Doğadan kopya çekmek: biyomimikrinin uzun, komik ve öğretici tarihi

01Önce ayıralım: üç ayrı kopya türü var

Bir binaya yaprak biçimi vermek ile yaprağın yaptığı işi yapmak aynı şey sayılmaz. Karışıklık buradan çıkar; o yüzden baştan üçe ayıralım.

Biyomimikri kelimesi ikinci ve üçüncü satır için kullanılır. İlk satırın adı başka: biçim benzetmesi. Bu yazıdaki başarıların neredeyse hepsi ikinci satırdan, fiyaskoların çoğu birinci satırdan çıkar. Aklınızın bir köşesinde dursun.

02Kanat çırpan insan: yanlış şeyi kopyalamanın bin yılı

Kuş kanat çırpar ve uçar. Öyleyse insan da kanat takıp çırparsa uçar. Bu akıl yürütme o kadar doğal görünür ki insanlık ondan vazgeçmek için bin yıla yakın uğraştı. Mitolojide İkarus’un balmumu kanatları vardır. 9. yüzyılda Endülüs’te Abbas bin Firnas’ın, 17. yüzyılda İstanbul’da Hezarfen Ahmed Çelebi’nin kanat takıp süzüldüğü anlatılır; ikincisinin tek kaynağı Evliya Çelebi’dir ve bir rivayet olarak okunmalıdır. Leonardo da Vinci 1505 dolaylarında kuşların uçuşu üzerine bir defter doldurdu ve kanat çırpan makineler çizdi; hiçbiri uçmadı.

Neden uçmadı? Cevap biyolojide değil, fiziktedir ve adı kare-küp yasasıdır. Bir canlıyı her yönde iki katına büyütürseniz kanat alanı dört katına, ağırlığı sekiz katına çıkar. Serçe için işleyen tasarım, insan boyuna getirildiğinde ağırlığının altında ezilir. Kuşun göğüs kası gövdesinin kayda değer bir bölümünü tutar; insanınki böyle bir işi kaldıracak güçte olmaz. Kanat çırpmayı kopyalayan herkes, ölçeği hesaba katmadan biçimi kopyalamış oluyordu.

Düğümü çözen kişi kuşa başka bir gözle baktı. Alman mühendis Otto Lilienthal leylekleri yıllarca ölçtü ve 1889’da kuş uçuşu üzerine kitabını yayımladı. Vardığı sonuç yalındı: önemli olan çırpmak sayılmaz, kanadın eğri kesitidir; kaldırmayı o üretir. 1891’den sonra kendi yaptığı planörlerle iki bini aşkın uçuş yaptı. 9 Ağustos 1896’daki uçuşunda planörü yaklaşık 15 m yükseklikten düştü; Lilienthal ertesi gün maalesef hayatını kaybetti. Toplam uçuş süresi yaklaşık beş saatti ve o beş saat havacılığın temelini attı.

Wright kardeşler onun verileriyle başladı. Onlar da kuşlara baktı, ama bir başka ayrıntıyı gördüler: kuş dönerken kanat ucunu büker. 1903’te uçan makinenin kanatları tellerle bükülüyordu. Motor ve pervane ise hiçbir kuşta yoktu. Uçak, doğadan alınan iki ilke ile doğada bulunmayan bir tahrikin evliliğidir.

Dönemin havası da hikâyenin parçasıdır. 19. yüzyılın sonu buhar makinesinin, patent yarışlarının ve gazetelerin çağıdır. Uçmaya çalışan adamlar hem kahraman hem alay konusuydu; fotoğraf sayesinde her deneme, başarısız olanlar dahil, kıtalar arası habere dönüşüyordu. Lilienthal’in planördeki fotoğrafları, Wright kardeşlerin okuyup heveslendiği şeydi.

03Bir nilüfer yaprağı ve bir cam saray

Viktorya çağı İngiltere’si bitkilere düşkündü. İmparatorluğun gemileri dünyanın her yerinden tohum taşıyor, zenginler seralarında hangi egzotik bitkiyi çiçek açtıracakları üzerine yarışıyordu. 1849’da bahçıvan Joseph Paxton, Güney Amerika’dan gelen dev nilüferi İngiltere’de ilk kez çiçek açtırdı. Yaprak 2 m’ye yaklaşıyordu ve Paxton altına baktığında bir mühendislik dersi gördü: merkezden yayılan kalın kaburgalar ile onları bağlayan ince çapraz damarlar. Küçük kızını yaprağın üstüne oturttu; yaprak taşıdı.

