Co wspólnego mają samoloty, kostiumy pływackie, opony oraz maty do jogi? Poznaj doskonały przykład rozwiązania biomimetycznego
Biomimetyka to interdyscyplinarna dziedzina nauki i inżynierii, która czerpie inspirację z natury do rozwiązywania problemów technicznych, projektowych i funkcjonalnych. W poprzednim artykule podano podstawowe informacje na jej temat. A teraz przedstawiamy jeden z ciekawszych przykładów jej zastosowań.
Co wspólnego mają ze sobą samoloty, kostiumy pływackie, opony oraz maty do jogi? Wszystkie te przedmioty są wykonane na wzór struktury skóry rekina.
Gdybyśmy mieli możliwość pogłaskać rekina, przesuwając rękę od głowy do ogona, jego skóra wydałaby się nam gładka. Ale gdybyśmy przesunęli rękę w przeciwnym kierunku, odkrylibyśmy, że jest szorstka. Chociaż więc skóra rekina na pierwszy rzut oka wydaje się być gładką powierzchnią, to w rzeczywistości jest pokryta drobnymi, żłobionymi łuskami zwanymi też „ząbkami skórnymi” (ang. dermal denticles).
Jaką funkcję pełnią te wyżłobione łuski?
Po pierwsze regulują przepływ wody, dzięki czemu rekin może się w niej szybciej poruszać. Chociaż rowki na łuskach mają tylko po kilka milimetrów wysokości, to są ułożone tak, że tworzą grzbiety wzdłuż całego ciała ryby. Grzbiety te zmniejszają opór opływającej ciało rekina wody i pozwalają mu zaoszczędzić energię. Powodują też, że ryba podczas pływania generuje mniej hałasu.
Po drugie łuski te zapewniają ochronę przed zranieniem, ponieważ tworzą swego rodzaju pancerz. Chronią rekina również przed pasożytami, bo gdy ryba pływa, łuski falują, a to uniemożliwia zadomowienie się mikroorganizmów na powierzchni skóry.
Rys. Łuski na skórze rekina
Jak wykorzystano te niezwykłe właściwości skóry rekina w wynalazkach?
-
Powłoka AeroSHARK
AeroSHARK to innowacyjna powłoka opracowana przez Lufthansa Technik i BASF na wzór mikrostruktury skóry rekina. Na jej powierzchni znajdują się miliony mikroskopijnych wypukłości (tzw. ribletów) o wysokości 50 mikrometrów. Powłoka ta jest nakładana na kadłub i gondole silników samolotów. Pozwala ona na zmniejszenie oporu aerodynamicznego, co przekłada się na niższe zużycie paliwa i mniejszą emisję CO₂.
Na stronie linii lotniczych SWISS, które stosują ten wynalazek w swoich samolotach, możemy przeczytać: „Dzięki zastosowaniu łącznie 950 metrów kwadratowych folii AeroSHARK z ribletami na powierzchniach kadłuba i gondoli silnika samolotu Boeing 777 można osiągnąć oszczędność paliwa rzędu około 1,1%. Dzięki temu nasze roczne zużycie paliwa zmniejszy się o ponad 4800 ton, a całkowita roczna emisja dwutlenku węgla produkowana przez naszą flotę samolotów Boeing 777 spadnie nawet o 15 200 ton – czyli o ilość emitowaną podczas około 87 lotów długodystansowych z Zurychu do Bombaju.” (https://www.swiss.com/magazine/en/inside-swiss/sustainability/aeroshark-how-we-further-reduce-our-carbon-emissions)
Patenty dotyczące ribletów oraz powłoki z ribletami należące do Lufthansa Technik Aktiengesellschaft to między innymi: EP4065464A1, DE102019132344A1, EP4065465A1, DE10207291782B4. Zarejestrowano także znak towarowy AeroShark (nr rejestracji 6413734).
-
Kostium pływacki FastSkin
Redukcję oporu opływającej wody wykorzystano też do stworzenia kostiumu pływackiego FastSkin. W jego opracowaniu brała udział Fiona Fairhurst i jej zespół badawczy, którzy pracowali dla firmy Speedo. W 1999 roku rozpoczęli badania nad materiałem naśladującym strukturę skóry rekinów. Efektem końcowym była tkanina wodoodporna z nadrukowanymi „ząbkami”. Kostium Fastskin zadebiutował podczas Igrzysk Olimpijskich w Sydney w 2000 roku, gdzie 83% medali zdobyli pływacy noszący nowy strój. Podczas Igrzysk Olimpijskich w Atenach w 2004 roku pływacy noszący strój Fastskin drugiej generacji (który teraz charakteryzował się również unikalnym hydrodynamicznym krojem, dopasowującym się do ciała pływaka jak „druga skóra”) zdobyli łącznie 47 medali. A sama Fiona Fairhurst została finalistką konkursu „Europejski Wynalazca Roku 2009” w kategorii „Przemysł” (https://www.epo.org/en/news-events/european-inventor-award/meet-the-finalists/fiona-fairhurst).
