Piele de rechin și fulgi de anghilă: hainele viitorului

Am scăpat unul dintre cele mai bune materiale de izolare termică de la oi, velcro de la plante de ciulin, autocurățare, haine hidrofuge de la lotus, cele mai eficiente costume de baie de la rechini și cele mai noi armuri de la melci, pești și păianjeni. Au existat multe soluții în lumea vie de-a lungul milioanelor de ani de evoluție pe care omul le-a privit cu invidie de mult timp. Ingineria a ajuns acum la un nivel în care a devenit capabilă să copieze și să utilizeze invențiile naturii.

Biomimicry sau biomimetics (din cuvântul grecesc bios = viață și mimesis = imitație) este o disciplină concepută pentru a combina biologia și ingineria. Scopul său principal este de a implementa structura și mecanismele viețuitoarelor la nivel practic în materiale și mașini artificiale, copiind oarecum organismele naturale perfecționate de evoluție de-a lungul a milioane de ani. Domeniul științei era bionică, dar mai recent acest termen a devenit din ce în ce mai adecvat de către medicină, unde este folosit pentru a înlocui organele sau părțile corpului cu o versiune mecanică.

Biomateriale

O mare parte din biomimetică este dezvoltarea și producerea de biomateriale care pot fi utilizate în diverse scopuri. Biomaterialele pot fi utilizate în mai multe scopuri. În articolul nostru, ne ocupăm de biomateriale utilizate pentru protecția corpului, adică pentru îmbrăcăminte și pentru a proteja suprafața corpului de deteriorări.

Prezentare de Janine Benyus, expert american de renume mondial în biomimicrie (cu subtitrări în limba maghiară)

Izolație termică

Unul dintre cele mai mari materiale de izolare termică a fost preluat din natură, practic fără nicio modificare. Acest material ne este dat de oaia merino. Lana Merino este utilizată în aproape toate domeniile vieții, de la sport la aerospațial. Caracteristica specială a lânii merino este că este formată din fibre mult mai subțiri decât lâna obișnuită. Fibrele mai fine pot reține mai mult aer între ele, făcându-le mai izolante decât materialele mai dense. (Acesta este și motivul pentru care experții recomandă pansamente stratificate la rece, deoarece se formează straturi mai subțiri de aer între mai multe articole de îmbrăcăminte subțiri, ceea ce, de obicei, vă menține mai cald decât un pulover gros.) sporturi (ciclism, drumeții, alpinism etc.) unde cerința de bază este prevenirea răcirii corpului. Astfel de materiale sunt folosite și în ținuta de bază a oamenilor de știință și a astronauților polari.

Cea mai cunoscută invenție biomimetică din lume

Haine auto-curățate, hidrofuge

Chiar dacă planta de lotus crește în râuri și lacuri tulburi, frunzele sale sunt întotdeauna curate. Această capacitate de auto-curățare a scrisorii a atras și atenția cercetătorilor. La prima vedere, s-ar putea crede că suprafața frunzei este atât de netedă încât nu aderă murdărie la ea. În mod ciudat, exact opusul este adevărat. Doi cercetători germani, Wilhelm Barthlott și Cristoph Neinhuis, au descris un fenomen pe care l-au numit efect de lotus în anii '90.

Frunza de lotus este departe de a fi netedă. Câțiva micrometri (o milionime de metru) sunt plini de umflături înalte acoperite de 1 nanometru (o miliardime de metru) de cristale de ceară. Cristalele de ceară sunt hidrofuge, astfel încât picăturile de apă picură de pe suprafața frunzei. Combinația specială de structuri de dimensiuni micrometrice și nanometrice reduce dramatic zona de contact dintre suprafață și moleculele de apă, care este cheia procesului de curățare. Acest lucru explică de ce chiar și un duș ușor spală frunzele curate.

Suprafața frunzei de lotus (micrografie electronică redată). Sferele sunt picături de apă care picură de pe murdărie

Desigur, nici această capacitate de auto-curățare a lotului nu a scăpat atenției cercetătorilor biomimetici. Astăzi, efectul de lotus este utilizat în mai multe moduri. BASF a dezvoltat un spray hidrofug folosind nanoparticule. Polimerii impermeabili și ceara din acesta pot imita efectul de lotus. Companiile de echipamente sportive, la rândul lor, produc patine cu o structură de suprafață similară cu cea a unei frunze de lotus, eliberând astfel îmbrăcămintea de topirea gheții și a murdăriei.

Costume de baie din piele de rechin

Pielea omului este o substanță uimitoare. Impermeabil, respirabil, auto-vindecător, dar mai puțin potrivit pentru un singur lucru: înot. Apa nu curge lin lângă suprafața pielii, în mare parte deoarece pielea (datorită absorbției apei) începe să se încrețească după ceva timp în apă. Părul care crește din piele degradează și mai mult performanța de înot.