İki yıl sonra Londra’daki büyük dünya sergisi için bir bina gerekiyordu ve hiçbir mimarın önerisi zamanında bitecek gibi görünmüyordu. Paxton aynı düzeni dökme demir ve camla kurdu: ana kirişler, aralarında ince taşıyıcılar, üstünde cam. Parçalar fabrikada üretildi ve yerinde birkaç ayda birleştirildi. Kristal Saray seri üretilmiş parçalardan kurulan ilk büyük yapıydı. Burada kopyalanan şey biçim sayılmaz; yükü kaburgalarla dağıtma ilkesidir. Aynı ilke bugün her çelik çatıda çalışır.

On beş yıl kadar sonra Zürih’te bir anatomi profesörü ile bir köprü mühendisi karşılaştı. Hermann von Meyer uyluk kemiğinin başındaki süngersi dokuyu inceliyordu; Karl Culmann çizimlere baktı ve içindeki çizgilerin, kendi tasarladığı vinçteki kuvvet çizgileriyle aynı yolu izlediğini gördü. Kemik, malzemeyi yalnızca yükün geçtiği yere koyuyordu. Bu gözlem bugün uçak ve otomobil parçalarını hafifleten yazılımların atasıdır: bilgisayar, yük taşımayan malzemeyi kemiğin yaptığı gibi siler. Paris’teki ünlü demir kulenin uyluk kemiğinden esinlendiği de sık anlatılır; hoş bir hikâyedir, ama elimizde bunu kanıtlayan bir belge yok.

04Bir köpek, bir yürüyüş, bir cırt

1941’de İsviçreli mühendis George de Mestral köpeğiyle dağ yürüyüşünden döndü ve ikisinin de üstü dulavratotu tohumlarıyla kaplıydı. Çoğumuz söylenerek ayıklarız; o bir tanesini mikroskobun altına koydu. Her dikenin ucunda minik bir kanca vardı ve kancalar kumaşın ilmeklerine takılıyordu. Bitkinin derdi tohumunu geçen hayvanın kürküne yapıştırıp uzağa taşıtmaktı.

Fikri ürüne çevirmek on yıldan fazla sürdü, çünkü pamuk kancalar birkaç kullanımda eziliyordu. Çözüm, o yıllarda yeni yaygınlaşan naylondan geldi: ısıyla biçim verilen naylon kanca biçimini koruyordu. Patent 1955’te alındı. Naylonun kendisi de bir taklit hikâyesidir; 1930’larda ipeğin yerini tutacak bir lif arayan kimyagerlerin işidir. Yani cırt cırt, yapay ipekten yapılmış yapay bir dikendir.

İlk yıllarda moda dünyası onu çirkin buldu. Ürünü kurtaranlar astronotlar, kayakçılar ve ayakkabı bağlayamayan çocuklar oldu. Savaş sonrasının sentetik malzeme bolluğu ve hazır giyim sanayisi olmasaydı, de Mestral’in gözlemi bir defter notu olarak kalırdı. İyi bir fikir, onu üretebilecek sanayiyi bekler; bunu bu yazıda birkaç kez daha göreceğiz.

05Kelime nereden çıktı? Soğuk Savaş’tan çevreciliğe

İşin adı konmadan önce kendisi vardı. Amerikalı Otto Schmitt 1930’larda mürekkep balığının sinirlerinin sinyali nasıl ilettiğini inceliyordu ve bu davranışı taklit eden bir elektronik devre kurdu. O devre bugün hemen her elektronik cihazın içindedir. Schmitt yaptığı işe sonradan “biyomimetik” adını verdi.

1960’ta bir Amerikan hava üssünde Jack Steele “biyonik” kelimesini ortaya attı. Yer tesadüf sayılmaz. Soğuk Savaş yıllarında araştırma parasının büyük bölümü ordudan geliyordu ve ordu yunusların nasıl bu kadar hızlı yüzdüğünü, yarasaların karanlıkta nasıl yön bulduğunu merak ediyordu. Kelimenin kaderini ise bir televizyon dizisi değiştirdi: 1974’te ekrana gelen, vücuduna makine parçaları takılmış bir kahramanın dizisinden sonra “biyonik” denince herkesin aklına yarı insan yarı makine gelmeye başladı.

