Indrek Must
Enamasti seostatakse hoones leiduvaid ämblikuvõrke vajadusega võtta ette koristus, kuid samas peidavad need endas keeruliste ülesannete lahendusi. Ämblikule ei ole siidvõrk pelgalt püügivahend, vaid ka strateegia ja lausa mõtteviis kohanemaks muutlike oludega. Täpselt see, mida ka inimesed üha enam ihalevad. Ämblikel on kohanemistehnoloogia – võrgutarkus! Uudne ja inspireeriv on käsitada nende siidikasutust tehnoloogiana, see aitab näidata inimeste senise tehnoloogilise mõttelaadi ühekülgsust. Milliseid saladusi kätkeb ämblike siiditarvitus?
Põranda võib katta lahti rullitud vaibaga, ent kui lasta ühel katkematul niidil järjest põrandale langeda, saame samuti vaipkatte. Sellist vaipa nimetatakse lausriideks (ingl non-woven), mille ehk tuntuim tehnoloogiline näide on koroonaajast tuttav näomaskide filtermaterjal. Näomaskide tootmine illustreerib lausmaterjalide nüüdiskasutust: esmalt kedratakse tasapinnalisele alusele polüpropüleenist lausriie ning seejärel lõigatakse, volditakse ja keevitatakse pinnalt kooritud lausriidematist kokku toode.
Meie uurimisrühm muutis vaatenurka ning suunas katkematu kiu sileda aluspinna asemel otse keerulisse keskkonda, jättes matistaadiumi vahele. Kaootilise sasipuntra asemel moodustus ootamatult korrapärane pind, aga korrapära on inimtehnoloogia alus.
Ämblikud koovad võrgu otse keerulisse keskkonda, kedrates võrgunäärmetes oleva vedeliku võrguks ilma vahetoodeteta (ehk lausriide analoogita). Säärane vahetu protsess võimaldabki moodustada võrke, mida oleme harjunud nägema. Ämblik ei saa valmiskootud võrku kinnitada nagu kardinat akna ette. Seetõttu on kardinad ämblikuvõrgu vastandid: kui ämblik paigutab püünisvõrgu iga sõlme oma jalgadel olevate küünistega otse keskkonda, siis kardinad enne toodetakse ja seejärel paigaldatakse. Ka praegu kunstitarvikuna levinud 3D-pliiats võimaldab kuumast ja vedelast termoplastist otse keskkonda võrgulaadseid struktuure moodustada, seega on inimestel juba nüüd võimalus ämbliku võrgutehnoloogiat ise järele proovida.
Kui suunata polümeerilahusest pidevalt kedratav „lõpmatu“ kiud pilliroovartele, moodustuvad ühtlase struktuuriga tehisämblikuvõrgud, mis võimaldavad isegi rattal üle veereda. Fotod: MAIRE VIHMAR, INDREK MUST
Ämblike jäätmed on inspiratsiooniallikas robootikale
Paradoksaalsel kombel avastasime loodusvaatluste käigus, et osa ämblikuvõrke kujuneb ilma ämbliku osaluseta. Mõnda liiki ämblikud reisivad lennuniitide abil: uue elupaiga otsingul ketravad nad pika peene siidikiu, mis püüab tuult. Seejärel jääb ämblikul üksnes üle hoida tuult püüdnud siidniidist kinni, kuni ta on koos sellega kandunud piisavalt kaugele.
Seega on ämblikud osavad lendajad: ehkki neil ei ole tiibu, ehitavad nad endale iga lennu tarbeks uue lennumasina. Aga meid huvitab kõige enam see, mis saab lennumasinatest pärast lendu.
Ämblike leviku tipphooajal leidub õhus rohkelt nii reisivaid ämblikke kui ka nende lennuniite. Kuigi ämblikud võivad siidniiti taaskasutada, ei tee nad seda iga lennuniidiga. Paljud hüljatud lennuniidid jäävad niisama loodusesse vedelema ja võivad näiteks põõsaste vahel liikujatele tülikalt näkku takerduda. Kevadel võib kohtades, kus varem pole liikunud inimesi ega suuri loomi, kindlasti sattuda ämbliku lennuniitidesse. Eriti huvitavaks muutub olukord siis, kui äravisatud lennuniite koguneb suurel hulgal.
Ämblike ükshaaval vabastatud lennuniidid ei moodusta juhuslikke kägaraid, vaid kogunevad puuokstele ja moodustavad võrke. Kuigi sel moel kujunenud võrkudel puudub püüdevõrgule iseloomulik kesksümmeetria, on nad ootamatult korrapärased.
Niisugustel võrkudel ei ole enam mingit looduslikku ülesannet, sest ämblikud on võrgu ehitusmaterjali ära visanud juba enne võrgu teket. Neid võrke polegi keegi pununud – nad on isetekkelised! Just selliste ämblikuvõrkude märkamine andiski meile määrava vihje, et võrke saab punuda ka nii, et ei peagi siidniidi iga sõlme eraldi ja kontrollitult paigaldama.
Tehisämblikuvõrk
Me oleme teinud kindlaks, et ämblikuvõrguga nii välimuselt kui ka mõnelt omaduselt sarnaneva struktuuri võib luua ka ilma ämblikuta. Teisisõnu: niidi asukoht ei pea olema täpselt kontrollitud ega isegi teada, vaid võrk moodustub niiti järjest vabastades ja keskkonna poole suunates.
