Lentokoneisiin haetaan nykyisinkin ideoita linnuilta ja muilta luonnon lentäjiltä – mutta myös merieläimiltä.

Teksti: Kalevi Rantanen

Lentokoneenrakentaja Airbusilla oli ongelma. Kun uutta jumboa A380 suunniteltiin, siivistä tahtoi tulla liian pitkät.

Rajan pituudelle asetti lentokenttien koko. Kenttiä on mahdotonta laajentaa, että uusi kone mahtuisi, olkoonkin maailman suurin. Kenttä sallii korkeintaan 80 metrin kärkivälin, mutta jotta kone lentäisi, olisi tarvittu pari kolme metriä lisää. Siiven piti olla samaan aikaan lyhyt ja pitkä. Siinä oli pulmaa kerrakseen.

Insinöörit tiesivät, että 80 metriä riittäisi, jos koko siipi saataisiin synnyttämään nostovoimaa. Ilman pyörteily kuitenkin kumoaa siiven kärkien nosteen. Jos pyörteet voitaisiin jotenkin hävittää, ongelma ratkeaisi. Mutta miten päästä eroon virtauksista, joita aerodynaamisen tietämyksen mukaan pakosta syntyy ilmassa liikkuvan tason reunassa?

Suunnittelijat kysyivät neuvoa kotkalta. Arokotka, Aquila nipalensis, hyödyntää ylöspäin nousevia ilmavirtauksia. Niiden nostovoiman käytössä vielä pidemmät siivet olisivat paremmat, mutta silloin linnun paino kasvaisi haitallisesti. Luonnonvalinnan tuloksena on syntynyt kompromissi. Siipien kärjissä harottaa pieniä sulkia, jotka nousevat melkein pystyyn ja sammuttavat pyörteet.

Insinöörit taivuttivat siiven kärjen ylöspäin pieneksi siivekkeeksi. Ongelma oli ratkaistu. A380-koneen siipien kärkiväli on 79,8 metriä eli 20 senttiä vähemmän kuin lentokenttävaatimus.

Biomimetiikka omii luonnon periaatteita

– Arokotka on hyvä mutta ei ainoa esimerkki linnusta, jolla on erikoistuneet siipisulat, kertoo David Hills. Hän johtaa Airbus-hankkeessa osastoa nimeltä "fysikaaliset suunnitteluprosessit, metodit ja työkalut".

Hills kertoo, että keinotekoisten "kärkisulkien" kehittäminen vaati monen vuoden työn. Siivenkärjen pyörreilmiötä on opittu ymmärtämään vähitellen. – Lopulta ratkaisu pyörteilyn hallitsemiseksi oli hyvin samanlainen kuin linnun siivessä. Tällaista luonnon matkimista kutsutaan biomimetiikaksi.

– Biomimetiikka tutkii, mitä luonto tekee ja miksi, ja käyttää tätä tietoa ihmisen tekemässä ympäristössä. Vain harvoin ratkaisu näyttää luonnon tarkalta kopiolta, mutta takana piilevät samat periaatteet, Hills selittää.

Linnut ja lentokoneet kohtaavat kuitenkin täysin erilaisia rajoituksia ja vaatimuksia.

– Useimmat linnut nousevat ja laskeutuvat lähes pystysuoraan, mutta siviililentokoneen ei tarvitse tehdä näin. Toisaalta lintujen ei tarvitse lentää ääntä nopeammin.

Harvoin heureka-hommaa

Keskustelussa Hillsin kanssa selviää, että yksinkertaisilta näyttävien ratkaisujen takana piilee pitkäaikaista ja laaja-alaista tutkimustyötä. Biomimetiikka on jotain muuta kuin mitä usein esitetään. Ikuisesti kärsimätön ihmiskunta kaipaa pikavoittoja ja uskoo mielellään juttuja helposta menestyksestä.

Moni on kuullut kertomuksen tarranauhasta: Mies kävelytti koiraa. Takiainen tarttui piskin karvoihin. Siitä mies keksi tarranauhan eikä sitten muuta tehnytkään kuin laski voittoja.

