Menneskets forsøg på at efterligne naturens undere

Små børn tumler rundt og slår hovedet. Større børn falder ned fra træer og vælter på deres cykler. Sportsfolk tørner sammen på banen. Bilister kommer ud for færdselsuheld. Men på trods af alle disse fald, stød og ulykker er det ofte muligt at undgå alvorlige kvæstelser. Vi er nok tilbøjelige til at tage vore legemers hårdførhed og spændstighed for givet. Men som forskere er begyndt at opdage, er vi, fra vore knogler til vores hud, et resultat af nogle geniale konstruktioner.

KOMBINATIONEN af styrke og hårdførhed samt relativ lav vægt er noget der går igen overalt i naturen. Sarte unge træer kan skyde op gennem revner i beton og klipper og udvide revnerne under deres vækst. Træer kan modstå vindstød der vælter elmaster og ødelægger huse. Spætter kan hakke i træstammer og udsætte deres hoved for slag der ville gøre en almindelig hjerne til en knust masse. Krokodille- og alligatorskind kan modstå spyd, pile og endog projektiler. (Jævnfør Job 41:1, 26.) Alt sammen noget der i årtusinder har vakt undren og ærefrygt hos mennesker.

I de sidste 40 år har store teknologiske fremskridt givet forskerne nogle magtfulde nye redskaber hvormed de kan studere hemmelighederne bag disse fænomener, hvoraf de fleste ligger godt gemt i den levende celle. Også på dette mikroskopiske plan er kvaliteten af konstruktionen betagende og af forbløffende kompleksitet. Målet med forskning er imidlertid ikke blot at afsløre hemmelighederne bag naturens bemærkelsesværdige materialer, men at efterligne dem, i hvert fald i grundprincippet. Dette forskningsfelt har vist sig at være så lovende at det har ført til dannelsen af en ny videnskab der kaldes biomimetik. Betegnelsen kommer fra det græske ord biʹos, der betyder „liv“ og miʹmesis, der betyder „efterligning“.

Biomimetik giver forventning om en bedre verden

„Biomimetik er studiet af biologiske stoffers opbygning [og] funktion,“ siger bogen Biomimetics: Design and Processing of Materials. Den tilføjer at formålet med dette studium er ’at udforme nye idéer og omsætte disse til syntetiske systemer der ligner dem som findes i biologiske systemer’.

Forskeren Stephen Wainwright siger at „biomimetik vil hale ind på molekylærbiologien og erstatte den som den vigtigste og mest udfordrende biologiske videnskab i det 21. århundrede“. Professor Mehmet Sarikaya siger: „Hvad angår materialer, står vi på tærskelen til en revolution der kan sammenlignes med jernalderens begyndelse og den industrielle revolution. Vi er på vej ind i en æra med helt nye materialer. Jeg tror at biomimetik vil ændre vores tilværelse betydeligt i løbet af det næste århundrede.“

Som vi vil se, er biomimetik faktisk allerede begyndt at ændre vores verden. Men lad os først kort betragte nogle få af de endnu ikke helt udforskede undere som videnskabsmændene er i færd med at studere. Vi vil også undersøge hvad der menes med at noget er konstrueret, og se hvordan det har forbindelse med den forunderlige verden der omgiver os.

Vi tager ved lære af naturen

„Mange af vore bedste opfindelser er kopieret fra eller anvendes allerede af andre levende organismer.“ — Phil Gates, Wild Technology.

SOM omtalt i den foregående artikel er målet med biomimetik at konstruere flere komplekse materialer og maskiner ved at efterligne naturen. Uden at forurene fremstiller naturen produkter der er robuste og lette, men alligevel utrolig stærke.

For eksempel er knoglevæv forholdsmæssigt stærkere end stål. En del af hemmeligheden ligger i knoglernes velkonstruerede form, men de væsentligste grunde til deres styrke skal findes på det molekylære plan. Phil Gates forklarer: „Hemmeligheden bag levende organismers succes ligger i konstruktionen og sammensætningen af deres mindste komponenter.“ Efter at have studeret disse små komponenter har forskere kunnet isolere de stoffer som giver naturlige produkter lige fra knogler til silke deres eftertragtede styrke og lethed. De har opdaget at disse stoffer består af forskellige former for naturlige kompositte materialer.

De forunderlige kompositmaterialer

Kompositmaterialer er faste materialer der dannes når to eller flere stoffer kombineres for at fremstille et nyt stof med egenskaber som overgår dem der findes i de oprindelige bestanddele. Det kan illustreres ved hjælp af det syntetiske kompositmateriale glasfiber, som eksempelvis bruges til bådskrog, fiskestænger, buer og pile og andet sportsudstyr.a Glasfiber fremstilles ved at indlejre tynde tråde af glas i en væske eller et geléagtigt bindemiddel (matrix) af plast (der kaldes en polymer). Når polymeren er hærdet eller afbundet, er resultatet et kompositmateriale som er let, stærkt og fleksibelt. Ved at variere de fibre og bindemidler man bruger, kan man fremstille et utal af produkter. Kompositmaterialer der er kunstigt fremstillet, er selvfølgelig stadig primitive i forhold til de naturligt forekommende kompositte materialer der findes i mennesker, dyr og planter.

