Bionika: Chlazení procesoru po vzoru lidského mozku

Michal Černý  |  Věda

Budovy chlazené jako termitiště, rychlovlak ve tvaru zobáčku ledňáčka, rychlý mozek sarančat, kterým se inspiroval automobilový průmysl… Vědecký obor bionika hledá inspiraci v přírodě.

Plavecká kombinéza s názvem LZR Racer je v současnosti považována za nejrychlejší koupací úbor na světě. Australská olympijská vítězka v plavání Lisbeth Trickettová se vyjádřila v tom smyslu, že „v téhle kombinéze má pocit, jako kdyby plavala s kopce“. Tajemství úspěchu oděvu spočívá v tom, že jeho vývoj trval miliony let. Hlavní práci v tomto případě vykonala evoluce, vývojáři se pro svůj špičkový produkt inspirovali přírodou, a pomocí počítačů jej dovedli k dokonalosti.

Vzorem pro oblek se stala kůže žraloka, které evoluce nadělila speciální rýhování. Díky němu je žraločí kůže tak kluzká, že dravec klouže vodou při minimálním odporu. V souladu s přírodou tak byly první „žraločí“ plavky posety syntetickými šupinami. Výsledek byl ohromující. Plavci, kteří je použili, zaplavali stometrovou trať asi o 1,5 vteřiny rychleji než konkurenti v tradičních oblecích.

Plavecká kombinéza LZR Racer. Credit: Kathy Barnstorff, NASA, Wikipedia
Plavecká kombinéza LZR Racer. Credit: Kathy Barnstorff, NASA, Wikipedia

Elegance přírody vs. technologické humpoláctví

Je patrné, že inspirace přírodou se může vyplatit. Evoluce hledala řešení mnoha problémů v procesech trvajících miliony let, naproti tomu lidské vynálezy mohou v tomto srovnání působit směšně až humpolácky. Teprve nedávno, na přelomu padesátých a šedesátých let dvacátého století, vznikla nová věda – bionika – která se zabývá tím, jak můžeme vynálezy přírody použít při řešení vlastních technických problémů. Bionika je spojením slov „biologie“ a „technika“. Za velkého předchůdce tohoto oboru je považován renesanční všeuměl Leonardo da Vinci, který ve své době studoval let ptáků, jenž chtěl využít při konstrukci létajících strojů.

V devadesátých letech pak obor zpopularizovala americká vědkyně a spisovatelka Janine Benyusová, která v roce 1997 publikovala knihu „Biomimikry: Inovace inspirované přírodou“. V bionice jde mimo jiné také o to, že zvířata, rostliny a mikroorganismy v průběhu milionů let vyvinuly techniky a strategie, které nepředstavují poškození životního prostředí (na rozdíl od mnoha lidských vynálezů, jako jsou třeba auta, roboti, jaderné elektrárny nebo počítače). Bionika tak zároveň může znamenat nadějnou cestu směrem k udržitelnější a ekologičtější budoucnosti.

Procesor chlazený jako mozek

Například biochemik Bruno Michel, který ve švýcarské laboratoři bádá pro společnost IBM, se ve svých výzkumech inspiroval nikoli u zvířat, ale přímo u lidí. Zabývá se chlazením počítačů, které stále více naráží na své hranice: se zvyšujícím výkonem se zároveň zvyšuje hustota prvků na procesoru a je tak stále obtížnější ho chladit. Bruno Michel se inspiroval u lidského mozku, který obsahuje miliardy neuronů na velice malém prostoru, a přesto jej krevní systém dokáže chladit velmi efektivně – z energetického hlediska je člověk stotisíckrát efektivnější než počítač. Vědec tak vyvinul techniku, fungující podobně jako krevní oběh, kdy krev proudí přes aortu do žil, ty se stále rozvětvují a nakonec ústí do vlásečnic o průměru pouhých několika mikrometrů. Díky hierarchické struktuře zařídí krevní oběh transport velmi efektivně. „V chladicím procesu je zapotřebí maximalizovat povrch, na němž se kapalina stýká s chladičem,“ uvádí Michel.

Starý způsob chlazení již pomalu přestává stačit

Výzkumníci společnosti IBM tak vyvinuli chlazení přivádějící kapalinu přes stále se rozvětvující systém přímo k čipu, a druhým systémem ji zase odvádí. Technologie má být asi o 40 procent efektivnější než běžné chlazení.

Situace v ČR: Organizace zabývající se bionikou schází

Příkladů, kdy se inženýři a technici inspirovali přírodou, lze nalézt velmi mnoho. Některé z nich uvádíme v závěru článku. V České republice zatím organizace, která by se zabývala výhradně bionikou, neexistuje – biomimikry jako vědecký obor jsou rozšířené spíše ve Spojených státech. Pokud by ale český zájemce hledal informace o tomto pozoruhodném oboru, najde je v knihovně materiálů matériO, kterou v Praze provozuje společnost Happy materials. Zájemcům o biomimikry kromě ukázky materiálů může knihovna poskytnout kontakty na zahraniční instituce, které se biomimetikou či bionikou zabývají.


Příklady z bioniky

Termiti a chlazení budov

Termiti chladí svoje hnízda pomocí důmyslného systému, který zachycuje vánek u paty stavby. Architekt Mick Pearce ve svém návrhu použil ventilátory nasávající svěží vzduch v atriu budovy. Pak ho ženou vzhůru dutinami pod podlahy a odtamtud průduchy v podlahových lištách až do kanceláří. Výdaje za elektřinu se oproti srovnatelné budově s klimatizací snížily na desetinu.

Ledňáček inspiroval tvar rychlovlaku

Rychlovlak Shinkanzen jezdí mezi japonskými městy rychlostí kolem 300 kilometrů v hodině. Při zkušebních jízdách konstruktéři narazili na nečekaný problém. Když souprava vjela vysokou rychlostí do úzkého tunelu, vlny atmosférického tlaku způsobily ohlušující ránu. Inženýři proto zkoumali, zda existuje nějaký živý tvor, jemuž se daří náhlé změny odporu vzduchu překonávat. Nakonec přišli na to, že asi nejvhodnějším příkladem je ledňáček. Ze vzduchu, který klade nízký odpor, se noří do hustší vody jen s malým šplouchnutím. Konstruktéři tak předělali nos rychlovlaku podle vzoru ledňáčkova zobáčku.

Rychlovlak Shinkansen. Credit: Dr_Flash / Shutterstock.com
Rychlovlak Shinkansen. Credit: Dr_Flash / Shutterstock.com

Rychlý mozek sarančat

Neurobioložka Claire Rindová zkoumala, jak je možné, že sarančata do sebe při přeletech v milionových rojích nikdy nenarazí. Zjistila, že tuto schopnost jim zajišťuje vysoce vyvinutý zrakový systém. Její objev inspiroval konstruktéry firmy Volvo k tomu, aby vyvinuli technologii zamezující střetnutí s chodcem.

Lopuch a suchý zip

Švýcar George de Mestral vyvinul suchý zip ve 40. letech dvacátého století. Jednoho dne se vrátil z procházky, a zkoušel srst svého psa zbavit lopuchů. Podíval se na ně pod mikroskopem a odhalil, že drží pomocí malých háčků. Dlouhé roky pak hledal ideální materiál. Suchý zip patentoval v roce 1955.

Nejčtenější