Toisin se menee. Innoittava havainto usein vasta aloittaa monen vuosikymmenen urakan.

Hills puhuu enemmän bioinspiraatiosta kuin biomimetiikasta. Luonto inspiroi, innoittaa ja innostaa. Jos kotka on ratkaissut aerodynaamisen ongelman, tiedämme varmasti, että ratkaisu on olemassa, vaikka emme tiedä, mikä se on.

Voimme tulkita bioinspiraation ajatuksen myös sanomalla, että luonto auttaa valitsemaan oikeita ongelmia. Rahaa ja aikaa kuluu kehittämiseen aina. Siksi on tärkeää osata valita.

Biomimetiikka on kuin taideteos, jonka kauneus avautuu hitaasti mutta jonka antama elämys maksaa vaivan monin verroin.

Pöllöltä opitaan meluntorjuntaa

Joka epäilee, ajatelkoon vaikka pöllöjen kykyä lentää äänettömästi. Lentokoneenrakentajia niiden meluntorjuntatekniikka kiinnostaa erityisesti.

Linnun tai lentokoneen lentäessä siivistä irtautuu ilmavirtauksia, jotka tuntuvat ympäristössä meluna.

Hills kertoo, että pöllön sulka rikkoo suurikokoiset virtaukset suureksi joukoksi pikkuvirtoja. Suuret virtaukset synnyttävät matalataajuisia ääniä, jotka kuuluvat kauaksi. Pikkuvirroista lähtee korkeataajuisia ääniä, jotka ympäröivä ilma vaimentaa nopeasti. Kun pöllön kyky hajottaa ilmavirrat opitaan siirtämään lentokoneeseen, lentokenttämelu jää historiaan.

Esimerkiksi brittiläinen Southamptonin yliopisto on tutkinut pöllöjä yli 20 vuotta. Saamme silti odottaa ainakin vähän aikaa, sillä tutkimusta tarvitaan edelleen paljon.

Lintujen hiljaisuutta kuuntelee myös Airbusin arkkikilpailija Boeing. Yhtiön suunnittelijat ovat retkeilleet Nicaraguan viidakoissa, joissa kuulemma riittää sekä pulinaa että meluntorjuntaratkaisuja.

Delfiiniltä kevyempää kulkua

Tutkimuksen edetessä on opittu etsimään mallia yhä etäisemmistä ja epätodennäköisemmistä kohteista. Tulevaisuudessa lentokonesuunnittelijat uskovat saavansa arvokasta oppia myös merieläimiltä, kuten delfiineiltä. Delfinaarioiden tähdet tietävät, miten kulkea veden alla kevyesti. Ne osaavat hallita turbulenssia eli veden pyörteilyä ihollaan. Rikkomalla pyörteet delfiinit vähentävät vastusta 30–40 prosentilla.

– Olemme simuloineet tämänkaltaista turbulenssin hallinnan tekniikkaa, Hills kertoo.

– Simulaatiot ovat selvästi osoittaneet, että on mahdollista vähentää vastusta merkittävästi. Luotettavan ja käyttökelpoisen teknisen ratkaisun kehittäminen on silti suuri haaste.

Hyvä syy suojella monimuotoisuutta

David Hills korostaa, että on siirryttävä luonnon hyödyntämisestä luonnolta oppimiseen. Rohkaisevia esimerkkejä riittää, muualtakin kuin ilmailusta.

Niistä yksi on Karibianmeressä elävä sienieläin Discodermia dissoluta, joka tulee toimeen ilman silmiä, suuta, mahaa ja luita. Niitä se ei tarvitse, koska se on kemiallinen nero, joka tuottaa monimutkaisia myrkyllisiä yhdisteitä. Samat yhdisteet ovat tehokkaita lääkkeitä tulehduksia, virustauteja ja mahdollisesti myös syöpiä vastaan.