I mennesker og dyr er det ikke fibre af glas eller kulstof, men et fibrøst protein der kaldes kollagen, som danner basis for de kompositte materialer der giver hud, indvolde, brusk, sener, knogler og tænder (undtagen emaljen) deres styrke.b Et opslagsværk beskriver kollagenbaserede kompositte materialer som „nogle af de konstruktionsmæssigt mest avancerede kompositmaterialer man kender“.

Tag for eksempel sener som fæster musklerne til knoglerne. Senerne er bemærkelsesværdige, ikke blot på grund af deres kollagenbaserede fibres store styrke, men også på grund af den geniale måde disse fibre er vævet sammen på. Janine Benyus skriver i sin bog Biomimicry at den udstrakte sene „er helt utrolig hvad præcision angår. Senen i underarmen er et snoet bundt af kabler som minder om de kabler der bruges til hængebroer. Hvert kabel er et snoet bundt af tyndere kabler. Hvert af disse tyndere kabler er et snoet bundt af molekyler, som igen er snoede, spiralformede bundter af atomer. Den ene matematiske skønhed efter den anden bliver blotlagt for vore øjne.“ Hun kalder det for „fremragende ingeniørarbejde“. Det er ikke så overraskende at forskere taler om at være inspireret af naturen. — Jævnfør Job 40:15, 17.

Som tidligere nævnt blegner kunstigt fremstillede kompositmaterialer i sammenligning med de kompositte materialer der findes i naturen. De syntetisk fremstillede materialer er ikke desto mindre nogle imponerende produkter. Faktisk regnes de for at være blandt de ti mest bemærkelsesværdige teknologiske fremskridt i de sidste 25 år. For eksempel har kompositmaterialer baseret på grafit eller kulfibre givet anledning til en ny udvikling inden for luft- og rumfartsudstyr, sportsartikler, formel 1-racerbiler, lystbåde og lette kunstige lemmer, blot for at nævne nogle få af kompositmaterialernes hurtigt voksende anvendelsesmuligheder.

Det alsidige spæk

Hvaler og delfiner ved det ikke selv, men deres krop er pakket ind i en slags fedtvæv der er helt fantastisk, nemlig spæk. „Hvalspæk er måske det mest alsidige materiale vi kender til,“ hedder det i bogen Biomimetics: Design and Processing of Materials. Bogen forklarer at spæk fungerer som en enestående flydeanordning der hjælper hvalen til at komme op til overfladen for at få luft. Spækket giver disse varmblodede pattedyr god isolation mod havets kolde vand. Det tjener også som det bedste reservelager af føde under deres vandring på tusinder af kilometer. Beregnet efter vægten giver fedt mellem to og tre gange så meget energi som protein og sukker.

„Hvalspæk er også et meget fjedrende og gummiagtigt materiale,“ siges der i ovennævnte bog. „Ifølge vores nuværende vurdering kan accelerationen som forårsages af de elastiske tilbageslag fra spækket, der sammenpresses og strækkes ud under hvert slag med halen, give en besparelse på op mod 20 procent af den energi hvalen ellers ville bruge på lange perioder med uafbrudt svømning.“

Man har i århundreder brugt spæk til forskellige formål, men først for nylig har man opdaget at cirka halvdelen af spækket består af et indviklet net af kollagenfibre der omspænder dyret. Forskere har stadig ikke fuld klarhed over hvordan denne fedtsammensætning fungerer, men de mener at de har fundet endnu et mirakelprodukt som ville kunne benyttes til mange formål hvis det blev fremstillet syntetisk.

Et ottebenet ingeniørgeni

I de senere år har forskere også nøje studeret edderkoppen. De vil gerne forstå hvordan den spinder silke, som også er et kompositmateriale. Der er ganske vist mange insekter som fremstiller silke, men edderkoppesilke er noget helt specielt. Det er et af de stærkeste materialer på jorden og er af en videnskabsskribent blevet betegnet som „et vidundermateriale“. Edderkoppesilke er så fremragende at hvis man opregnede alle dens forbløffende egenskaber, ville listen forekomme helt utrolig.

