebo dokonce couvat. Možnosti dálkových ptačích letů demonstruje břehouš rudý (Limosa lapponica), který létá nonstop z Aljašky na Nový Zéland. Za devět dní nepřetržitého letu urazí bez doušku vody a sousta potravy 11 500 kilometrů. Ukázkou ptačí letecké akrobacie jsou kolibříci (Trochilidae) pohybující se s milimetrovou přesností od jednoho květu k druhému. Kolibřík může dokonce „zařadit zpátečku“.

Teoretické základy pro konstrukci letounu s mávajícími křídly položili už ve 30. letech minulého století letečtí inženýři, kteří se snažili vyhnout deformaci pevných křídel klasických letounů a počítali, jaké následky má pro let kmitání pevného křídla nebo jeho esovité zkroucení. Právě tyto „nežádoucí fenomény“ představují základní složky pohybu mávajícího křídla. Pták však zkroucení křídla řídí a koordinuje ho s mávnutím. Využívá to, čemu konstruktéři říkají aktivní zkrut.

Jedinečná křídla

V současnosti existuje hned několik prototypů ornitoptér imitujících pohyb ptačího křídla. Americká firma AeroVironment sestrojila a v roce 2011 předvedla robota Nano Hummingbird, jenž létá díky mávajícím křídlům. Jak znalcům angličtiny prozrazuje jméno, má tento robot s rozpětím 17 centimetrů a hmotností 19 gramů předobraz v kolibřících. Stejně jako kolibřík se může se pohybovat libovolným směrem. Dosahuje přitom rychlosti až 18 km/hod. Vývoj „nano kolibříka“ financovala americká armáda, jež ho hodlá používat pro výzvědy a průzkum.

TIP: Kmitání létajících drahokamů: Kolibříci, „motýli“ mlžného pralesa

Dalším umělým ptákem s mávajícími křídly je SmartBird, který svými tvary nezapře inspiraci mořskými racky. Prototyp z dílny leteckého inženýra Wolfganga Senda z německé společnosti Festo si odbyl premiéru na Hannoverském veletrhu v roce 2011, kde nadchl 20 000 diváků. Za své obdivuhodné letové schopnosti vděčí dokonalému napodobení aktivního zkrutu křídla skutečných ptáků.

Zázračná pavučina

Nad mechanickými vlastnostmi pavoučího vlákna žasnou vědci už déle než století. Nejpevnější známé pavučiny má nedávno objevený madagaskarský křižák (Caerostris darwini), který si spřádá obrovské sítě nad toky řek. Táhnou se z jednoho břehu na druhý a jejich jednotlivá vlákna jsou dlouhá i desítky metrů. Tah, jemuž tyto pavučiny vzdorují například ve větru, je obrovský. Není proto divu, že i ve srovnání s kevlarem, z něhož se vyrábějí neprůstřelné vesty, je vlákno pavouka Caerostris darwini desetkrát pevnější.

Některé typy pavučin se mohou natáhnout bez poškození na čtyřnásobek své délky a opět se vrátí do původního stavu. Pavučina je navíc ve srovnání s většinou srovnatelně pevných či pružných materiálů neuvěřitelně lehká. Vlákno, které by stačilo na opásání Země kolem rovníku, by vážilo asi půl kila. Většinu mechanických vlastnosti si pavučina udržuje v impozantním teplotním rozmezí od -40°C do +220°C.

Snem materiálových inženýrů je získat dostatek kvalitních pavoučích vláken. Největší zájem je o „záchranná“ vlákna, která využívají pavouci k úniku před nepřáteli. V ohrožení se pavouk prudce spustí na vláknu do prázdnoty, kde pak zůstane nehybně viset. Vlákno nejen vydrží náraz a tah pavoučího „bungee jumpingu“, ale navíc se okamžitě „zklidní“. Pavouk se na jeho konci nehoupe ani neotáčí, aby byl co nejméně nápadný.

Pokusy opatřit si větší množství pavučiny dlouho troskotaly. Sběr hotových pavučin v přírodě se neosvědčil, protože na vláknech lpí nečistoty, které znemožňují další zpracování. Selhal i velkochov pavouků, o který se pokoušeli vědci pracující pro americké vojenské námořnictvo. Pavouci jsou kanibalové a pavoučí chovné „hejno“ se rychle zmenšovalo. Nakonec byla kvalitní a levná pavučina získána díky genovému inženýrství. Kanadsko-americká firma Nexia Bioscience přenesla gen pro bílkovinu pavoučího vlákna do dědičné informace koz tak, aby zvířata dojila bílkovinu v mléce.

Z izolované bílkoviny lze vyrábět vlákno požadovaných vlastností. Hodí se pro výrobu neprůstřelných vest, chirurgických nití nebo lan, jimiž se na palubách letadlových lodí brzdí přistávající stíhačky. Informací o pokroku na tomto poli je však poskrovnu vzhledem k tomu, že firmu koupilo americké ministerstvo obrany a výsledky drží v utajení.

Po namočení do vody se pavučina smrskne na polovinu své délky. Vědci uvažují i o využití síly, která tak vzniká. Doufají, že po zvlhčení ranní rosou by mohla smršťující se vlákna například vyrábět elektřinu.