Bioniczne Narzędzia - PDF

Na co dzień człowiek wykorzystuje szereg narzędzi, które swój pierwowzór mają w przyrodzie. Poniżej przedstawiono kilka z nich, ich budowę i zastosowanie oraz odpowiednik w naturze. Scharakteryzowano m.in.: \- pistolet natryskowy, \- płyty i folie z tworzyw sztucznych,  \- kombinerki, \- scyzory...

Na co dzień człowiek wykorzystuje szereg narzędzi, które swój pierwowzór mają w przyrodzie. Poniżej przedstawiono kilka z nich, ich budowę i zastosowanie oraz odpowiednik w naturze. Scharakteryzowano m.in.: \- pistolet natryskowy, \- płyty i folie z tworzyw sztucznych,  \- kombinerki, \- scyzoryk, \- pęsetę, \- zawiasy, \- wiertarkę, \- chwytak wieloszczękowy, \- przyssawki, \- zespolenia w przestrzeni kosmicznej. **Pistolet natryskowy ** Elektrostatyczne nakładanie farby pozwala pokryć określoną powierzchnię precyzyjnie rozpyloną za pomocą specjalnego pistoletu natryskowego farbą. Cząsteczki farby nie rozprzestrzeniają się po dowolnym torze, lecz układają się w taki sposób, że wszystkie spadają dokładnie na malowany przedmiot, z przodu, z boków, a nawet z tyłu. Jest to możliwe dlatego, że cząsteczki podążają po liniach sił pola elektrycznego tzn., że są one przyciągane przez przedmiot, jak maleńkie magnesiki przez wielki kawał żelaza.    **Rys. 1** Pistolet natryskowy - rozpylone cząsteczki lakieru nie rozchodzą się po liniach prostych, lecz po liniach sił pola magnetycznego.   Cząsteczki farby zostają w pistolecie bardzo silnie naładowane elektromagnetycznie i dzięki temu są przyciągane do malowanego przedmiotu, aby tam się rozładować. Taki sposób malowania powierzchni daje do 60% oszczędności farby. W bardzo podobny sposób przyciągają wodę z powierzchni niektóre rośliny pustynne. Bez systemu elektrostatycznego rośliny te zdane byłyby wyłącznie na czysto przypadkowe zetknięcie się z zawartymi w powietrzu cząsteczkami wody. W przeciwieństwie do pistoletu natryskowego rośliny nie mogą naładować elektrycznością cząsteczek wody, dlatego to nie cząsteczki wody a rośliny naładowują się elektrycznością. Dzieje się to w ten sposób, że martwe kolce i włoski kaktusów oraz innych roślin pustynnych w czasie wiatru ściągają ładunki elektryczne z powietrza. Tak naładowane elektrycznie kolce kaktusów przyciągają maleńkie kropelki wody z powietrza oraz powodują kondensację pary wodnej. System ten jest bardzo efektywny, w niektórych obszarach, gdzie nocą obficie tworzy się mgła np. na położonych blisko wybrzeża pustyniach w Chile, kaktusy w ponad 95% składają się z wody i mogą wegetować nawet wtedy, gdy przez kilka lat w ogóle nie występują opady.   **Rys. 2** Rośliny pustynne są w stanie przyciągać kropelki wody z powietrza. **Płyty i folie z tworzyw sztucznych ** Płyty i folie z tworzyw sztucznych można wzmocnić i uodpornić na rozerwanie za pomocą włókna szklanego. Co zaskakujące włókna szklane stają się tym trwalsze, im są cieńsze. Nie oznacza to, że cienkie włókno jest trudniej rozerwać niż grubsze, lecz że włókno o przekroju o połowę mniejszym wytrzymuje obciążenie o wiele większe niż połowa obciążenia powodującego rozerwanie włókna grubszego. Do wzmocnienia tworzywa sztucznego służą więc lepiej siatki z dużej liczby cienkich włókien szklanych, nie zaś z niewielkiej liczby włókien grubszych. Badania wykazały też, że najkorzystniejsza długość poszczególnych włókien powinna wynosić 2000 razy tyle co ich grubość. Grubsze włókna nie powodują już dalszego wzmocnienia tworzywa sztucznego. Jeśli przyjrzymy się w jaki sposób rośliny rozwiązały problem wzmocnienia ścian komórkowych i ich uodpornienia na rozerwanie spotykamy te same rozwiązania co w przypadku tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym.    **Rys. 3** Włókno szklane to włókno chemiczne otrzymywane ze szkła wodnego i czasami też ze stopionego szkła. Dla dodatkowego wzmocnienia stosuje się plecionki w włókna szklanego.   Jeśli wytrzymałość osiągnięta dzięki bezładnie rozłożonym włóknom szklanym nie jest dostateczna zamiast maty z włókien, zarówno w przemyśle jak i w przyrodzie dla silnie obciążonych ścian komórkowych, stosuje się plecionki taśmowo - krzyżowe.   **Kombinerki** Człowiek wynalazł różnego rodzaju narzędzia, przy pomocy których może wykonywać różnorodne prace. Przykładem takich narzędzi są wszelkiego rodzaju szczypce i kleszcze np. obcęgi przy pomocy, których można wyciągnąć gwóźdź. Dodatkowo niektóre obcęgi są specjalnie spłaszczone, tak aby w pewnych sytuacjach mogły zastąpić młotek. Ponadto na powierzchni wewnętrznej płaskich szczęk mają rowki umożliwiające np. przytrzymanie blachy. Bliżej osi obrotu znajdują się głębsze rowki, dzięki którym można chwycić i obracać okrągły przedmiot np. pręt. Z kolei w pobliżu osi obrotu obu ramion zaprojektowano ostre krawędzie pozwalające przeciąć drut. Takie obcęgi są narzędziem kombinowanym, gdyż mogą pełnić wiele funkcji - przytrzymywania, obracania, cięcia oraz przybijania. W przyrodzie również odnaleźć można odpowiednik wielofunkcyjnych narzędzi. Należą do nich m.in. żuwaczki mrówkolwa. Żuwaczki tego owada to zmyślne sześciofunkcyjne narzędzie służące do chwytania zdobyczy z wielką precyzją. Larwa mrówkolwa polując na swą zdobyczy wykopuje lejek w piasku. Gdy w tak przygotowaną pułapkę wpadnie mrówka, drapieżca sypie na nią piaskiem utrudniając ucieczkę. Posługuje się przy tym parą cęgowatych żuwaczek niczym szuflą do piasku. W momencie, gdy mrówka osunie się na dno lejka mrówkolew najpierw chwyta ją końcami żuwaczek, a potem wbija je w ciało ofiary i wstrzykuje w nie enzymy trawienne. W końcu mrówkolew za pomocą tych samych żuwaczek wysysa płyn z ciała mrówki, a pusty chitynowy pancerzyk wyrzuca z lejka. Potężne żuwaczki mrówkolwa to \"kombinerki\" o sześciu funkcjach: zagarniania piasku, chwytania ofiary, nakłuwania, wstrzykiwania, ssania oraz odrzucania. **Rys. 4** Kombinerki zbudowane są i pełnią podobną funkcję jak żuwaczki mrówkolwa. **Scyzoryk ** Scyzoryk to dobrze wszystkim znany przedmiot. Składa się z wielu narzędzi: noża, nożyczek, korkociągu, otwieracza do butelek i konserw, śrubokrętu itp. Kiedy wszystkie te przyrządy są złożone zajmują bardzo mało miejsca, zaś kiedy chcemy ich użyć np. nożyczek, po prostu rozkładamy scyzoryk.  Konstruktorzy scyzoryka wykorzystali ten sam pomysł na zaoszczędzenie miejsca co chrząszcz z rodziny biegaczowatych. Owady te żyją w miękkiej ziemi lub nawozie. Swobodne poruszanie się w takim terenie możliwe jest dzięki specjalnym szufelkom umieszczonym na goleniach. Jeśli w danym momencie chrząszcz nie potrzebuje tych służących do rycia narzędzi, chowa je w specjalnych rowkach na goleniach, a następnie same golenie kryje w zagłębieniach ud. Podobnie jak w przypadku scyzoryka chrząszcz zawsze ma swoje narzędzia w pogotowiu, ale nie zajmują mu one wiele miejsca ani nie przeszkadzają, kiedy nie są potrzebne. **Rys. 5** Chrząszcze mają specjalnie zbudowane odnóża pozwalające im poruszać się w miękkiej ziemi. Podobnie jak w scyzoryku owady te mogą chować swoje „narzędzia" kiedy nie są im potrzebne. **Pęseta** Pęseta to przyrząd służący do precyzyjnego chwytania. Wąskim zakończeniem tego narzędzia można sięgnąć tam, gdzie nie sięgają palce. Następnie ściskając obie połówki pesety jesteśmy w stanie chwycić nawet najdrobniejszy przedmiot. Duża