Costum de baie Speedo Fastskin (imaginea din stânga jos a rochiei, imaginea din dreapta a pielii de rechin)

Pielea rechinilor adaptată la înot este destul de diferită. Suprafața corpului este acoperită cu așa-numitele solzi placoidali care permit un flux perfect de apă. Profitând de această caracteristică, inginerii de articole sportive Speedo au început să proiecteze costume de baie cu corp complet, potrivite pentru corp, acoperite cu canale minuscule în formă de V, astfel încât suprafața costumului este foarte similară cu pielea solzoasă a rechinilor. Speedo a măsurat aceste costume, numite Fastskin, pentru a accelera înotătorii cu până la 3%. Desigur, și alte companii de echipamente sportive au intrat în lupta pentru favorurile înotătorilor. Cu toate acestea, se pare că costumele de rechin vor fi sacrificate în curând, deoarece Federația Internațională de Înot FINA restricționează purtarea super-îmbrăcămintei în competiții conform unor standarde stricte.

Armură

Oamenii au fost în război unul cu celălalt din cele mai vechi timpuri, așa că au încercat de îndepărtat mijloace eficiente de protecție din lumea vie de foarte mult timp. Un mod rudimentar de a face acest lucru a fost, de exemplu, utilizarea armurilor din piele și a scuturilor din piele. Biomimetica de astăzi caută să ia soluții mult mai eficiente din natură.

Armură din cohlee

Melcii urechii creează o structură de mozaic foarte ordonată, asemănătoare cărămizii pentru cochilia lor, care este teoretic cel mai puternic aranjament de mozaic din lume. Potrivit lui Marc A. Meyers, cercetător la Universitatea din California, aceste „dale” sunt fabricate din carbonat de calciu, sau calcar, care este acoperit cu un strat subțire de proteine în partea de jos și de sus.

Structura stratificată a învelișului de cohlee a determinat echipa de cercetare să dezvolte un material sintetic complet nou, folosind moluștele ca ghid. În timp ce sângele produs în acest mod nu oprește proiectila AK47 a puștii de asalt, observarea construcției moluștelor ajută echipa lui Meyers și alți cercetători să dezvolte o armură corporală eficientă pentru soldați, polițiști și oameni care lucrează în domenii similare.

Armură cu trei straturi

Cercetătorii americani au raportat săptămâna aceasta o coajă de melc foarte specială în Jurnalul Academiei Americane de Științe (PNAS). Christine Ortiz și colegii săi au studiat învelișul bogat în fier al Crysomallon squamiferum găsit lângă unul dintre fumătorii de adâncime din Oceanul Indian. Cercetătorii au creat un model computerizat al carcasei cu trei straturi.

Melcul Crysomallon squamiferum

Simulând sistemul natural de apărare al animalului, au descoperit modul în care melcul se protejează de prădători, păstrându-și în același timp mobilitatea și controlul asupra proceselor corpului său. Analiza a arătat că aranjamentul stratificat combinat cu structura unică a fiecărui strat protejează împotriva pătrunderii, îmbunătățește distribuția energiei și rezistă la îndoire. Cercetătorii spun că armura naturală ar putea fi un bun punct de plecare pentru ca inginerii să dezvolte noi materiale pentru a proteja oamenii.

Armură flexibilă

Inginerii de la Universitatea de Tehnologie din Massachusetts (MIT) lucrează la utilizarea umană a armurii solzoase a unui pește numit „fosil viu”, un pește numit „hamsie dinozaur” (Polypterus senegalus). Solzile suprapuse și blindate ale anghilei disipează mai întâi energia atacului, apoi protejează țesuturile moi de sub ele de la intruziune și, în cele din urmă, concentrează orice daune pe plăci în imediata apropiere a atacului.

Anghila este acoperită cu patru straturi de solzi blindați, fiecare cu grosimea de aproximativ 500 micrometri. Cercetătorii de la MIT consideră că diversele materiale constitutive, geometrii și diferite grosimi ale plăcilor de piele contribuie împreună la eficiența armurii. Potrivit cercetătorilor MIT, această structură ar fi excelentă pentru dezvoltarea unei armuri corporale eficiente, dar flexibile. O armură similară (numită Piele de Dragon sau Piele de Dragon) există deja în realitate. Solzii de pește sunt înlocuiți aici cu plăci ceramice, dar merită, de asemenea, să experimentați cu materiale naturale.

Pânza de păianjen, materialul viitorului

Pânza de păianjen este cel mai puternic material natural din lume. Poate ține de cinci ori greutatea unei fibre de oțel cu grosime similară, de trei ori mai întinsă (adică mai dură) decât cel mai puternic fir din lume produs în prezent, Kevlar, din care sunt fabricate, printre altele, veste antiglonț. Prin urmare, cercetătorii fac tot posibilul să-și descifreze structura chimică și fizică și să realizeze producția sa la scară industrială. Succesul parțial a fost deja obținut, dar producția de fire de păianjen „la scară largă” - care ar putea revoluționa multe industrii - este încă să vină.