Po vodě uměl chodit Ježíš Kristus – a dodnes to předvádějí vodoměrky. Právě proto se jim v anglosaských zemích říká také Jesus bugs, Ježíšovy blechy. Vědci nyní hledají cesty, jak tuto schopnost naučit techniku. Možnosti využití takto pohyblivě nadaných aparatur jsou překvapivě velké: od robotů sledujících kvalitu vody přes účinnější fotovoltaické články a sterilní nástroje až po lodní a vojenskou techniku.
Důvod, proč se vodoměrka nepropadne pod hladinu, je zdánlivě jasný: povrchové napětí vody. Pozornější pozorovatel ale přece jen zapochybuje. Může to stačit? Na vodu sice lze při troše zručnosti položit třeba kovovou jehlu – jenže jde ke dnu při sebemenším otřesu.
Jak to, že tito tvorové mohou na vodě i skákat, lovit nebo pářit se a nepotopí je ani hladina zčeřená větrem?
Běžci po vodě Vědci zjistili, že příčinou je jev zvaný superodpudivost. Navíc existují mikroskopické prostorové struktury, které odpuzování vody ještě posilují. Čínští vědci Lei Ťiang a Süe Feng-kao například zjistili, že konce nohou vodoměrky nesou tisíce chloupků měřících pouhých 50 mikrometrů. Na jejich konci jsou navíc prohlubně s nepatrnými vzduchovými kapsami. Díky tomu hmyz drží nad hladinou síla, která je patnáctkrát větší, než by byl pouhý výtlak jeho těla – a přitom je s vodou ve styku pouze nepatrnou plochou.
Oproti ostatním tvorům plovoucím na hladině to vodoměrkám přináší obrovskou konkurenční výhodu: za vteřinu dokážou urazit několik set délek svého těla. Je to stejné, jako kdyby se člověk řítil bazénem rychlostí přes 600 kilometrů za hodinu.
Superodpudivost v mnoha podobách využívají i další organismy. Má například nezanedbatelný podíl na plovací schopnosti vodních ptáků. Povrchovou vrstvou s těmito vlastnostmi jsou vybaveny také plovoucí listy lotosu a dalších vodních rostlin. Nejen že se díky tomu drží na hladině, ale nepotopí je ani déšť nebo vlnky. Voda z nich sklouzne k okraji a ještě s sebou vezme částečky prachu a dalších nečistot.
Plaz bazilišek (Basiliscus basiliscus) dokonce s pomocí superodpudivosti umí velkou rychlostí utíkat po hladině jen na zadních nohách, zatímco hlavu, přední část trupu a přední končetiny má vysoko zdvižené. Díky velké rychlosti pohybu zatlačují jeho zadní končetiny pod vodu i vzduchové bublinky vytvářející vrstvičku odpuzující vodu. Než stačí od jedné nohy odpadnout, druhá pohyb zopakuje. Díky tomu se tvor řítí po hladině rychlostí půldruhého metru za vteřinu.
I baziliškovi se proto říká Jesus lizard, Ježíšova ještěrka. Kdyby něco takového dokázal člověk se svýma nohama, dosáhl by téměř stokilometrové rychlosti v hodině.
Superodpudivost má také svůj opak: superpřilnavost. Gekoni umí šplhat hlavou dolů třeba i po skle, protože mezi obrovským množstvím mikroskopických chloupků na jejich chodidle a nepatrnými nerovnostmi podkladu se uplatňují přitažlivé síly mezi atomy.
Vesta, která unese koně Čínští výzkumníci Čchin Min-pchan a Min Wang se rozhodli, že systém „vynalezený“ vodoměrkou uplatní i na konstrukci lodí, vodních robotů a vznášedel, které by se při nízké spotřebě mohly pohybovat nad hladinou velkou rychlostí. Sestrojili měděnou síť potaženou dusičnanem stříbrným a dalšími látkami, které jejímu povrchu dodaly superodpudivé vlastnosti. Malé lodičky velikosti poštovní známky vytvořené z tohoto materiálu pak unesly několikanásobně větší náklad, než kdyby byly z obyčejné mědi.
„Plavou i tehdy, když už jsou jejich okraje pod úrovní hladiny,“ říká jeden z vynálezců. „Kdyby byly velké jako běžná záchranná vesta na lodi, unesly by koně. Aplikovat je na plavidla běžné velikosti sice ještě bude znamenat mnoho obtíží, ale věříme, že to půjde.“
Jinou cestou šli na vytváření superodpudivých povrchů v Georgia Institute of Technology. Za podpory národního vědeckého fondu (NSF) vyvinuli postup, který pomocí leptání dodá běžnému křemíku nové vlastnosti. Na povrchu se totiž vytvoří pyramidovitá mikrostruktura odpuzující vodu – podobně, jako je tomu u lotosových listů.
Autoři chtějí postup uplatnit především u fotovoltaických článků vyrábějících elektrickou energii ze slunečního záření. Mělo by to hned dvojí přínos: na povrchu článků se nebudou usazovat nečistoty a jejich účinnost stoupne, protože lépe absorbují světlo.
„Povrch běžných křemíkových panelů odráží velkou část světla bez užitku. Zlepšení povrchové struktury sníží odraz asi o dvě procenta,“ vysvětluje Dennis Hess z Georgia Tech School. „O dalších deset procent se zlepší účinnost díky samovolnému odstraňování nečistot. Při velkoplošném využití článků to v konečném součtu znamená velký přínos.“
Autoři věří, že jejich metoda se uplatní i při výrobě stavebních povrchů, oken, chirurgických nástrojů a potravinářských zařízení.
Podle vzoru Ježíšovy ještěrky Inženýr Metin Sitti z Carnegie Mellon University šel v napodobování vodoměrky do důsledků. Z lehkého uhlíkového kompozitu postavil miniaturního robota, kterého opatřil šesti páry tenkých kovových nohou. Protože jsou jejich konce potažené nesmáčivým teflonem, dokáže strojek rejdit po hladině rychlostí asi pěti centimetrů za vteřinu.
„Skutečná vodoměrka udělá až metr za vteřinu, takže jsme zatím dvacetkrát pomalejší,“ přiznává Sitti. Věří ale, že princip má budoucnost: „Miniroboti pobíhající po hladině mohou například nést chemické senzory hlídající kvalitu vody.“
Inženýr Sitti si vzal příklad také z baziliška. Na základě matematického modelu vztahů mezi nohou Ježíšovy ještěrky a vodou postavil malého robota, jehož nohy měly na koncích disky opatřené jemnou síťovinou. Na rozdíl od baziliška měl nohy čtyři, protože vyvážení dvounohého stroje by představovalo další problém – a cílem demonstrátora bylo testovat různá uspořádání a režimy pohybu. I tak se dokázal robotický bazilišek pohybovat po hladině velkou rychlostí.
„Kráčející roboti dokážou dobře překonávat terén na souši, ve vodě ale mají problém,“ uvádí Sitti. „Stroj sestrojený podle Ježíšovy ještěrky by se ale mohl rychle pohybovat po jakémkoliv povrchu.“
Pohon okopírovaný od baziliška ale má i jiné přednosti. Nemusí překonávat odpor vody jako běžné lodě a nevadí mu ani neklidná hladina jako vznášedlům nebo okřídleným člunům. Bylo by proto možné sestrojit rychlé a efektivní prostředky dopravy po hladině, zejména pro vojenské účely.
