Naturens geni
Naturen är smartare än människan. Det är inte fysiker, tekniker och arkitekter som sitter inne med framtidens lösningar. Det är knölvalar, lotusblommor och ugglor som är de verkliga genierna. Framtidens forskning handlar om att imitera naturen.
Artikeln publicerades i tidningen Farm, december 2008.
När den schweiziske ingenjören George de Mestral en dag i början av 1941 var på en jakttur i Alperna fick han sitt livs idé. George de Mestral var något av en född uppfinnare, redan som tolvåring hade han byggt ett avancerat leksaksflygplan och tagit patent på det. Efter det var karriären upplagd med examen vid det ansedda teknologiuniversitet École Polytechnique Fédérale i Lausanne. Men hans idé den där dagen i Alperna var snarare en upptäckt än en uppfinning. Den fanns där i skogen, det vara bara ingen som verkligen
hade sett den.
När de Mestral klappade sin jakthund upptäckte han att pälsen var full av kardborrar. När han tittade närmre på kardborrens runda och taggiga frökapslar upptäckte han att nyckeln till dess ”klisterförmåga” låg i små, små krokar längst ut på taggarna. De Mestral började undra om man inte kunde använda samma princip för att fästa samman kläder. Han kunde knappast ana att hans idé ett par decennier senare skulle göra succé på månen. George de Mestral uppfann kardborrebandet. En produkt som gjorde honom till miljonär och som fick sitt verkliga kommersiella genomslag när Nasa på 1960-talet började använda det i astronauternas rymddräkter, eftersom varken knappar eller dragkedjor var särskilt praktiskt utanför atmosfären.
Men vad de Mestral inte heller visste var att han skulle bli en föregångare till ett av de senaste decenniernas allra mest spännande och inspirerande vetenskapsområden: biomimiken.
– Inom biomimiken hämtar man lösningar på våra problem från naturen. Moder Natur har 3,8 miljarder års erfarenhet av design, vi är bara amatörer i jämförelse, säger författaren och entreprenören Janine Benyus.
Det var hennes bok Biomimicry: Innovations inspired by nature som 1998 samlade ett spritt fält av biologer, ingenjörer, arkitekter, designer och entreprenörer som hade börjat söka och finna lösningar på problem ute i naturen. Janine Benyus satte i en större mening ord på det många redan hade tänkt: naturen har redan löst problem vi försöker lösa. Bara något år innan Benyus bok publicerades hade den zimbabwiska arkitekten Mick Pearce gjort precis det. Efter att ha sett en David Attenborough-film om hur termiter hade utvecklat ett naturligt avkylningssystem i sina högar inspirerades han att bygga verkliga hus enligt samma princip. 1996 stod det 30 000 kvadratmeter stora Eastgate Centre klart i Harare, med världens mest avancerade naturliga luftkonditioneringssystem. Men Mick Pearce var knappast ensam.
Allt fler har upptäckt evolutionens talang som designer. Knölvalsfenor som flygplansvingar, lotusblad som självrengörande ytor, ugglefjädrar för tysta tåg, spindeltråd som supermaterial och simdräkter efter hajhud.
– Det vore oerhört dumt av oss att inte se att naturen redan har lösningar på många problem som vi själva försöker lösa. Varför uppfinna hjulet på nytt? I naturen är det bara bra design som överlever, den dåliga försvinner snabbt, säger Janine Benyus.
1998 grundade hon Biomimicry Guild och organisationen The Biomimicry Institute. Den förra konsultrådgivare åt företag och entreprenörer som vill utveckla produkter med biomimik, medan den senare är en icke vinstdrivande organisation som informerar om biomimikens möjligheter.
– För att överleva måste vi lära oss att leva med naturen inte av den, och för att göra det måste vi lära hur andra arter har lyckats göra detta i hundratals miljoner år, säger Janine Benyus. Vår överlevnad hänger på det. Just nu skapar vi dålig design som förstör vår egen miljö. Det kan inte fortsätta. Denna dåliga design riskerar att göra vår art till en kortlivad parentes i historien, till förlorare i evolutionen.
Frank Fish minns att allt började när han på en semester i Boston i början av 1980-talet fick syn på en liten staty av en blåskimrande knölval i en butik i Quincy Market. Det var någonting som inte stämde. Varför var bröstfenorna längs framkanten täckta av knöliga utväxter? De flesta valar och delfiner hade ju helt släta fenor, och enligt klassisk mekanik ska framkanten på en fena eller vinge vara slät för att framkalla nödvändig lyftkraft. De flesta hade naturligtvis inte tänkt tanken, men för Frank Fish var det annorlunda. Han var besatt och en gryende specialist på området, med en färsk doktorsgrad i zoologi från Michigan State University i bagaget. Hans specialområde var djurs simförmåga, och han hade precis funnit sitt livsprojekt.
