Owadzi przepis na unikalne substancje

Naukowcy inspirują się zdolnościami owadów, tworząc niezwykle substancje i materiały. Na wzór owadzich społeczności budują nawet algorytmy matematyczne.

Biomimetyka wzięła swoją nazwę z połączenia słów "bios" - życie i "mimesis” - naśladowanie. Nauka ta powstała w 1950 r. Obecnie wielu naukowców w swoich pracach badawczych czerpie różne rozwiązania od organizmów żywych. Przykłady zgromadziła dr hab. inż. Anna Gorczyca z Uniwersytetu Rolniczego im. Hugona Kołłątaja w Krakowie.

NATURALNA OCHRONA PRZED ŻYWIOŁAMI

"Ciemnik czarny do zamknięcia cyklu rozwojowego potrzebuje nadpalonego drewna, w którym rozwijają się larwy. Owad zwany jest ogniolubnym, bo wykształciła się u niego umiejętność wyszukiwania pożarów lasów. W jego czułki wbudowane są chemoreceptory odpowiadające na fenole wydzielane podczas spalania lasu. Pod skrzydłami ma też czujniki podczerwieni. Osobniki dorosłe tego gatunku reagują na pożar w promieniu 50 kilometrów" - mówi dr Goczyca.

To bardzo duży obszar - podkreśla badaczka. Dla porównania – detekcja pożaru z użyciem helikoptera to tylko 20 kilometrów. Na podstawie czujników ciemnika czarnego zbudowano ich odpowiednik, który już działa. Być może wkrótce tak wyposażone służby przeciwpożarowe będą miały dużo większe możliwości.

Kolejne zjawisko, które w naturalny sposób wykorzystują owady, to tzw. efekt lotosu. Liście tej rośliny, podobnie jak skrzydła motyli, zbudowane są w taki sposób, że krople wody zbierają się na nich i nie wsiąkają, ale są wymywane. "Nierówności, które występują na skrzydłach wielu owadów, możemy obserwować tylko w mikroskopie elektronowym. Zmniejszają one przyczepność, a woda, którą charakteryzuje pewna polarność, zbiera zanieczyszczenia i usuwa je pod wpływem siły ciężkości z powierzchni skrzydeł owadów bądź liści. To jest wykorzystywane w samooczyszczających się farbach, szkle, ubraniach" - wylicza dr Gorczyca. Podkreśla, że takie mechanizmy zdecydowanie zmniejszają zużycie detergentów. W przyszłości planowane są samochody samooczyszczające się, czyli pokryte lakierem o takich charakterystykach, jak skrzydła owadów.

Strukturę łusek występujących na skrzydłach motyla wykorzystano także w zabezpieczeniach papierów wartościowych, w tym banknotów, przed podrobieniem i wydrukiem. Do wykonania takich zabezpieczeń niezbędne są skomplikowane technologie, dlatego banknotów jeszcze nie ma w obiegu, ale są już ich prototypy.

JEDWABNY KLEJ I CHITYNOWY PLASTIK

Najbardziej znaną substancją produkowaną przez owady jest naturalny jedwab. Już sto lat temu naukowcy zaczerpnęli wiedzę od natury i stworzyli sztuczny jedwab z celulozy. Jedwab produkowany przez chruściki, czyli owady wodne, nie tylko jest całkowicie odporny na wilgoć, ale służy też do sklejania różnych elementów przy budowie podwodnych gniazd i zabezpieczaniu pokarmu. Okazało się, że taki jedwab może być zastosowany w medycynie do rekonstrukcji kości i innych zabiegów wymagających sklejania elementów w wilgotnym środowisku. Już prowadzone są badania zmierzające do sztucznej syntezy i praktycznego wykorzystania takiej substancji.

Zaczerpnięto od owadów także nowej generacji plastik - całkowicie biodegradowalny, bo zbudowany z chitozanu. Wprawdzie pochodzi on z pancerzyków krewetek, ale substancja ta występuje także w szkieletach zewnętrznych owadów. Taki materiał już powstał, nazywa się shrilk i jest testowany. Jest cienki, przezroczysty i elastyczny. Jego wytrzymałość jest porównywalna z aluminium, ale jest od niego o połowę lżejszy. Jest testowany i typowany do zastosowań m.in. w implantologii. Po biodegradacji może być stosowany jako nawóz.

ZBIOROWA INTELIGENCJA ROJÓW

Zachowanie społeczności owadów wykorzystywane jest w matematyce wyższej, kombinatoryce i informatyce. Jak tłumaczy dr Gorczyca, grupa owadów osiąga pewne cele w sposób - wydawałoby się - niezamierzony, ale jest to związane z inteligencją roju. Polega ona na tym, że każdy osobnik czerpie informacje na temat otoczenia i swojej roli nie od zwierzchnika, tylko w wyniku interakcji z innymi osobnikami. W społecznościach owadów jednostki mają nie tyle przynosić korzyść sobie, ale całej społeczności. Nie ma tam planowania, przywództwa, rozdzielania zadań, tylko wirtualna inteligencja, którą próbują zastosować w swoich projektach niektórzy uczeni.

W projekcie TERMS zbudowano wiele małych robotów, które mają budować różne zaawansowane trójwymiarowe konstrukcje. Nie ma tam dowódcy ani planu, tylko krótki program. Jeżeli któryś robot ulegnie zniszczeniu, natychmiast jest wymieniany na inny. Twórcy TERMS widzą zastosowanie swoich robotów do budowy wałów przeciwpowodziowych, gdzie nie można użyć ciężkiego sprzętu, lub do konstrukcji kosmicznych dla osadników na Marsie, gdzie przed przybyciem ludzi mogłaby być wysłana społeczność „robocików”.

Drugi projekt, gdzie może być wykorzystana społeczność budowana na wzór owadów, to Key-robot. Są tam 1024 roboty, każdy wielkością nieprzekraczający monety, wyposażone w czujniki podczerwieni i nóżki umożliwiające poruszanie się. Oprogramowanie pozwala im na przyjmowanie różnych kształtów, na przykład gwiazdy. Będzie to wykorzystywane do rozwiązywania problemów z korkami samochodowymi. Samochody wyposażone w takie oprogramowanie będą kierowane na określone trasy, żeby nie tworzyły się korki w miastach.

Projektowanie nowych leków wymaga wielu skomplikowanych badań. Projekt wykorzystywany w medycynie i oparty na działaniach informatycznych nosi nazwę Swam Design Tools. Opracowane w nim skomplikowane algorytmy i symulacje komputerowe pozwalają tworzyć nowej generacji leki stosowane w terapii nowotworów.

Ostatni przykład to optymalizacja kolonii mrówek. Inspiracją dla uczonych jest tu zachowanie mrówek poszukujących pokarmu. Mrówki robią to w sposób losowy. Jeśli mrówka znajdzie pokarm i wraca do kolonii, to zostawia na swojej drodze ślad feromonu. Kolejne mrówki kierując się tym śladem również odszukują pożywienie. Feromony po pewnym czasie wyparowują. Zasadą jest, że im bliżej do pożywienia od gniazda, tym feromony są intensywniejsze. Z tego korzystają kolejne mrówki. One również wracając wzmacniają zapach. W matematyce wyższej algorytm mrówkowy służy m.in. rozwiązywaniu tzw. problemu komiwojażera.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk (Olszewska)

kol/ mrt/