Üçüncü kelime, yani biyomimikri, 1997’de Janine Benyus’un kitabıyla yayıldı ve bambaşka bir dünyaya sesleniyordu. Arada petrol krizleri, çevre hareketi ve iklim kaygısı vardı. Soru değişmişti. Önceki kuşak “doğadan ne alabiliriz?” diye soruyordu; yeni soru şuydu: “Doğa bunu atık üretmeden, oda sıcaklığında ve suyla nasıl yapıyor?” Aynı işin üç adı, üç ayrı dönemin ruhunu taşır: merak, güç ve vicdan.

06Fizik: yüzeyler, akış ve bir kuş gözlemcisi

Kendi kendini yıkayan yaprak. Nilüfer çamurlu suda yaşar ve yaprağı her zaman temizdir. Alman botanikçi Wilhelm Barthlott 1970’lerde yaprağa elektron mikroskobuyla baktı ve beklenenin tersini gördü: yüzey pürüzsüz sayılmazdı, mikroskobik tümseklerle ve mum kristalleriyle kaplıydı. Su damlası tümseklerin tepesinde, araya sıkışan havanın üstünde durur; yüzeye yayılamaz, bilye gibi yuvarlanır ve yuvarlanırken tozu toplar. Temizlik pürüzden gelir. Bu ilkeyle üretilen dış cephe boyaları, yağmurda kendini yıkayan duvarlar demektir.

Köpek balığının derisi. Köpek balığının derisi düz sayılmaz; akış yönünde uzanan ince oluklarla kaplıdır. Bu oluklar yüzeye yakın küçük girdapları dizginler ve sürtünmeyi azaltır. Havacılık araştırmacıları 1980’lerde aynı olukları plastik filme bastı. Bugün bazı yolcu ve kargo uçaklarının gövdesi bu filmle kaplanıyor; kazanç yüzde bir dolayındadır. Kulağa az gelir, ama bir uçağın ömrü boyunca yaktığı yakıtın yüzde biri tonlarca yakıt eder.

Yalıçapkını ve hızlı tren. Bu yazının en sevdiğim hikâyesi budur. 1990’ların başında Japonya’nın hızlı trenleri tünele girerken önlerindeki havayı sıkıştırıyor, hava tünelin öbür ucundan top atışı gibi bir gürültüyle çıkıyordu. Çevredeki evler şikâyetçiydi. Demiryolu şirketinin mühendisi Eiji Nakatsu aynı zamanda bir kuş gözlemcisiydi ve aklına yalıçapkını geldi: bu kuş havadan suya, yani ince bir ortamdan yoğun bir ortama neredeyse hiç su sıçratmadan dalar. Nakatsu’nun ekibi farklı burun biçimlerini suya düşürerek denedi; en yumuşak gireni yalıçapkınının gagasına benzeyendi. 1997’de hizmete giren tren yaklaşık %10 daha hızlıydı, yaklaşık %15 daha az elektrik harcıyordu ve gürültü sınırının altında kalıyordu. Aynı mühendis, trenin elektrik aldığı kolun gürültüsünü de baykuşun sessiz uçmasını sağlayan tırtıklı tüylerden esinlenerek %30 kadar azalttı.

Geko ve balina. Geko camda baş aşağı yürür ve ayağında yapışkan yoktur. Tabanında milyonlarca kıl vardır; her kılın ucu yüzeye o kadar yaklaşır ki moleküller arasındaki zayıf çekim kuvvetleri toplanıp hayvanı taşır. Kambur balinanın yüzgecinin ön kenarı ise tümseklidir ve bu tümsekler yüzgecin dik açılarda bile tutunmasını sağlar; aynı fikir rüzgâr türbini kanatlarında denendi. İkisi de laboratuvarda çok iyi çalışır, ikisi de dükkân rafına pek çıkamadı. Geko bandı tozlanınca tutmaz. Hayvan ayağını temizler, bant temizleyemez. Doğanın çözümü çoğu zaman bakım yapan bir canlıyla birlikte gelir; biz yalnızca yarısını kopyalarız.

07Kimya: oda sıcaklığında yapılan işler

Kimyada doğa ile aramızdaki fark en utandırıcı olanıdır. Bir baklagilin kökündeki bakteriler havadaki azotu oda sıcaklığında ve normal basınçta gübreye çevirir. Biz aynı işi yüzlerce derece sıcaklıkta ve yüzlerce atmosfer basınçta yapıyoruz; dünyanın enerjisinin kayda değer bir dilimi buna gider. Bir yaprak güneş ışığından yakıt üretir; bunun yapay sürümü hâlâ laboratuvardan çıkamadı. Midye ıslak kayaya su altında yapışır; bizim yapıştırıcılarımızın çoğu yüzeyin kuru olmasını ister.