<!–zlick-paywall–>
Kasuliku võrgu loomiseks ei ole vaja niiti tingimata näiteks põimida kangastelgedel või kududa, vaid niidil võib lasta vabalt langeda – üks niit korraga. Aerodünaamiline vastasmõju lendava niidi ja keskkonnas olevate objektide vahel tekitab lõpliku struktuuri. See on samal ajal juhuslik, sest iga niidi konkreetne asukoht on tõenäosuslik, ent ka seotud keskkonna objektidega.
Vabalt langenud struktuurist ei saa luua täpselt soovitud mustri ja kujuga võrku – selles mõttes jääb kudumine endiselt parimaks meetodiks. Kui aga tahta kasutada võrku nagu ämblik, liikumaks keerulises keskkonnas, tekib tehnoloogiline paradoks: tundmatusse keskkonda täpselt sobituvat võrku ei saa varem toota, sest keskkonna parameetrid pole teada.
Ent vabalt langev niit lihtsustab keskkonda, kuhu see langeb. Teisisõnu vähendab niidi langemine keskkonna vabadusastmete hulka ning kujuneval siledal ühtlasel pinnal saavad hõlpsasti liikuda ämblikud ja tulevikus ka inimesed ja nende loodud robotid.
Sulgedega ääristatud takistusrajal (vasakul) vajuks robot läbi või kaotaks kiiresti suunataju. Kui kedratud polümeerikiud langeb sulgedele, moodustub järk-järgult ühtlane võrgupind (keskel), mis aitab robotil orienteeruda. Võrk jaotab ka roboti koormuse ja võimaldab tal kiiresti üle võrgu veereda (paremal; roboti asemel veereb üle võrgu üleskeeratav mänguauto)
Kohapeal kedratud võrk on sidunud juhuslikult paiknevad teflonist kuubid üheks tervikuks
Isetekkelised struktuurid on uus tehnoloogiasuund
Kuigi isetekkelised struktuurid on ehitustehnoloogiana harjumatud, avavad need uusi võimalusi arhitektuuris, võimaldades hooneid ja muid rajatisi kohandada täpselt ehituskoha loodusolude järgi. Mitte vastupidi, nagu on seni tavaks olnud. Inimesele saaks selle tehnoloogia abil valmistada anatoomiliselt ideaalselt sobivaid rõivaid ja meditsiinilisi abivahendeid, sest iga inimese kehaehitus on iselaadi, aga masstoodang ei sobi kunagi täiuslikult. Tulemus on rätsepatöö ilma rätsepata.
Neid visioone isetekkelistest struktuuridest ühendab tootmisprotsessi puudumine nüüdistähenduses. Valmistusprotsessi alguses ega kestel ei ole teada, milline peab olema lõpptoote kuju – iga ehitis või rõivaese on ainulaadne ja tekib justkui ise, inimene sekkub võimalikult vähe. Teine ühisjoon seisneb rakenduste ajutisuses. Kui keskkond või rõivaeseme kandja muutub, siis muutub või laguneb ka ühendav ja ümbritsev võrkstruktuur.
Nii inimesed kui ka ämblikud rakendavad tekstiilitehnoloogiaid, sealhulgas koovad siidi. Ent erinevus peitub vahetoodetes. Inimesed kasutavad siidiussi toodetud siidi, et kududa kangas ehk vahetoode, millest valmistatakse rõivaid ja muid lõpptooteid. Seejuures pole ei kudumis- ega õmblustehnoloogia seisukohalt olemuslikku vahet, kas kasutatakse looduslikust siidist või sünteetilisest polümeerist niiti.
Inimeste tehnoloogiad (mitte üksnes tekstiilivaldkonnas) on paljuski piiratud sellega, mida saab tehases toota ja seejärel töökeskkonda transportida. Tehastes saab vahetooteid hõlpsalt ladestada ja täpselt doseerida, kuid keerulistes keskkondades ei ole see praktiline. Just vahetooted takistavadki võimalike rakenduste kasutamist keerulistes keskkondades. Inimtehnoloogias on vahetoodete tarvitus niivõrd iseenesestmõistetav, et võimalus valmistada ämblike kombel algmaterjalist otse lõpptooteid keskkonnas ja vastavalt keskkonnale on seni jäänud peaaegu tähelepanuta.
Mitmekesine looduskeskkond on tänapäeva tehnoloogiale suur katsumus. Keskkonnaga muganeva roboti loomiseks on tõhusam õppida evolutsiooni käigus kujunenud kohanemisviisidest kui kohandada tehastes tõhusaks osutunud lahendusi. Ämbliku lennuniitidest moodustunud võrgud on tähelepanuväärsed, kuna nad pole evolutsiooni käigus kujunenud, vaid tekivad eluprotsessi kõrvalsaadusena.
Kohapeal siidist kedratavate liikumisteede ja isegi roboti kehaosade valmistamise meetod pakub alternatiivi tootmiskesksele tehnoloogiaparadigmale. Kui ulmekirjanduses on ette kujutatud olematuid tehnoloogiaid, siis meie tehisämblikuvõrgu tehnoloogia avab juba rakenduste arenduses ulmelisi võimalusi.
Loe lisaks
Hiljuti Eesti teadusagentuuri toel väljaandes npj Robotics ilmunud artikkel, kus on tutvustatud tehis
ämblikuvõrgu uurimise tulemusi: https://rdcu.be/emZZQ
Indrek Must (1985) on robootikainsener, Tartu ülikooli tehnoloogiainstituudi pehmerobootika kaasprofessor.
Artikkel on ilmunud Horisondi 2025. aasta kolmandas numbris.