Människan härmar naturens fantastiska konstruktioner

Små barn ramlar och slår i huvudet. Äldre barn kan ramla av cykeln eller falla från ett träd. Deltagare i lagsporter stöter ihop med varandra ute på planen. Ute på vägarna inträffar det ständigt trafikolyckor. Men trots alla dessa fall, törnar och krascher kan vi ofta komma undan utan några allvarliga skador. Vår kropps tålighet och spänst är något vi tycks ta för givet. Men det forskarna nu börjar upptäcka är att vi, från benen i vårt inre ut till huden, är en produkt av en verkligt mästerlig konstruktion och formgivning.

KOMBINATIONEN av styrka och seghet — trots relativt låg vikt — kan ses överallt i naturen. Späda trädplantor tränger sig igenom sprickor i betong och klippgrund och pressar isär sprickorna, när de växer upp till stora, friska träd. Träden i sin tur kan stå emot vindar som välter kraftledningsstolpar och sliter sönder hus. Hackspettar borrar sig in i trä och utsätter huvudet för krafter som skulle förvandla en vanlig hjärna till mos. Krokodil- och alligatorskinn kan stå emot spjut, pilar och till och med kulor. (Jämför Job 41:1, 26.) Sådant har gjort människor både imponerade och förbryllade i tusentals år.

Under de senaste 40 åren har stora framsteg på teknikens område gett forskarna nya kraftfulla redskap till att studera hemligheterna bakom sådana konstruktioner, hemligheter som i de flesta fall är dolda djupt inne i den levande cellen. På denna mikroskopiska nivå får vi en hissnande och häpnadsväckande inblick i allt levandes komplexitet. Men målet med forskningen är inte bara att röja hemligheterna som ligger bakom de fantastiska material som finns i naturen, utan också att härma dem — i alla fall när det gäller de allmänna principerna. Detta forskningsfält är så lovande att det har gett upphov åt en ny vetenskap, den så kallade biomimetiken, från de grekiska orden bios, som betyder ”liv”, och mimesis, som betyder ”efterbildning”.

Biomimetiken ger löfte om en bättre värld

”Biomimetiken är studiet av biologiska strukturer [och] deras funktioner”, förklaras det i boken Biomimetics: Design and Processing of Materials. Boken tillägger att det här studiet görs i syfte att ”väcka nya idéer och med hjälp av dessa idéer utveckla syntetiska system liknande dem som man finner i biologiska system”.

Forskaren Stephen Wainwright säger att ”biomimetiken kommer att uppsluka molekylärbiologin och ersätta den som den mest utmanande och den viktigaste biologiska vetenskapen under 2000-talet”. Professor Mehmet Sarikaya hävdar: ”Vi står inför en revolution på materialområdet som kommer att kunna jämföras med järnåldern och den industriella revolutionen. Vi tar ett språng in i en ny era i fråga om material. Jag tror att biomimetiken på ett betydande sätt kommer att förändra vår livsstil under nästa århundrade.”

I själva verket har den redan börjat förändra vår värld, som vi skall se. Men låt oss först ta en snabb titt på några av de ännu outforskade underverk som forskarna nu ivrigt studerar. Vi skall också titta närmare på vad orden ”konstruktion” och ”formgivning” egentligen innebär och se hur detta ger mening åt den fantastiska värld vi har runt omkring oss.

Vi lär av naturen

”Många av våra bästa uppfinningar är kopior av sådant som redan används av andra levande varelser.” — Phil Gates: Wild Technology.

SOM nämndes i föregående artikel strävar man inom forskningsgrenen biomimetik efter att skapa mer komplexa material och maskiner genom att härma naturen. Naturen tillverkar sina produkter utan att ge upphov åt några föroreningar, och dessa produkter är ofta elastiska och lätta, men ändå otroligt starka.

Så till exempel är ben, räknat efter vikt, starkare än stål. Vad är hemligheten? Delvis ligger svaret i den välkonstruerade formen, men huvudorsakerna ligger på ett djupare plan — på molekylstadiet. ”Framgången hos levande organismer ligger i deras konstruktion och sammansättningen av deras minsta komponenter”, förklarar Gates. Ett resultat av att man har undersökt dessa de minsta komponenterna mer ingående är att forskarna har kunnat isolera de ämnen som ger naturprodukter, alltifrån ben till silke, deras eftertraktade styrka och låga vikt. Dessa ämnen som man har upptäckt är olika former av naturliga kompositer.