Bu alanda gerçek başarılar da var. Midyenin yapışma molekülünden ameliyatta kullanılan doku yapıştırıcıları üretildi. Enzimleri laboratuvarda evrim geçirterek geliştirme yöntemi 2018’de Nobel Kimya Ödülü’nü aldı; bugün deterjanların ve ilaçların üretiminde kullanılıyor. Dikkat edin: burada kopyalanan şey bir molekül bile sayılmaz, evrimin kendisi, yani deneme, eleme ve yeniden deneme yöntemidir.

Fiyasko da eksik olmaz. Örümcek ipeği ağırlığına göre çelikten sağlamdır ve örümcek çiftliği kurulamaz, çünkü örümcekler birbirini yer. Kanadalı bir şirket 1990’larda parlak bir fikir buldu: ipek genini keçiye aktarmak ve ipek proteinini sütten toplamak. Örümcek keçiler gerçekten doğdu ve gazetelerin manşetine çıktı. Ama sütteki proteini örümceğin yaptığı gibi ipliğe çevirmek başarılamadı; ticari miktarda ipek hiç üretilmedi. Şirket el değiştirdi, sonra iflas etti; keçilerden ikisi 2009’da bir tarım müzesine satıldı. Örümcek yalnızca proteini üretmez, onu eğirir de. Reçetenin yarısı malzemedir, öbür yarısı işçilik.

Bir başka örnek renkle ilgilidir. Bazı kelebeklerin mavisi boya sayılmaz; kanat pullarındaki mikroskobik katmanlar ışığın yalnızca mavi bölümünü geri yansıtır. Bu yüzden solmaz. Aynı ilkeyle boyasız renkli kumaş ve güneş altında okunabilen bir ekran üretildi. Kumaş küçük bir pazarda kaldı; ekran, sıradan ekranlar hızla ucuzlayıp iyileşirken tutunamadı. Fizik doğruydu, zamanlama yanlıştı.

08Biyoloji: bilgiyi kopyalamak

20. yüzyılın en büyük biyomimikri başarısı bir nesne sayılmaz. 1943’te bir sinirbilimci ile bir mantıkçı, sinir hücresinin basit bir matematik modelini yazdı: girişleri toplayan, eşiği aşınca ateşleyen bir birim. 1958’de bu birimlerden öğrenen ilk makine kuruldu. Fikir onlarca yıl küçümsendi, iki kez gözden düştü ve yeterince hızlı bilgisayar ile yeterince veri gelince geri döndü. Bugün yapay zekâ dediğimiz şeyin temeli budur. Cırt cırtın naylonu beklediği gibi, sinir ağı da işlemciyi bekledi.

Öbür örnekler daha alçakgönüllüdür ama her gün çalışır. Karıncaların iz bırakarak en kısa yolu bulma yöntemi, kargo araçlarının güzergâhını hesaplayan yazılımlara girdi. Japon araştırmacılar bir cıvık mantarın önüne Tokyo çevresindeki şehirlerin yerine yulaf taneleri koydu; mantarın kurduğu ağ, mühendislerin onlarca yılda kurduğu demiryolu ağına şaşırtıcı ölçüde benziyordu. Kemiğin malzemeyi yalnızca gereken yere koyma huyu ise bugün uçak kabinlerindeki parçaları hafifletiyor.

09Yanıldıklarımız: bir fiyasko müzesi

Başarı hikâyeleri konferanslarda anlatılır; asıl öğretici olanlar ötekilerdir.

Balıktan otomobil (2005). Bir Alman otomobil üreticisi, tropik sandık balığını örnek alan bir otomobil tanıttı. Balık köşeli görünmesine karşın suda kolay ilerliyor ve dengeli yüzüyor sanılıyordu. Otomobilin hava direnci katsayısı 0,19 olarak açıklandı; bu çok iyi bir değerdir. On yıl sonra biyologlar balığın kendisini ölçtü: gövdesinin direnci öteki balıklara göre düşük çıkmadı ve kabuğunun üzerindeki akış balığı dengede tutmuyor, tersine dengesini bozuyordu. Balık bu dengesizliği kıvrak dönmek için kullanıyor. Yani otomobil iyiydi, ama balık sayesinde değil; mühendisler rüzgâr tünelinde kendi işlerini iyi yapmıştı. Doğadaki modele ise kimse cetvel tutmamıştı.