Do Fiony Fairhurst należy patent nr EP1110464B1 dotyczący kostiumu pływackiego.
-
Opony Uniroyal z technologią Shark Skin
Strukturę skóry rekina wykorzystano również w oponach przystosowanych do jazdy w deszczu. Rowki na powierzchni opony umożliwiają zapobieganie akwaplanacji (aquaplaning), czyli utraty przyczepności opony podczas jazdy po nawierzchni pokrytej wodą. Dzięki Technologii Shark Skin „opony mogą poruszać się po mokrych drogach bez utraty kontaktu. Woda przepływająca z dużą prędkością przez szerokie rowki, jest skutecznie i szybko rozpraszana. Opony zachowują przyczepność do nawierzchni drogi, a ryzyko aquaplaningu jest ograniczone” (https://www.uniroyal-tyres.com/pl/pl/car/service-knowledge/advanced-shark-skin-technology/)
-
Powłoka Sharklet
Jak już wspomniano powyżej, łuski na skórze rekina tworzą powierzchnię, która uniemożliwia bytowanie pasożytów. Jednak naukowcy odkryli, że budowa skóry rekina zniechęca również bakterie do osiadania i tworzenia na niej kolonii. Dotyczy to także bakterii niebezpiecznych dla człowieka, takich jak gronkowiec złocisty, pałeczka ropy błękitnej czy pałeczka okrężnicy. W związku z tym badacze opracowali odporną na działanie bakterii powłokę Sharklet. Jej właściwości antybakteryjne nie wynikają ze składu chemicznego materiału, tylko z jego struktury.
Rys. Struktura powłoki Sharklet
Powłoka Sharklet może być stosowana na powierzchniach, których dotyka dużo osób, na przykład na klamkach, ladach sklepowych, w recepcjach, czy toaletach w instytucjach użyteczności publicznej, takich jak szkoły, urzędy, muzea itp. Można ją również stosować w środkach transportu publicznego, na przykład na poręczach. Na swojej stronie firma Sharklet Technologies oferuje także antybakteryjne maty do jogi. Trwają również badania nad zastosowaniem powłoki Sharklet w medycynie, na przykład w cewnikach Foleya lub w rurkach dotchawiczych.
Patenty związane z powłoką Sharklet wymieniono na stronie: https://www.sharklet.com/patents/
To tylko niektóre z możliwych zastosowań struktury skóry rekina. To doskonałe rozwiązanie biomimetyczne nadal pozostaje przedmiotem wielu badań i źródłem inspiracji dla twórców oraz inżynierów na całym świecie.
Struktura skóry rekina to przykład biomimetyki, który z perspektywy patentowej otwiera bardzo szerokie możliwości ochrony. Po pierwsze, pozwala na wykazanie efektu technicznego, takiego jak redukcja oporów przepływu, działanie antybakteryjne czy zwiększona trwałość powierzchni. Po drugie, daje możliwość przeniesienia tego efektu do konkretnych rozwiązań technicznych, np. powłok, kompozytów czy technologii druku 3D odwzorowujących mikrostrukturę łusek. Ochrona patentowa może obejmować zarówno samą strukturę i jej geometryczne parametry, jak i sposób wytwarzania oraz zastosowanie w określonych branżach – od lotnictwa po medycynę. Dodatkowo warto stosować warstwową strategię IP, łączącą patenty ze wzorami przemysłowymi i tajemnicą przedsiębiorstwa. Dzięki temu innowacje inspirowane skórą rekina mogą być skutecznie zabezpieczone i wykorzystane jako przewaga konkurencyjna na wielu rynkach.
Źródła:
https://scienceinschool.org/pl/article/2018/design-inspiration-secrets-shark-skin-pl/
https://www.jw.org/pl/biblioteka/czasopisma/g201002/Sk%C3%B3ra-rekina/
https://innovation-runway.lufthansagroup.com/en/about-us/focus-areas/sustainability/aeroshark.html
https://www.epo.org/en/news-events/european-inventor-award/meet-the-finalists/fiona-fairhurst