Frank Fishs första tanke var att det var fel på statyn. Men när han studerade fotografier av knölvalar såg han att statyns knöligheter var perfekt avformade. Frank Fish insåg redan då att han förmodligen hade funnit en del av svaret på en gåta som hade gäckat biologer under årtionden: knölvalens häpnadsväckande manöverförmåga. Trots att en vuxen val kan ha en kroppshydda på upp till 40 ton och nå över 15 meter i längd kan den göra extremt tvära vändningar. Något som är märkbart när knölvalen utövar den hos många valar speciella jakttekniken bubbelmetoden, genom vilken de innesluter krill och bytesfisk i nät av bubblor som de blåser ut ur blåshålet. Valarna skapar en allt tätare mur av dessa bubblor genom att cirkulera allt intensivare under stimmen, och när bubblorna sedan stiger kan valarna sluka miljontals infångade bytesdjur i en enda attack.
De flesta gissade att hemligheten bakom manöverförmågan låg i valens bröstfenor, som är de längsta bland alla valars. Fishs teori var att även knöligheterna spelade en central roll. Men för att bevisa det behövde han en bröstfena från en knölval – något som inte är en beställningsvara. Det skulle dröja många år innan Fish till slut fick sin val, när en stor knölval hade flutit i land i New Jersey. Fenan var så stor att Fish var tvungen att såga den i tre delar för att få in den i bilen och köra den till sitt laboratorium. Genom att göra en modell av fenan och testa den i en vindtunnel upptäckte han att knöligheterna gjorde att knölvalen kunde göra tvärare vändningar utan att förlora lyftkraft, och att de dessutom dramatiskt minskade risken för stall – en effekt när luftströmmen över vingen störs och bildar virvlar, något som gör att till exempel flygplan kan tappa lyftkraft och störta.
I dag är Frank Fish professor i biologi och leder The Liquid Life Laboratory i Pennsylvania, en avdelning vid West Chester University tillägnad forskning om djurs hydrodynamik, hur de rör sig i vatten. Fishs forskning finansieras bland annat av Darpa, den amerikanska militärens forskningsorgan. Numera testar Fish inte bara valfenor utan allt som rör sig i vatten från sjölejon till bävrar, hajar, alligatorer och ankor.
– Min senaste forskning handlar om delfiners fenor. De är extremt effektiva eftersom de hela tiden förändrar formen på fenorna för att anpassa dem till vattenmotståndet. Vanliga båtpropellrar är bara optimalt effektiva vid en viss hastighet, medan delfinernas är det hela tiden. Nu försöker vi skapa material med samma egenskaper för propellrar, säger Frank Fish när jag ringer upp till hans vattenlaboratorium.
Fish driver även företaget Whale Power tillsammans med en kollega. Whale Power har omvandlat Fishs forskning om knölvalar till säljande design. Företaget utvecklar rotorblad till vindkraftverk med formen av knölvalsfenor, som är både effektivare och tystare än vanliga släta vingar. Tanken är att tekniken i framtiden även ska överföras på till exempel flygplansvingar. Att hämta design från naturriket är egentligen inget nytt. En av de första dokumenterade biomimikerna var Leonardo da Vinci, som lät sig inspireras av fågelvingar i ritningarna till sina flygande maskiner i början av 1500-talet. Ritningar som senare användes av bröderna Wright när de designade det första flygplanet i början av 1900-talet. Men det är först de senaste decennierna som det har börjat forma sig till ett eget fält.
– Jag tror att det till viss del beror på att biologer har vänt sig till fysiker och ingenjörer för att få hjälp med att förklara fenomen i naturen. Det har resulterat i att man har upptäckt att det finns massor av fantastiska innovationer i naturen som vi kan ha nytta av, säger Frank Fish.
Fish menar att det alltid har funnits, och fortfarande finns, en stor kulturell barriär mellan hur biologer och ingenjörer tänker, men att de nu har börjat mötas för att tillsammans förstå naturen. Han tar upp det klassiska exemplet med humlans flygförmåga. Enligt aerodynamiken borde inte en humla kunna flyga, den har för små vingar till för stor kropp. Men ändå gör den det. För att förstå liknande problem måste fysiker och biologer samarbeta, enligt Frank Fish. Det var så sent som i slutet på 1990-talet som ett forskarlag vid Cambridge började förstå varför humlor kunde flyga överhuvudtaget. Det man fann var att humlan använde en speciell vingteknik som gav den enormt mycket högre lyftkraft.