Köpek balığı mayosu (2000–2010). 2000 yılında yüzücülere köpek balığı derisinden esinlenen mayolar satıldı ve rekorlar kırıldı. 2012’de bir balık bilimci kumaşı ve gerçek deriyi aynı düzenekte denedi. Sonuç netti: kumaşın yüzeyi köpek balığı derisine hiç benzemiyordu ve sürtünmeyi azaltmıyordu. Mayolar işe yaramıştı, ama büyük olasılıkla gövdeyi sıkıp duruşu düzelttikleri için. Hikâye etiketteydi, etki başka yerdeydi.

Termit binası (1996). Bu, kategoriye sığmayan en güzel örnektir. Zimbabve’nin başkentindeki bir iş merkezi, termit yuvalarının kendini serinlettiği düşüncesiyle tasarlandı: kalın duvarlar gündüz ısıyı emer, gece serin hava bacalardan çekilir. Bina klimasız çalışıyor ve benzer binaların harcadığı enerjinin küçük bir bölümüyle yetiniyor. Büyük başarı. Sorun şu ki sonraki ölçümler termit yuvasının böyle çalışmadığını gösterdi. Yuva sıcaklığı ayarlamıyor; gece ile gündüz arasındaki sıcaklık farkıyla bir akciğer gibi nefes alıp veriyor ve gaz değiştiriyor. Mimar, doğayı yanlış anlayıp doğru bina yaptı. Bundan çıkan ders hoştur: esin kaynağı ile ürün arasındaki bağ, sandığımızdan gevşek olabilir.

10Ne getirdi, ne götürdü?

Getirdikleri. Uçak, çelik çatı, cırt cırt, kendini temizleyen yüzey, daha sessiz tren, hafif uçak parçası, öğrenen makine. Bunların ortak yanı, biçimin değil ilkenin alınmış olmasıdır. Bir kazanç da bakışla ilgilidir: “doğaya rağmen” tasarlamaktan “doğaya bakarak” tasarlamaya geçiş, atık ve enerji sorularını masanın ortasına koydu.

Götürdükleri. İlk kayıp dürüstlükle ilgilidir. “Doğadan esinlendi” cümlesi iyi satar ve çoğu zaman kimse ölçmez; mayo ile otomobil bunun örneğidir. İkinci kayıp bir yanılgıdır: doğanın her zaman en iyi çözümü bulduğu inancı. Evrim en iyiyi aramaz, yeterince iyiyi bulur ve eldeki malzemeyle yetinir. Gözümüzde kör nokta, belimizde iki ayak üstünde yürümenin bedeli vardır. Doğayı kusursuz bir tasarımcı sanmak, onu hiç incelememek kadar yanıltıcıdır. Üçüncüsü köken meselesidir: bu alanın parasının büyük bölümü uzun yıllar boyunca ordulardan geldi; yunus araştırması torpidoya, böcek araştırması insansız hava aracına gitti.

Tasarımcının cebine sığan beş kural.

• Biçimi sorma, işi sor. “Neye benziyor?” yerine “neyi, nasıl başarıyor?” diye sorun.
• Ölçeğe bakın. Böcek boyunda işleyen, insan boyunda işlemeyebilir. Kare-küp yasası pazarlık yapmaz.
• Modeli ölçün. Bir canlının bir işi iyi yaptığı söyleniyorsa, önce bunun ölçülüp ölçülmediğine bakın.
• Bütün reçeteyi alın. Doğada malzeme, işlem ve bakım birlikte gelir. Yalnızca malzemeyi alan, örümcek keçiyle baş başa kalır.
• Sanayiyi bekleyin ya da kurun. Cırt cırt naylonu, sinir ağı işlemciyi, bir masa lambası düşük ısılı ışık kaynağını bekledi.

Bu kuralların içmimarlıkta da karşılığı vardır. Bir mekânı serin tutmanın yolu çoğu zaman bir makine eklemek değil, kütleyi, gölgeyi ve hava yolunu doğru kurmaktır; termit binası bunu kanıtladı. Bir lambanın gölgeliğine deniz kabuğundaki sarmalı vermek süs gibi görünür, ama o eğri ışığı yüzeye eşit dağıttığı için oradadır; bu, tasarım lambaları üzerine yazımızın konusu. Doğaya benzemek kolaydır. Zor olan, doğanın çözdüğü soruyu doğru okumaktır.