Viime vuonna Nobelin kemianpalkinto myönnettiin kolmelle tutkijalle oikeastaan Discodermia dissolutan toiminnan kopionnista. He olivat kehittäneet menetelmiä, joilla sienieläimen tehoainetta voi tuottaa keinotekoisesti suuria määriä.

Näyttää, ettei mikään luonnossa ole tarpeetonta edes kapealla hyötyputkella katsottuna. Ehkä jokin turhan tuntuinen ötökkä tai mikrobi vielä lahjoittaa meille tavan ehkäistä Alzheimerin taudin. Kannattaisiko sudetkin säästää, jos ei eläinystävällisyydestä niin edes itsekkäistä syistä?

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Simpukkaa taivaalle

Mitä tekemistä simpukalla voi olla lentokoneen kanssa?

Vuoden 2010 keväällä joukko tutkijoita Suomen Aalto-yliopistosta ja Ruotsin Kungliga Tekniska Högskolanista raportoi valmistaneensa biomimeettistä paperia. Suomesta työhön on osallistunut molekyylimateriaalien tutkimusryhmä tohtori Andreas Waltherin ja professori Olli Ikkalan johdolla.

Mallina on toiminut simpukan, kuten merikorvan, luja ja kevyt helmiäiskuori. Yksi monista sovellusalueista on ilmailu ja avaruustekniikka.

Helmiäisen ominaisuudet on tunnettu kauan. Kuori on kuin tiiliseinää. Tiiliä ovat mikroskooppiset, aragoniitti-nimisestä epäorgaanisesta aineesta koostuvat liuskeet ja laastia orgaaniset proteiinit. Syntyy vahva ja kevyt rakenne, jollaisen valmistamisesta insinöörit ovat kauan haaveilleet.

Laboratoriossa helmiäistä on kyetty jäljittelemäänkin. Valitettavasti valmistus on ollut melkein käsityötä eli toivottoman kallista.

Uutta suomalais-ruotsalaisen tutkijaryhmän työssä on massatuotantoon sopiva tekniikka. Nanoliuskeista ja polymeeripäällysteistä voidaan tehdä vahvoja ja halutun paksuisia kalvoja paperinvalmistuksen menetelmillä tai vaikka maalaamalla.

Materiaalin vetolujuus yltää messingin tasolle. Paitsi kevyttä ja lujaa materiaali on palonkestävää, mikä tekee siitä kiinnostavan ilmailussa. Lentokone voidaan vaikka vuorata helmiäismimeettisellä paperilla.

Jules Verne ennusti vuonna 1886 Robur Valloittajassa paperin käytön lentokoneessa: "On vielä sanomatta, mistä aineesta insinööri Robur oli rakentanut lentolaivansa – – Mitä oli se kova aine, johon Phil Evansin bowie-puukko ei pystynyt – – Aivan yksinkertaisesti paperia." Ihmepaperin koostumuksen Verne jätti kertomatta. Olisiko mahtanut olla biomimeettistä komposiittia?

Julkaistu Tiede-lehdessä 10/2011

Biomimetiikan parhaita paloja

Alalla on menossa monenlaista. Tiedelehti Bioinspiration & Biomimetics listasi vuoden 2009 kiinnostavimmat tutkimukset:

1 Hyönteisen lennon mallintaminen "mavien" eli mikroskooppisten lentorobottien (micro-air-vehicles) kehittämisessä.

2 Käärmemäisten robottien kehittäminen oikeita käärmeitä jäljittelemällä.

3 Kalojen evien jäljitteleminen "auvien" eli automaattisten sukellusrobottien (autonomous underwater vehicles) kehittämisessä.

4 Perhosen siiven mallin valmistaminen.

5 Hyönteisten siipien kopiointi "mavien" kehittämistä varten.

6 Eläinten jalkojen jousimaisen toiminnan jäljittely juoksevien robottien kehittämiseksi.

Aiheesta aiemmin: Insinööri matkii luontoa, Tiede 9/2007 

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25798
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1189
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.