Enligt Janine Benyus har biologer ofta ställt frågorna annorlunda.
– Vi har i över 300 år lärt oss om naturen, men vi har inte lärt oss av den. Det handlar om att ställa frågan annorlunda. Biologer har studerat varför djur gör på ett visst sätt, men de har sällan ställt sig frågan hur de gör det. Det är en stor skillnad. Hur har varit en fråga för problemlösare, inte forskare, säger Benyus.
Hon menar dock att mycket håller på att hända inom området, speciellt när företag har börjat inse att det finns geniala idéer att hämta i naturen. Något som bekräftas av Frank Fish:
– Vi har bara börjat skrapa på ytan av vad som finns där ute. Området är så nytt, vi har knappt påbörjat våra upptäckter. Jag tror att det i naturen finns lösningar på de flesta av våra problem. många av biomimikens upptäckter har börjat med en fråga. Varför flyger ugglor så tyst, hur kan en gecko springa vertikalt uppför en glasskiva och hur binder maneter egentligen 96 procent vatten? Snabbhet, styrka, tysthet, uthållighet, överlevnad och hållbarhet är bara några egenskaper naturen har sinnrika lösningar på. Och det är just upptäckten av dessa häpnadsväckande lösningar som gör biomimiken så intressant.
Den japanska designern Eiji Nakatsu fann lösningen i naturen på inte bara ett utan två av sina problem när han utvecklade det japanska snabbtåget Shinkansen. Det är ett av världens snabbaste tåg med hastigheter upp till 350 kilometer i timmen. Men tåget hade ett stort problem: ljud. I det tätbebyggda Japan är ljudgränserna rigorösa, och det ljud som tåget orsakade översteg dem rejält. Eiji Nakatsu fann dock lösningar i sitt fritidsintresse: ornitologi. Genom att härma fjäderuppbyggnaden hos ugglor, som är de tystaste av alla fåglar, och applicera detta på tåget kunde han dramatiskt sänka ljudet som uppstod vid höga hastigheter. Men ett stort problem kvarstod. När tåget åkte in i tunnlar skapade tryckskillnaden explosionsartade ljudsmällar. Nakatsu frågade sig om det fanns något djur som kunde röra sig nästan friktionsfritt mellan två skilda medier, och fann att kungsfiskare kunde dyka ner i vattnet nästan helt utan att skapa vattenskvätt. Genom att formge tåget efter kungsfiskarens näbb kunde Nakatsu reducera även ljudsmällarna och dessutom få tåget att sluka 15 procent mindre elektricitet, trots en högre hastighet. Form är ett av de mest intressanta områdena inom biomimiken, och kanske det där det finns allra mest att lära. I naturen fyller formen ofta de funktioner som människor löser med bland annat kemikalier. Under 1980-talet studerade den tyska botanisten Wilhelm Barthlott varför lotusens blad aldrig tycktes bli smutsiga, trots att den växte i kärr. Det han fann har blivit känt som lotuseffekten.
Det visade sig att lotusens blad hade en avancerad mikrostruktur som fick både vatten och smuts att effektivt glida av. I dag har bland annat företaget Sto Coat tagit fram färgen The Lotusan, som ger samma effekt på husväggar. Ett av de nyligen mest uppmärksammade exemplen på mikroform är simdräktsföretaget Speedos snabbsimdräkter Speedo Fastskin, som är inspirerade av hajskinn. Små taggar i hajens skinn skapar en hyperglideffekt som Speedo har efterliknat med små triangelformer i dräkten, och som enligt företaget ökar simhastigheten med 3 till 7 procent. Även i Sverige har forskare börjat titta närmare på designlösningar i naturen. En av dem är Anne-Marie Hermansson, som är professor i teknisk ytkemi och enhetschef för struktur- och materialdesign på Institutet för livsmedel och bioteknik, SIK, i Göteborg. Hermansson har ägnat tre år åt att studera hur maneter binder vatten, för att kunna överföra denna egenskap till syntetiska material.
– Jag vill inte kalla det biomimik, vi snarare hämtar idéer och inspiration från naturen. Design i naturen är extremt komplext, och vi är ännu långt ifrån för att återskapa naturens sinnrika system. Just att titta på material i naturen är väldigt intressant, ett område som är väldigt hett nu är att försöka skapa syntetisk spindeltråd, säger Anne-Marie Hermansson.
