सुजाता बाबर

निसर्ग कधीही अनावश्यक पदार्थ वापरत नाही. जिथे जितकी गरज आहे तितकाच पदार्थ वापरून तो जास्तीत जास्त मजबुती निर्माण करतो. हेच खरे कार्यक्षमतेचे तत्त्व आहे. आपण अनेकदा मजबुती म्हणजे अधिक जाडी, अधिक वजन किंवा अधिक साहित्य असे समजतो, पण निसर्ग दाखवून देतो की खरी मजबुती योग्य रचनेत असते. आज पृथ्वीवरील संसाधने मर्यादित होत आहेत. निसर्गातील हाडे, कवचे आणि जाळी ही केवळ जैविक उदाहरणे राहत नाहीत; ती शाश्वत अभियांत्रिकीची पाठ्यपुस्तके बनतात.

एखादा पूल बांधताना अभियंता सर्वप्रथम कोणत्या गोष्टीचा विचार करतो? उत्तर एकच! भार कुठे पडणार आणि तो सुरक्षितपणे कसा पेलायचा! इमारतीचा पाया, खांब, कमानी, लोखंडी सांगाडा किंवा काँक्रीटची जाळी यांची रचना करताना प्रत्येक ठिकाणी बलाचे वितरण कसे होईल याचे अचूक गणित मांडले जाते. पण हा विचार प्रथम मानवाने केला का? अजिबात नाही. निसर्गाने ही अभियांत्रिकी कला कोट्यवधी वर्षांपूर्वीच आत्मसात केली आहे. आपल्या शरीरातील हाडे, समुद्रातील शंख-शिंपल्यांची कवचे, कोळ्याचे जाळे, झाडांच्या फांद्या आणि मधमाशांचे पोळे यांसारख्या असंख्य रचनांमध्ये बलाचे वितरण इतक्या अचूकपणे केलेले आहे की आजचे अभियंतेही त्यांचा अभ्यास करून नवीन तंत्रज्ञान विकसित करत आहेत. निसर्गातील प्रत्येक मजबूत रचनेमागे केवळ पदार्थ नसतो; तर त्या पदार्थाचे गणित असते.

आपण हाडांकडे पाहतो तेव्हा ती केवळ शरीराला आधार देणारी कठीण रचना वाटते. वास्तविक पाहता, हाड ही एक जिवंत उती आहे जी सतत बदलत असते आणि स्वत:ची पुनर्निर्मिती करत असते. त्याच्या आतल्या भागात असंख्य सूक्ष्म आधारस्तंभ आणि पट्ट्यांचे जाळे असते; या जाळ्याला ‘ट्रॅबेक्युलर रचना’ असे म्हटले जाते. आश्चर्य म्हणजे हे सूक्ष्म आधारस्तंभ सर्व दिशांना सारखे पसरलेले नसतात. ज्या दिशेने शरीरावर जास्त भार पडतो, त्या दिशेने ते अधिक मजबूत आणि दाट असतात. मांडीचे हाड शरीराचे सर्वाधिक वजन पेलते. त्यामुळे त्याच्या आतील जाळीची रचना अशी असते की चालताना, धावताना किंवा उडी मारताना निर्माण होणारे बल अनेक दिशांनी विभागले जाते. त्यामुळे एका ठिकाणी अतिताण निर्माण होत नाही. याच कारणामुळे हाडे वजनाने तुलनेने हलकी असूनही अत्यंत मजबूत असतात. जर ती पूर्णपणे घन असती, तर शरीराचे वजन खूप वाढले असते आणि हालचाल कठीण झाली असती.

याच तत्त्वाचे दुसरे उत्कृष्ट उदाहरण म्हणजे समुद्रातील शंख-शिंपल्यांची कवचे. बाहेरून ती साधी आणि कठीण दिसतात; परंतु सूक्ष्मदर्शकाखाली पाहिल्यास त्यामध्ये असंख्य सूक्ष्म स्तर आणि पट्टे दिसतात. हे स्तर एकमेकांवर विशिष्ट कोनात रचलेले असतात. त्यामुळे एखादा धक्का बसला किंवा दाब पडला, तरी तो एका ठिकाणी केंद्रित न होता संपूर्ण कवचात विखुरला जातो. परिणामी कवच सहज तुटत नाही. वैज्ञानिकांनी या रचनेचा अभ्यास केल्यावर असे आढळून आले की शंखाचे कवच ज्या कॅल्शियम कार्बोनेटपासून बनलेले असते तो पदार्थ प्रयोगशाळेत स्वतंत्रपणे तयार केला तर तो तुलनेने नाजूक असतो. परंतु निसर्गाने त्याच पदार्थाची सूक्ष्म स्तरांमध्ये केलेली मांडणी त्याला अनेक पटींनी अधिक मजबूत बनवते. म्हणजेच मजबुती ही केवळ पदार्थावर अवलंबून नसते; ती त्या पदार्थाच्या रचनेवरही अवलंबून असते.

