Biomimetica: de natuur als inspiratiebron
Met 3,8 miljard jaar evolutie door natuurlijke selectie achter de kiezen, heeft de natuur een arsenaal aan efficiënte en duurzame oplossingen voor heel wat problemen ontwikkeld. Door haar onwaarschijnlijke vindingrijkheid kunnen soorten in de meest uiteenlopende omstandigheden overleven: de variatie aan specifieke gedragingen en uiterlijke kenmerken is dan ook immens. Dat gezegd zijnde is het niet onlogisch dat uitvinders de natuur al vele eeuwen als inspiratiebron voor nieuwe ontwerpen gebruiken. Er is zelfs een naam voor: ‘biomimetica’, de wetenschap waarbij men het vernuft van de natuur probeert te imiteren voor menselijke toepassingen met het oog op efficiëntie en duurzaamheid. Geen beter moment dan de Dag van de Uitvinders om de biomimetica onder de loep te nemen.
Voor een schoolvoorbeeld van biomimetica vliegen we even terug naar het Firenze van de 15de eeuw, op zoek naar de alleskunner der alleskunners: Leonardo da Vinci. Dat de Italiaan van vele markten thuis was, is een understatement – hij is niet voor niets hét voorbeeld van een Homo Universalis. Zo was da Vinci – naast onder andere filosoof, natuurkundige en beeldhouwer – een begiftigd uitvinder die er vurig naar verlangde de mens te laten vliegen. Met dat doel bestudeerde hij het vliegvermogen en de anatomie van vogels, en bedacht de ‘Ornithopter’: grote vleugels die de mens met hefbomen aan handen en voeten in beweging kon brengen om te vliegen. Ook al is zijn origineel ontwerp nooit gebouwd – later wel, na optimalisatie door andere uitvinders – het toont uitstekend hoe de natuur en al haar vormen, materialen en zelfs ecosystemen, de mens kan inspireren.
De voorbeeldige vogelwereld
Da Vinci’s ornithopter is niet het enige op vogels gebaseerde ontwerp. Zo inspireerde de perfecte, rimpelloze duik van de ijsvogel Japanse ingenieurs om een hogesnelheidstrein een ‘ijsvogelneus’ te geven. De daardoor meer gestroomlijnde trein reed sneller, stiller en verbruikte minder energie. Daarnaast proberen wetenschappers en ingenieurs het vliegvermogen van vliegtuigen en drones te optimaliseren door de vliegkunsten van gierzwaluwen en kolibries te onderzoeken. Beide soorten zijn echte luchtacrobaten: gierzwaluwen doen alles in de lucht – van eten tot slapen – en kolibries kunnen niet alleen ter plaatse blijven hangen, maar tevens perfect zijwaarts en achterwaarts vliegen. Het zijn de boomerangs and helikopters van het vogelrijk. Tenslotte brengt ook de kleurenpracht van de vogelwereld wetenschappers op ideeën. In de zoektocht naar milieuvriendelijke kleurstoffen, kijkt men bijvoorbeeld steeds meer naar de structuur en pigmenten van vogelveren, zoals die van de pauw.
Van links naar rechts: ijsvogel, gierzwaluw, witnekkolibrie en pauwenveren
Hoogmoed komt voor de val
Dat het vernuft van de natuur als inspiratiebron kan dienen, maar niet altijd gemakkelijk te evenaren is, ondervond de Griekse uitvinder-architect Daidalos aan den lijve. Voor hun ultieme ontsnappingspoging van het eiland Kreta, waar hij samen met zijn zoon Icaros gevangen werd gehouden, maakte hij met wat hout en veren twee paar vleugels. Hij baseerde zich daarvoor op de vleugels van een vogel en plaatste de veren in een boog door ze met was vast te maken. Met oog op vrijheid stegen vader en zoon op en begonnen aan hun tocht door het luchtruim boven de Egeïsche zee. Toen Icaros de waarschuwingen van zijn vader in de wind sloeg en steeds hoger begon te vliegen sloeg het noodlot echter toe. Het was op de vleugels was niet bestand tegen de hitte van de zon, die Icaros steeds meer naderde, en smolt. De vleugels van de arme stakker vielen in veren uit elkaar en de jongen stortte in zee… Dus, hoogmoedigen: think twice!
Walviswrat en uilenpluim
Vooral nabij woonwijken bezorgt het constant ronkende lawaai van draaiende windturbines inwoners soms slapeloze nachten. Gelukkig durfde de biomimetica de strijd met die ronkende reuzen aan en werd er een oplossing gevonden: walviswratten op bultrugvinnen. Die wratachtige verdikkingen of tuberkels zorgen ervoor dat de walvis minder weerstand van het water ondervindt tijdens het zwemmen en beter kan manoeuvreren. Wetenschappers implementeerde gelijkaardige onregelmatigheden op de rotorbladen van windturbines die daardoor niet alleen efficiënter draaiden maar ook stiller werden. Naast de bultrug, bleek ook meneer de uil over een eigenschap te beschikken om windturbines het zwijgen op te leggen. Uilen hebben speciale veren waardoor ze muisstil door de duisternis kunnen vliegen. De ontwikkeling van gelijkaardige structuren op rotorbladen heeft geleid tot stillere en efficiëntere windturbines. Een streling voor het oor.
