Bioinspiracija je razmeroma nov znanstveni postopek, obenem pa verjetno star kot samo človeštvo – toliko kot ideja, na kateri temelji: da rešitev za težave poiščemo v naravi. Človeka so od vedno privlačile in navdihovale barve, oblike in funkcije živih organizmov. Med milijardami let evolucije se je razvila izjemna biotska raznovrstnost; danes na zemlji obstaja približno 1,8 milijona znanstveno dokumentiranih vrst živih organizmov, vseh skupaj pa jih je po predvidevanjih okoli 10 milijonov.

Številnih bioloških mehanizmov še vedno ne razumemo, kljub temu pa so tudi ti lahko spodbuda za izum novega postopka ali materiala. Iznajdbo letala je navdihnil ptičji let, za letenje pa letala uporabljajo drugačen princip kot ptiči. Biologija je bila v tem primeru torej le spodbuda za novo idejo. Nazornejši znani primeri zgledovanja po bioloških mehanizmih so v novejši zgodovini denimo semena repinca kot navdih za trak velcro (»ježka«), kljun vedomca za obliko sprednjega dela hitrih vlakov šinkansen, učinek lotosovih listov za samočistilne premaze, koža morskega psa za prevleke, ki preprečujejo obraščanje, glava žolne za blažilnike ali gnezdo termitov za učinkovit prezračevalni sistem v stavbah. Danes lahko najdemo še nešteto izjemnih sodobnih primerov, od fasadnega sistema, ki vključuje gojenje mikroalg, iz katerih pridobivajo energijo za ogrevanje in hlajenje zgradbe – opisan je v knjigi Bio-based Building Skin (Stavbni ovoji iz materialov biotskega izvora) –, do bakterij kot sestavnih elementov »samoobnovitvenih« cest. Uspešne takšne primere pa tudi ideje, ki se še niso uresničile, skrbno spremljajo denimo na spletni platformi AskNature, ki se posveča bioinspiracijskim in biomimetičnim tematikam.

Zgradba s fasadnim sistemom, ki vključuje gojenje mikroalg, iz katerih pridobivajo energijo za njeno ogrevanje in hlajenje (Hamburg, Nemčija). Foto: Marcin Brzezicki

A čeprav človek bioinspiracijo verjetno uporablja že od nekdaj, je na začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja prišlo do opaznega premika v pogledu na to metodo ter do postopnega razmaha bioinspiracijskih raziskav in tudi do njene popularizacije. Pomemben sprožilec je bil pri tem napredek v nanoznanosti in nanotehnologiji, saj se mnogo obstoječih naravnih pojavov odvija na nanoravni in zato do takrat niso bili znani, svoje pa je prispeval tudi razvoj visokozmogljivih analitičnih tehnik, kot sta vrstični tunelski mikroskop (scanning tunneling microscopy – STM) in mikroskop na atomsko silo (atomic force microscopy – AFM). K razmahu pa je ne nazadnje pripomogel tudi interdisciplinarni pristop, ki ga danes spodbujajo raziskave in razvoj. Tesno sodelovanje med znanstveniki z različnih področji, kot so strokovnjaki za materiale, inženirji, biologi, kemiki, fiziki, oblikovalci, arhitekti, matematiki in tudi strokovnjaki za masovne podatke, je za izvedbo bioinspirativnih rešitev namreč zelo pomembno.

Današnjo aktualnost bioinspiracije, ki jo G. Swiegers (Bioinspiration and Biomimicry in Chemistry: Reverse-Engineering Nature) opredeljuje kot »razumevanje temeljnih vidikov določenih bioloških aktivnosti in njihov prenos v drugo obliko«, bi morda lahko videli tudi v precejšnjem številu podobnih ali sinonimnih pojmov, ki se uporabljajo v zadnjih letih. Biomimetika, imenovana tudi biomimikrija, denimo izvira iz grške besede »biomimesis« (iz gr. bios »življenje« in gr. mimeticos »posnemanje, predstavljanje«) in pomeni »oponašanje biologije, žive narave ali živih organizmov« (B. Bhushan, Biomimetics Bioinspired Hierarchical-Structured Surfaces for Green Science and Technology). Po navedbi Merriam-Websterjevega spletnega slovarja je bila v takem pomenu prvič uporabljena leta 1970. V primerjavi z bioinspiracijo, ki ideje iz narave črpa bolj posredno, predstavlja biomimetika natančnejše in bolj neposredno kopiranje bioloških funkcij, procesov in materialov. Ob teh izrazih se pojavljajo še bionika, bioimitacija in oblikovanje, ki se navdihuje v naravi (nature-inspired design).