precyzyjność w operowaniu pesetą możliwa jest dzięki temu, że obydwie połówki narzędzia poruszają się równocześnie ku sobie albo od siebie - właśnie to pozwala precyzyjnie uchwycić przedmiot. W przyrodzie odnaleźć można równie precyzyjne narzędzie do chwytania, jest nim dziób ptaka rycyka, który żyje na terenach rozlewisk rzek. Poszukując pożywienia rycyki wbijają swój 15-centymetrowy dziób w grząski grunt, przy czym potrafią otwierać i zamykać samo zakończenie dzioba. Pozwala to rycykowi przebić się wąskim dziobem głęboko pod powierzchnię ziemi i chwytać, a następnie wyciągać stamtąd drobne bezkręgowce. Taki wielozadaniowy dziób pełni wiele funkcji, na początku jest zamknięty i służy jako przyrząd do grzebania w ziemi. Dopiero głęboko pod powierzchnią gruntu połówki dzioba rozchylają się zmieniając się w narząd chwytny. **Rys. 6** Pęseta zbudowana jest podobnie jak dziób rycyka. **Zawiasy** Być może na co dzień nie zwracamy na nie uwagi, ale jeśliby się nad tym chwilę zastanowić, to zawiasy stanowią bardzo wygodne rozwiązanie stosowane w wielu przedmiotach codziennego użytku. Drzwi do pokoju, wieczka od skrzynek, drzwiczki od szafki, futerał na okulary, wszystko to daje się wygodnie otwierać i zamykać dzięki zawiasom. Zawiasy składają się zazwyczaj z dwóch części połączonych sworzniem. Takie połączenie umożliwia wyłącznie jeden ruch - obrót obydwu część wokół łączącego je sworznia, czyli w praktyce zamykanie i otwieranie. Zawiasy używane w technice składają się z trzech części, naturze wystarczają dwa elementy. Z takich zawiasów korzystają muszle małży posiadające więzadła i zamki, dzięki którym obydwie połówki muszli mogą się otwierać i zamykać. Żyjące w Pacyfiku małże zwane sercówkami mierzą blisko 15 cm średnicy, a połączenie połówek ich muszli widoczne jest gołym okiem. U małych sercówek z Bałtyku połączenie to wygląda bardzo podobnie. Każda połówka muszli wyposażona jest w wyrostki, które odpowiadają wgłębieniom drugiej połówki. Gdy muszla się zamyka, wyrostki jednej połówki wchodzą we wgłębienia drugiej i odwrotnie. Połączenie tego typu składa się więc z dwóch idealnie do siebie dopasowanych części. **Rys. 7** Zawiasy pełnią bardzo użyteczną funkcję w przedmiotach codziennego użytku. Podobne „narzędzia" występują w muszlach małży. **Chwytak wieloszczękowy** Jeśli konieczne jest przeniesienie dużej ilości ziemi, piasku czy żwiru niezastąpionym narzędziem są tzw. koparki chwytakowe. Doskonale sprawdzają się one wszędzie tam, gdzie trzeba przenieść z miejsca na miejsce złom lub ogromne porcje śmieci. W urządzeniu tym chwytaniu przedmiotów służą cztery silne \"szczęki\". Dokładnie na tej samej zasadzie działają szpony ptaków drapieżnych, które chwytają pokarm nogami. Aby utrzymać wyrywającą się zdobycz, ptak zatapia w jej ciele ostre, zakrzywione pazury - szpony. Zaciśnięte szpony ptaka stanowią śmiertelną pułapkę dla ofiary. Polujące na małe ssaki i ptaki orły polne na spodzie palców mają liczne zaczepy, które dodatkowo wplątują się w sierść ofiary. U tych drapieżników, które żywią się rybami np. u bielika i rybołowa na nogach wykształciły się rogowe brodawki, które wraz z długimi palcami z bardzo ostrymi, mocno zakrzywionymi szponami umożliwiają ptakom chwytanie ofiary pod powierzchnią wody. Gdyby nie te dodatkowe struktury, utrzymanie śliskich ryb w szponach byłoby bardzo trudne. Nogi poszczególnych gatunków ptaków drapieżnych znacznie różnią się od siebie, gdyż dostosowane są do rodzaju zdobyczny na jaki poluje dany ptak. **Rys. 8** Szpony ptaków drapieżnych oraz chwytak wielkoszczękowy zbudowane są na podobniej zasadzie. **Wiertarka ** Jeśli chcemy wykonać