Målet för Anne-Marie Hermanssons enhet där 20 personer arbetar är att ta fram nya biomaterial. Hon nämner att dessa bland annat skulle kunna användas för att skapa bättre uppsugningsförmåga i blöjor, men även inom till exempel läkemedel och medicin finns viktiga användningsområden.
– Jag tror att tvärvetenskapliga samarbeten och gränsöverskridande forskning är nödvändigt för dessa upptäckter. Att forskare inom olika områden börjar tala med varandra. Man måste titta längre bort än bara inom sitt eget lilla skrå för att finna nya lösningar på problem.
Grunden till naturens designlösningar är ”det naturliga urvalet”, som enligt Charles Darwins evolutionsteori är de bäst anpassades överlevnad. Eller snarare den bäst anpassade designen. Under miljarder år har evolutionen slipat fram och belönat de bäst anpassade lösningarna i naturen.
– Evolutionen designar genom att utveckla alla tänkbara möjligheter och sedan pröva dessa genom den extremt hårda sållningsprocess som kallas överlevnad. Det gör naturens design optimal på ett sätt som vi sällan kan åstadkomma, säger Janine Benyus.
En fisk med mindre friktion i vattnet ödslar mindre energi, en val med effektivare bröstfenor kan äta mer och en växt som inte kan bli smutsig får mer solenergi och växer därför snabbare än sina konkurrenter. Att återvinna, snåla och optimalt utnyttja resurser är egenskaper som ofta är nyckeln till överlevnad. I Biomimicry: Innovations inspired by nature listar Janine Benyus några av naturens styrkor som ingenjör, och som gör designen hållbar i dess bredaste bemärkelse, som att passa form till funktion, återanvända allt, belöna samarbeten och utnyttja lokal expertis. Just nu arbetar hon på sin kommande bok Natures 100 best som ska komma ut i slutet av 2009. I boken har hon tillsammans med ett team på The Biomimicry Institute letat fram några av naturens mest geniala idéer.
– Vi har gått igenom tiotusentals sidor med vetenskapslitteratur i jakt på lösningar som vi är i behov av i dag. Vi stannade när vi hade 2 100 bra idéer som borde härmas. Av dem har vi sedan valt ut de 100 bästa, säger Janine Benyus.
Hon menar att vi nu står inför ett viktigt skede i historien. Vi måste välja hållbar design.
– Vi befinner oss i slutskedet på vår blinda förälskelse i den industriella teknologin. Vi måste inse att vi skapar en massa dålig design som förstör vår miljö. Vi måste börja tänka som evolutionen. Jag ser inte skyskrapor som något onaturligt, de är bara våra termithögar. Men frågan vi måste ställa oss är om våra skyskrapor är hållbara i längden? Om termiterna
byggde dåliga högar skulle de snart dö ut, menar Janine Benyus.
Men vi måste förmodligen skynda att lära oss. I dag är 1,8 miljoner arter kända för vetenskapen, men hur många det egentligen finns är det ingen som vet. Uppskattningar brukar ligga mellan 30 och 100 miljoner. Med andra ord, vi har knappt börjat vår upptäckt. Och risken finns att vi inte kommer att hinna. Enligt biologer som E. O. Wilson vid Harvard University pågår nu den största massutrotningen sedan dinosaurierna försvann för 65 miljoner år sedan. Och det är vi som står för den. I dag beräknas artdöden vara omkring 1 000 gånger högre än normalt. Urvalet i Natures 100 best har baserats på detta faktum, och många av de utvalda arterna är sådana som riskerar att försvinna inom kort.
– Vi vill visa att bra idéer försvinner. Det pågår en braindrain av naturen. Vi skapar nu ett stödprogram för företag som hämtar lösningar från naturen. Tar man något måste man ge någonting tillbaka. Vår tanke är att en viss del av vinsten som företagen gör ska gå tillbaka för att bevara arten, säger Janine Benyus.
E. O. Wilson förutsade i boken The future of life att om vi fortsätter förstöra vår biosfär i samma takt som nu kommer vi att utrota hälften av alla arter på jorden i detta sekel. Kanske skulle vi se på det hela annorlunda om vi såg att vi förlorade miljontals geniala idéer i världens största braindrain.
Otroligt intressant artikel som har hjälpt mig mycket inom ett designprojekt som baseras på biomimiken! Tack!