Bioinspiracijske rešitve najdemo na številnih področjih – med drugim v znanostih o materialih, robotiki in senzorjih, v medicini, arhitekturi in pri projektiranju konstrukcij pa tudi v podatkovni znanosti –, najprodornejše raziskovalne skupine, ki se z njimi ukvarjajo, pa delujejo v Švici, Nemčiji, Italiji, Združenem kraljestvu, ZDA ter na Japonskem in Kitajskem. Med znanstveniki, ki se jim posvečajo, je tudi dr. Anna Sandak, raziskovalka in vodja skupine Modifikacija lesa v InnoRenew CoE. Bionspiracijski materiali, še posebej v povezavi z lesno tehnologijo, jo zanimajo, ker je študirala obe področji, tako biologijo kot znanost o lesu. Razvijanje bioinspiracijskih materialov namreč zahteva poznavanje tako bioloških kot tehnoloških postopkov oziroma disciplin, ki se tradicionalno med seboj sicer ne prekrivata.

V skupini Modifikacija lesa pod vodstvom Anne Sandak izvajajo biomimikrijo in bioinspiracijo, pri čemer uporabljajo tako pristop »od spodaj navzgor« kot tudi »od zgoraj navzdol«. Pri prvem je pomembno razumevanje bioloških struktur, njihovih oblik in funkcij, kar omogočajo analize morfologije, anatomije, biomehanike in fiziologije. To znanje se nato uporabi za oblikovanje novega postopka ali materiala. Pristop »od zgoraj navzdol« pa izhaja iz obstoječih tehničnih težav in je namenjen izboljšanju izdelkov, seveda pa jih pri tem navdihujejo rešitve, razvite v naravi.

»Bioinspiracija je v zadnjih letih zelo popularna,« pravi Anna Sandak, »na področju modifikacije lesa pa je še v povojih. In tu vidim dodatno prednost: ne le, da se pri rešitvah naslanjamo na naravne mehanizme, ampak poleg tega te mehanizme uporabimo za materiale biotskega izvora, in ne za sintetične materiale.«

Vsak od šestih raziskovalcev iz skupine Modifikacija lesa ima drugačno znanstveno podlago, zato se med njimi pogosto razvijejo zanimive razprave o novih usmeritvah in idejah za reševanje problemov. Pred kratkim so začeli proučevati mehanizme samoobnavljanja pri biofilmu, ki ščiti les, osnova pa je gliva Aureobasidium pullulans. Biološki premaz naj bi z zmožnostjo samoobnavljanja les na prostem zaščitil pred okoljskimi razmerami. Tema je vključena v doktorsko delo raziskovalke Faksawat Poohphajai, vendar je zelo kompleksna, zato jih čaka še veliko raziskav.

Klamidospore in temna debela stena s pregrado hife Aureobasidium pullulans na površini furnirja, obdelanega z biološkim premazom, po dveh tednih inkubacije (40-kratna povečava). Foto: Faksawat Poohphajai

Druga tema je del podoktorskega raziskovanja dr. Renéja Herrere Díaza, ki proučuje uporabo ekstraktivnih snovi biotskega izvora za zaščito lesa. V življenjskih procesih drevesa so prisotne različne nestrukturne majhne spojine, ki lesu zagotavljajo zaščito pred okoljskimi dejavniki. V drevesih v naravi je veliko vode, opremljena pa so s precej učinkovitim zaščitnim sistemom. Les kot industrijski material, ki se ga uporablja za različne namene, pa ima manjšo vsebnost vlage in naravna zaščita ne more zagotavljati popolne obrambe. Čeprav ekstraktivi v lesu predstavljajo v primerjavi s sestavinami celične stene manjši delež, so pomemben vir molekul z biološkim učinkom, primernim za zaščito lesa.

Različne frakcije ekstraktivnih snovi v biomasi (levo maščoba, desno fenoli). Foto: René Herrera Díaz

Anna Sandak se zaveda, kot pravi, da na tem področju opravljajo odlične raziskave ekipe z vseh koncev sveta, redke pa, tako kot na raziskovalnem inštitutu InnoRenew CoE, biomimikrijo in bioinspiracijo izvajajo za modifikacijo lesa ter za zaščito in funkcionalizacijo lesa. »Verjamem, da je bioinspiracija lahko zanimiv sprožilec za okrepitev sodelovanja z drugimi raziskovalnimi skupinami,« dodaja. »Razvoj novih materialov bi lahko podprli z bioinspiracijskim računalništvom, kar bi bilo lahko uporabno za razvoj trajnostnih zgradb. Uporaba bioinspiracije je tako naravna in logična, da se mnogi sploh ne zavedamo, kako naše številne ideje in rešitve usmerja narava. Povsem se strinjam z Einsteinovo izjavo: ‘Poglobi se v naravo in vse ti bo postalo bolj razumljivo’.«