कोळ्याचे जाळे तर निसर्गातील अभियांत्रिकीचा एक अद्भुत चमत्कार आहे. ते इतके हलके असते की वार्‍यावर सहज डोलते; पण त्याच वेळी आपल्या वजनाच्या कित्येक पटीने जास्त भार पेलू शकते. त्यामागील रहस्य त्याच्या धाग्यांमध्ये जितके आहे, तितकेच त्याच्या भूमितीत आहे. कोळी जाळे विणताना प्रथम काही मुख्य आधारधागे तयार करतो. त्यानंतर त्यांना जोडणारे किरणाकार धागे आणि शेवटी वर्तुळाकार चिकट धागे विणले जातात. एखादा कीटक जाळ्यात अडकला की त्याचा धक्का एका धाग्यावरच राहत नाही. संपूर्ण जाळे तो भार आपापसांत वाटून घेते. त्यामुळे एकाच धाग्यावर अतिताण पडत नाही आणि जाळे लगेच तुटत नाही. अभियंत्यांच्या भाषेत याला लोड डिस्ट्रिब्युशन म्हणजेच बलवाटप म्हणतात. आश्चर्य म्हणजे, जाळ्याचा एखादा भाग तुटला तरी संपूर्ण रचना कोसळत नाही. उरलेले धागे काही काळ भार पेलतात. अभियांत्रिकीमध्ये यालाच ‘रिडंडन्सी’ असे म्हटले जाते. म्हणजेच, एखादा घटक निकामी झाला तरीही संपूर्ण प्रणाली कार्यरत राहण्याची क्षमता. आधुनिक पूल, विमाने आणि अवकाशयानांच्या रचनेत हेच तत्त्व वापरले जाते.

झाडांची रचनाही याच नियमांचे पालन करते. मोठ्या वृक्षाच्या खोडापासून निघणार्‍या फांद्या आणि त्यांच्यापासून फुटणार्‍या छोट्या फांद्या पाहिल्या, तर त्या एका विशिष्ट कोनात विभागलेल्या दिसतात. हा कोन योगायोगाने तयार झालेला नसतो. प्रत्येक फांदीवर पडणारा वार्‍याचा दाब, फळांचे वजन आणि गुरुत्वाकर्षणाचा परिणाम लक्षात घेऊन उत्क्रांतीने ही रचना विकसित केली आहे. त्यामुळे वादळात झाड हलते, वाकते; पण लगेच मोडत नाही. ऊर्जा शोषून घेण्याची आणि ती संपूर्ण रचनेत विभागण्याची ही क्षमता झाडाला दीर्घायुष्य देते. पक्ष्यांच्या सांगाड्यातही असेच गणित दिसते. उडणार्‍या पक्ष्यांची हाडे आतून पूर्ण घन नसतात. त्यांच्यामध्ये हवेने भरलेल्या पोकळ्या आणि त्यांना आधार देणारे सूक्ष्म पट्टे असतात. यामुळे हाडे हलकी राहतात, पण त्यांची मजबुती कमी होत नाही. विमानांच्या पंखांमध्ये आणि आधुनिक हलक्या धातूंच्या संरचनांमध्येही हेच तत्त्व वापरले जाते.

निसर्गातील या गणिती रचनांनी आधुनिक पदार्थविज्ञानालाही नवी दिशा दिली आहे. आज संशोधक बायोमिमिक्री या संकल्पनेच्या आधारे निसर्गातील रचनांचे अनुकरण करून नवीन पदार्थ तयार करत आहेत. उदाहरणार्थ, हाडांच्या आतील जाळ्यासारखी रचना वापरून हलके पण मजबूत कृत्रिम सांधे तयार केले जात आहेत. शंखाच्या कवचापासून प्रेरणा घेऊन धक्कारोधक संरक्षक साहित्य विकसित केले जात आहे. कोळ्याच्या जाळ्यापासून प्रेरित हलके, लवचिक आणि मजबूत तंतू तयार करण्याचे संशोधन सुरू आहे.

निसर्ग कधीही अनावश्यक पदार्थ वापरत नाही. जिथे जितकी गरज आहे तितकाच पदार्थ वापरून तो जास्तीत जास्त मजबुती निर्माण करतो. हेच खरे कार्यक्षमतेचे तत्त्व आहे. आपण अनेकदा मजबुती म्हणजे अधिक जाडी, अधिक वजन किंवा अधिक साहित्य असे समजतो, पण निसर्ग दाखवून देतो की खरी मजबुती योग्य रचनेत असते. आज पृथ्वीवरील संसाधने मर्यादित होत आहेत. निसर्गातील हाडे, कवचे आणि जाळी ही केवळ जैविक उदाहरणे राहत नाहीत; ती शाश्वत अभियांत्रिकीची पाठ्यपुस्तके बनतात. प्रत्येक हाड, प्रत्येक शंख आणि प्रत्येक कोळ्याचे जाळे आपल्याला सांगते की पदार्थाची ताकद त्याच्या प्रमाणात नसते; ती त्याच्या रचनेत दडलेली असते. निसर्गातील गणित कागदावरील समीकरणांमध्ये मर्यादित नसते; ते प्रत्येक सजीवाच्या शरीरात, प्रत्येक जाळ्यात आणि प्रत्येक कवचात जिवंत असते. उत्क्रांतीने कोट्यवधी वर्षांच्या प्रयोगांतून सिद्ध केलेल्या या रचना आजही अभियंते, पदार्थवैज्ञानिक आणि वास्तुविशारद यांच्यासाठी प्रेरणास्थान आहेत.