Underverket kompositer

Kompositer är starka material som är ett resultat av att två eller flera komponenter kombineras för att bilda ett nytt ämne som har egenskaper som är överlägsna egenskaperna hos ursprungskomponenterna. Detta kan illustreras med det syntetiska kompositfiberglaset, som används i båtskrov, spön, bågar, pilar och andra sportartiklar.a Fiberglas tillverkas genom att man placerar fina glasfibrer i en vätska eller geléliknande matrix av plast (som kallas polymer). När polymeren hårdnar, eller stelnar, blir slutresultatet en komposit som är lätt, stark och smidig. Om man varierar slaget av fibrer och matrixen, kan en enorm mängd olika produkter tillverkas. Naturligtvis är konstgjorda kompositer fortfarande grova och enkla i jämförelse med dem som man finner naturligt i människor, djur och växter.

I människor och djur finns det, inte glas- eller kolfibrer, utan ett fibröst protein som kallas kollagen och som utgör grunden i de kompositer som stärker hud, inälvor, brosk, senor, ben och tänder (utom emaljen).b Ett uppslagsverk beskriver kollagen-baserade kompositer som ”ett av de mest avancerade strukturella kompositmaterialen som man känner till”.

Ta till exempel senorna, som sammanbinder musklerna med benen. Senor är fantastiska, inte bara på grund av segheten i deras kollagenbaserade fibrer, utan också på grund av det mästerliga sätt varpå dessa fibrer är sammanvävda. I sin bok Biomimicry skriver Janine Benyus att en öppnad sena har en ”precision som är nästan ofattbart mångsidig. Senan i din underarm är en tvinnad bunt kablar, precis som kablarna i en hängbro. Varje enskild kabel är i sig själv en tvinnad bunt tunnare kablar. Var och en av dessa tunnare kablar är i sig själv en tvinnad bunt molekyler, som naturligtvis också är tvinnade, spiralformiga buntar med atomer. Gång på gång uppenbaras en matematisk skönhet.” Benyus kallar det ”mästerlig ingenjörskonst”. Är det förvånande att forskarna säger sig ha hämtat inspiration från naturens lösningar? — Jämför Job 40:15, 17.

Som nämndes förbleknar människogjorda kompositer i jämförelse med dem som finns i naturen. Men syntetfibrer är också en märklig produkt. De räknas faktiskt till de tio mest enastående prestationer i fråga om ingenjörskonst som gjorts under de senaste 25 åren. Så till exempel har kompositer med grafit- eller kolfibrer som grundmaterial skapat en ny generation vad gäller flygplansdelar och delar till rymdfarkoster men även sportartiklar, Formel 1-bilar, segelbåtar och lättviktsproteser — för att nämna bara några få saker i en snabbt växande varuförteckning.

Späck — ett underverk med många funktioner

Valar och delfiner är inte medvetna om det, men deras kroppar är inpackade i en förunderlig vävnad — späck, som är en form av fett. ”Valspäck är kanske det material med flest funktioner som vi känner till”, heter det i boken Biomimetics: Design and Processing of Materials. Boken förklarar att späck är en fantastisk flytanordning som hjälper valarna att gå upp till ytan för att få luft. Späcket ger dessa jämnvarma däggdjur utmärkt isolering mot det kalla havsvattnet. Och det är också det bästa tänkbara matförråd, när valarna förflyttar sig tusentals kilometer utan att äta. Ja, räknat efter vikt ger fett mellan två och tre gånger så mycket energi som protein och socker.

”Späck är dessutom ett mycket tänjbart, gummiliknande material”, enligt ovan nämnda bok. ”Enligt våra bästa beräkningar nu kan den acceleration som orsakas av den elastiska rekylen av späck som pressas samman och dras ut för varje slag med stjärtfenan spara upp till 20 procent av transportkostnaden under långvariga perioder av oavbrutet simmande.”

Man har tillvaratagit späck i flera hundra år, men inte förrän helt nyligen har man kommit fram till att omkring hälften av späckmängden består av ett komplicerat nätverk av kollagenfibrer som insveper varje djur. Även om forskarna fortfarande försöker förstå vad denna blandning av fettkompositer åstadkommer, tror de sig ha upptäckt ännu en mirakelprodukt som skulle kunna användas till mycket, om den framställdes på konstgjord väg.

Ett åttafotat ingenjörsgeni

På senare tid har forskarna också granskat spindeln mycket ingående. De är angelägna om att förstå hur den tillverkar sitt silke, som också det är en komposit. Det är sant att det finns många olika insekter som tillverkar silke, men spindelsilke är speciellt. Det är ett av de starkaste materialen på jorden, eller ”ett drömmaterial”, som en vetenskapsskribent uttryckte det. Spindelsilke har så många fantastiska egenskaper att det kan vara svårt att tro när man hör dem räknas upp.