otwór w danym materiale czy to betonie, drewnie, czy metalu musimy posłużyć się wiertarką z odpowiednim wiertłem. Przy pomocy wiertarki elektrycznej można wywiercić otwór w ciągu zaledwie kilku sekund. Z podobną wydajnością działa \"wiertło\" owada trzpiennika Olbrzymi. Owad ten składa jaja w otworach wywierconych w drzewie. Kiedy chce wywiercić otwór, wyszukuje na gałęzi drzewa odpowiednie miejsce, nacelowuje na nie swój odwłok, wysuwa pokładełko i przykłada je do gałęzi. Następnie wierci pokładełkiem dziurki. Przygotowanie otworu o głębokości 2 cm trwa około 20 minut. Gdy otwór jest gotowy drzewnik przy pomocy pustego kanalika wewnątrz pokładełka składa jaja, z których rozwijają się larwy żywiące się drewnem. W przeciwieństwie do wiertła w wiertarkach \"świder\" owada spełnia aż dwie funkcję służy do wykonywania otworu i złożenia jaj. **Rys. 9** Owad trzpiennik olbrzymi posiadają wiertełko, którym jak wiertarką wykonuje otwory w drewnie. **Przyssawki ** Przessawki to narzędzia często wykorzystywane w technice i życiu codziennym. Okazują się niezastąpione, gdy konieczne jest przymocowanie czegoś do gładkiej powierzchni. W gospodarstwie domowym używamy ich przede wszystkim w kuchni i łazience np. do mocowania wieszaków na ręczniki, mydelniczki itp. Wykorzystywane są też w matach antypoślizgowych kładzionych na dnie wanny lub brodzika. Dzięki temu, że przyssawki umocowane są na całej ich powierzchni dobrze przymocowują się nawet do łuków i zagięć, dzięki czemu dobrze chronią przed poślizgnięciem. W przemyśle chwytaki zakończone przyssawką wykorzystuje się m.in. do przenoszenia szyb. Na podobnej zasadzie polują ośmiornice, które oplatają ofiarę ramionami wyposażonym w przystawki mocno przywierające do zdobyczy. Ten sposób doskonale sprawdza się przy łapaniu zwierząt o gładkiej skórze oraz przy poruszaniu się po śliskich kamieniach. Także rzekotka drzewna potrafi utrzymać się na śliskich liściach dzięki przylgom, które ma na spodzie palców. **Rys. 10** Przyssawki ośmiornicy stanowiły inspirację do wykorzystania sztucznych przyssawek w jako pomoc w przenoszeniu przedmiotów. **Zespolenia w przestrzeni kosmicznej ** Wraz z rozwojem podróży kosmicznych ważną funkcjonalnością, którą należało opanować było zespolenie różnych modułów stacji kosmicznej w przestrzeni. Mechanizm zespalania wykorzystywano m.in. na międzynarodowej stacji kosmicznej składającej się z sześciu laboratoriów badawczych, dwóch jednostek mieszkalnych oraz modułów zaopatrzeniowych. Wszystkie niezbędne elementy, narzędzia i wyposażenie stacji zostały dostarczone na orbitę rakietami. Przy tego rodzaju konstrukcji szczególnie istotne jest, aby rakiety cumujące na stacji stabilne się z nią w ściśle określonych miejscach łączyły. Czuwają nad tym specjalne urządzenia zczepiające, w które wyposażone jest zarówno rakieta jak i stacja.  Podobne rozwiązania łączenia dwóch części dzięki precyzyjnym mechanizmom sprzęgającym można zaobserwować w świecie owadów, a dokładniej u ochotki piórkowej. Późnym latem spotkać można roje tych owadów, na które składają się wyłącznie samce. Jeśli z boku podleci samica, najbliższy samiec natychmiast zespala się z nią. Akt kopulacji odbywa się w powietrzu lub para opuszcza się na ziemię. Zczepienie odwłoków następuje błyskawiczne, ze 100 procentową celnością. Jest to możliwe dzięki różnym funkcjom jakie pełnią poszczególne elementy: jedne naprowadzają, inne chwytają, a jeszcze inne stabilizują połączenie w przypadku ciągnięcia albo skręcania. **Rys. 11** Zespolenie w przestrzeni zachodzi podobnie u owadów - ochotki piórkowej, jak mi na międzynarodowych stacjach kosmicznych.