Hvorfor er forskere fulde af lovord om edderkoppesilke? Foruden at være fem gange stærkere end stål er den også utrolig elastisk, hvilket er en sjælden kombination i materialer. Edderkoppesilke kan strækkes 30 procent længere end den mest elastiske nylon, men uden at det springer tilbage som en trampolin så edderkoppens føde slynges bort igen. Tidsskriftet Science News siger: „I menneskelig målestok ville et spindelvæv på størrelse med et fiskenet kunne fange et passagerfly.“

Tænk hvad der kunne fremstilles hvis vi var i stand til at efterligne edderkoppens kemiske færdigheder. To edderkoppearter kan endog spinde syv forskellige slags silke! Anvendelsesmulighederne ville være mange: stærkt forbedrede sikkerhedsseler, suturtråd, kunstige ledbånd, letvægtsliner og -kabler samt skudsikre stoffer, for blot at nævne nogle få. Forskerne forsøger også at forstå hvordan edderkoppen kan fremstille silken så effektivt og uden brug af giftige kemikalier.

Naturens gearkasser og jetmotorer

Gearkasser og jetmotorer er med til at holde vore dages verden i gang. Men vidste du at naturen har brugt disse indretninger længe før menneskene? Tag for eksempel gearkassen. En gearkasse gør det muligt at skifte gear for at få den bedste udnyttelse af motoren. Naturens gearkasse gør det samme, men i stedet for at forbinde motoren med hjul, forbinder den vinger med vinger. Dette fænomen findes hos stuefluen. Fluen har et gear med tre trin der er forbundet med dens vinger så den kan skifte gear mens den er i luften.

Den tiarmede blæksprutte, den ottearmede blæksprutte og nautilen bevæger sig fremad i vandet ved hjælp af jetprincippet. Disse dyrs jetmotorer gør forskerne gule og grønne af misundelse. Hvorfor? Fordi de består af bløde dele der kan tåle store dybder, fungere lydløst og effektivt, og som ikke kan gå i stykker. Faktisk kan en tiarmet blæksprutte bevæge sig med en fart af 32 kilometer i timen under sin flugt fra fjender — og „endda springe op af vandet og lande på et skibsdæk,“ oplyses det i bogen Wild Technology.

Ja, at bruge blot et par minutter på at fundere over naturen kan fylde os med ærefrygt og værdsættelse. Naturen er fuld af gåder der giver anledning til mange spørgsmål: Hvilke kemiske processer sætter ildfluen og visse alger i stand til at frembringe koldt lys? Hvordan kan forskellige arktiske fisk og frøer blive aktive igen når de tør op efter at have været nedfrosset om vinteren? Hvordan kan hvaler og sæler forblive under vandet i lang tid uden et åndedrætsorgan, og hvordan kan de gentagne gange dykke ned på store dybder uden at få dykkersyge? Hvordan kan kamæleoner og sepiablæksprutter skifte farve så de falder sammen med omgivelserne? Hvordan kan kolibrier krydse Den Mexicanske Havbugt på mindre end tre gram brændstof? Listen af spørgsmål synes uendelig.

Vi mennesker kan blot iagttage naturen og forundres. Forskere fyldes med ærefrygt „der grænser til religiøs ærbødighed“ når de studerer naturen, siger bogen Biomimicry.

[Ramme på side 5]

En uddød flues bidrag til forbedring af solfangere

På et museumsbesøg så en forsker nogle billeder af en uddød flue der var indkapslet i et stykke rav, oplyses det i en rapport i tidsskriftet New Scientist. Forskeren lagde mærke til en række tætsiddende parallelle fordybninger på insektets øjne, og han havde en formodning om at de hjalp fluens øjne til at opfange mere lys, især fra meget skrå vinkler. Han og andre forskere begyndte at udføre nogle forsøg, som bekræftede deres teori.

Forskere lagde straks planer om at indridse det samme mønster af fordybninger i glasset på solfangere. De håber at dette vil forøge den energi der produceres af solfangere. Det vil måske også gøre de dyre systemer der anvendes til at holde solfangerne rettet mod solen, overflødige. Bedre solfangere kan måske mindske forbruget af fossilt brændstof, hvilket vil betyde mindre forurening — et prisværdigt mål. Opdagelser som denne hjælper os til at forstå at naturen er en righoldig kilde hvorfra vi kan hente idéer til geniale konstruktioner som blot venter på at blive opdaget, forstået og om muligt eftergjort og brugt til gavnlige formål.

[Ramme på side 6]

Ær den som æres bør

I 1957 lagde en schweizisk ingeniør ved navn George de Mestral mærke til at nogle burrer der havde sat sig fast i hans tøj, var dækket af bittesmå kroge. Hans studium af disse burrer og deres kroge gav ham en lys idé. De følgende otte år brugte han til at udvikle en syntetisk efterligning af burren. Hans opfindelse tog verden med storm og er i dag kendt under det patentbeskyttede navn — Velcro.