Varför tar forskarna till superlativer, när de beskriver spindelsilke? Förutom att det är fem gånger starkare än stål, är det också i hög grad elastiskt — en ovanlig kombination för ett material. Spindelsilke kan tänjas mer än 30 procent längre än det mest elastiska slaget av nylon. Men ett spindelnät studsar ändå inte som en trampolin, så att det kastar spindelns mat upp i luften. ”Med mänskliga mått mätt skulle ett spindelnät i ett fisknäts storlek kunna fånga upp ett passagerarplan.”

Om vi kunde efterlikna spindelns kemiska genialitet — två arter kan faktiskt tillverka sju olika slags silke — tänk dig så mycket vi skulle kunna skapa då! Säkerhetsbälten med långt bättre hållfasthet, suturtråd, konstgjorda ligament, lättviktsvajrar och skottsäkra tyger — för att nämna bara några få möjligheter. Forskarna försöker också få insikt i hur spindeln så effektivt kan tillverka silke — och det utan att använda giftiga kemikalier.

Växellådor och jetmotorer i naturen

Växellådor och jetmotorer håller i gång dagens värld. Men visste du att naturen överträffar oss också när det gäller detta slags konstruktion och formgivning? Ta till exempel växellådan. Växellådan gör det möjligt för dig att ändra utväxling i ditt fordon för att få ut det bästa möjliga av din motor. De växellådor som finns i naturen gör samma sak, men de förbinder inte en motor med hjul. I stället sammanbinder de vinge med vinge! Och var kan man finna dem? Hos flugorna. Flugan har en ”växelspak” med tre växlar, sammankopplad med dess vingar, och med denna spak kan den växla medan den befinner sig i luften!

Den tioarmade bläckfisken, den åttaarmade bläckfisken och pärlbåten har alla ett slags jetdrift som hjälper dem att ta sig fram i vattnet. Forskarna ser med avund på dessa ”jetdrivna farkoster”. Varför det? Därför att de består av mjuka delar som inte kan gå sönder och som kan klara stora djup och som går tyst och effektivt. En tioarmad bläckfisk kan ta sig fram med en hastighet på upp till 30 kilometer i timmen, när den flyr från rovdjur, och ”ibland kan den till och med hoppa upp ur vattnet och hamna på däcket på ett fartyg”, heter det i boken Wild Technology.

Ja, att vi stannar upp för ett litet ögonblick och tänker på naturens värld kan fylla oss med vördnad och uppskattning. Naturen är i sanning ett levande pussel som väcker den ena frågan efter den andra: Vilka kemiska underverk tänder det strålande, kalla ljuset i eldflugor och vissa slags alger? Hur kan olika arktiska fiskar och grodor börja röra sig igen, när de börjar tina upp efter att ha legat fastfrusna under vintern? Hur kan valar och sälar stanna under vattnet under långa perioder utan en dykapparat? Och hur kan de gång på gång dyka ner till stora djup utan att få dykarsjuka? Hur kan kameleonter och bläckfiskar växla färg, så att de smälter in i omgivningen? Hur kan kolibrier korsa Mexikanska golfen med mindre än tre gram bränsle? Det tycks som om raden av frågor är oändlig.

Ja, människan kan bara betrakta allt detta och förundras. Forskare får en ”nästan religiös vördnad” när de utforskar naturen, heter det i boken Biomimicry.

[Ruta på sidan 5]

En utdöd fluga hjälper till att förbättra solpaneler

En forskare besökte ett museum och fick där se bilder av en utdöd fluga som bevarats i bärnsten, berättas det i en artikel i tidskriften New Scientist. Han lade märke till flera galler på insektens ögon och anade att dessa kanske hade hjälpt flugans ögon att fånga in mer ljus, i synnerhet ur väldigt snäva vinklar. Han och andra forskare började göra experiment och kunde bekräfta dessa aningar.

Forskare började snart planera för att försöka etsa samma gallermönster på glasen i solpaneler. De hoppas att detta kommer att göra att man kan få ut mer energi med hjälp av solpanelerna. Det kommer också att eliminera behovet av kostsamma spårningssystem som för närvarande behövs för att hålla solpanelerna riktade mot solen. Bättre solpaneler kanske innebär mindre användning av fossilt bränsle och således mindre förorening — ett värdefullt mål. Det är tydligt att upptäckter som denna hjälper oss att uppskatta naturen som det verkliga upphovet till den mästerliga formgivningen som bara väntar på att upptäckas, förstås och, där det är möjligt, efterliknas på ett användbart sätt.

[Ruta på sidan 6]

Att ge äran åt den som förtjänar det

År 1957 lade den schweiziske ingenjören George de Mestral märke till att de små starka kardborrarna som fastnade på hans kläder var översållade med små krokar. Han studerade dessa kardborrar och deras krokar, och snabbt väcktes hans fantasi. Han använde de följande åtta åren till att utveckla en konstgjord motsvarighet till kardborren. Hans uppfinning, kardborrbandet, tog världen med storm och används i dag av många.