Links: bultrug, rechts: detail van de veer van een kerkuil
Een plakkerige boel
Ook van enkele kleinschaligere alledaagse toepassingen stond de natuur aan de wieg. Klittenband bijvoorbeeld kent zijn oorsprong in 1941, toen ene Georges de Mestral verbaasd was hoe hard klittenzaden zich in de vacht van zijn hond vastgezet hadden tijdens een wandeling. Toen hij de klittenhoofden thuis microscopisch onderzocht en de kleine overdekkende stekels met haakjes erop zag, bedacht hij het sluitingssysteem dat u allen bekend is onder de merknaam Velcro. Wie van ons had nooit coole schoenen met Velcro plakkers in plaats van veters? Wat kleven, plakken, vastzetten en -maken betreft, zijn wetenschappers al eeuwen bezeten van de gekko. Dit reptiel is de ultieme klever: het kruipt moeiteloos verticaal de muur op, loopt zonder verpinken ondersteboven over het plafond en maakt in geen geval onderscheid tussen een glazen of stenen ondergrond. De sleutel tot dat kleefsucces bevindt zich in de gekkovoet. Die bestaat uit lamellen, die op hun beurt bestaan uit heel veel kleine haartjes of setae, elk eindigend in twee spatels. Als de gekko loopt, zorgt die specifieke structuur voor een gigantisch groot contactoppervlak, waardoor er een speciale kracht ontstaat die de spatels vasthoudt op de ondergrond. Op basis daarvan ontwikkelden wetenschappers en ingenieurs al duurzame gekko-tapes om plakband te vervangen, al zijn die nog niet optimaal.
Links: Grote klit, rechts: muurgekko met detail van voet
Evolutie in een notendop
Al 3,8 miljard jaar evolueren soorten door natuurlijke selectie. Omdat individuen van een soort onderling van elkaar verschillen door genetische variatie, zijn sommige beter aangepast aan de omgeving dan andere. Die individuen worden als het ware geselecteerd door de natuur: zij kunnen meer nageslacht op de wereld zetten, die de gunstige eigenschappen van hun ouders erven en op hun beurt doorgeven. Op die manier veranderen soorten heel geleidelijk en is de immense variatie aan uiterlijke kenmerken en gedragingen ontstaan die je tegenwoordig in de natuur aantreft.
Braces en robotarmen
Een veelbelovend onderzoek is dat van professor Dominique Adriaens en zijn collega’s aan de Universiteit van Gent. Zij kijken naar het sterke en flexibele pantser van het zeepaardje en naar de hyperflexibele nek van de flamingo. De combinatie van sterkte én flexibiliteit zou nuttige toepassingen kunnen opleveren in de zorg, zoals slimme braces en robotarmen. Na een armbreuk zou zo’n brace bepaalde armbewegingen kunnen blokkeren zonder de arm volledig te immobiliseren. Op die manier zou de patiënt minder spieren verliezen tijdens het herstel. Een robotarm zou de logge en onhandige tilliften die men gebruikt om bedlegerige patiënten te verplaatsen, kunnen vervangen. Die arm moet dan wel sterk én flexibel genoeg zijn om de patiënt te kunnen dragen en om zich aan zijn of haar vorm te kunnen aanpassen. Het onderzoek van professor Adriaens en zijn collega’s staat echter nog in haar beginschoenen. In een eerste stap willen de wetenschappers in detail kijken wat de specifieke eigenschappen van het zeepaardpantser en de flamingonek bepaalt. De toepassingen voorspellen veel goeds, maar zijn nog toekomstmuziek.
Links: kortsnuitzeepaardje, rechts: flamingo's
Groepslessen
Niet alleen individuele soorten hebben hun nut als inspiratiebron voor de mens bewezen. Ook eigenschappen van een groep dieren of de interactie tussen verschillende soorten blijken ons heel wat te kunnen leren. Mieren bijvoorbeeld staan ondanks hun hele grote kolonies en hun drukbevolkt wegennet nooit in de file. Meer inzicht in dat benijdenswaardige fenomeen zou ons kunnen leren hoe we een wegennet efficiënter kunnen gebruiken. Daarnaast kan een kolonie termieten ons tonen hoe we hoge gebouwen efficiënt en duurzaam kunnen ventileren. Ondanks de enorme hitte buiten het nest – de termietenheuvel – slagen deze sociale insecten er op basis van een netwerk van gaten en koelruimtes immers in om het binnen relatief koel te houden. Iets waarvan architecten al dankbaar gebruik beginnen maken. Ook interacties tussen soorten kunnen leerrijk zijn. Om te voorkomen dat er een vogel in een spinnenweb vliegt en het op die manier beschadigt, voorzien spinnen de draden met een Uv-reflecterende stof. Vogels, die in tegenstelling tot de mens een oog hebben voor Uv-licht, zien het daardoor beter hangen en ontwijken het. Geïnspireerd door deze interactie besloten ingenieurs een gelijkaardige Uv-reflecterend goedje op ramen aan te brengen: de vogels zien ze daardoor tijdig en vliegen er niet tegen. Bedankt natuur, bedankt wetenschappers en ingenieurs.
Biomimetica zit werkelijk overal en de natuur blijft inspireren. Aan nieuwe ideeën is absoluut geen gebrek, maar een gesmeerde samenwerking tussen wetenschappers en ingenieurs wordt de grote uitdaging voor de toekomst. Zij moeten goed met elkaar (blijven) communiceren, ook al spreken ze niet altijd dezelfde taal. Op die manier zal de natuur ons via biomimetica nog vele mooie, efficiënte en duurzame oplossingen voor prangende problemen bieden. Laat ons haar daarom koesteren en niet op alle mogelijke plekken op aarde vernietigen en uitbuiten…
