Od rzepów po pociski, natura zainspirowała niektóre z najbardziej imponujących osiągnięć ludzkiej innowacji. Tego lata podwodny robot podobny do kraba, opracowany przez koreańskich naukowców, będzie poszukiwał starożytnych artefaktów na Morzu Żółtym. Drony naśladują ruchy ptaków i pszczół. Nasza przyszłość biomimetyczna wygląda jasno.
Garstka naukowców jest teraz na topie nowego stworzenia: skóry syntetycznej.
Zwierzęta morskie używają skóry, aby nawigować i przetrwać w swoim środowisku. Delfiny żyjące w zimnych wodach mają grubą skórę, która izoluje ich ciała i pozostaje ciepła. Wyłożona przyssawkami skóra ośmiornic nie tylko zawiera miliony nerwów, które pomagają im wyczuwać i chwytać zdobycz, ale jest również osadzona w unikalnych komórkach zmieniających kolory, które mogą uczynić je niewidocznymi dla drapieżników. Zgrubienia na skórze wyściełające płetwy piersiowe wielorybów garbowatych zwiększają pływalność zwierzęcia. Naukowcy widzą potencjał.
Korzystając z technologii drukowania 3D i modelowania komputerowego, badacze opracowują sztuczną, ale realistyczną skórę zwierząt morskich do stosowania we wszystkim, od przeciwdrobnoustrojowych klamek do drzwi do robotów podwodnych. George Lauder, ichtiolog z Harvard University w Bostonie, wraz ze swoim zespołem opracował pierwszą sztuczną skórę rekina przy pomocy najwyższej klasy drukarki 3D.
Poprzednie próby obejmowały formy gumowe i tkaniny, a badacze walczyli o produkcję materiału z miękkimi i twardymi komponentami. Stroje kąpielowe inspirowane skórą rekina zrobiły plusk podczas Igrzysk Olimpijskich w 2008 roku, ale zespół badawczy Laudera odkrył, że materiał w garniturach takich jak Speedskin Fastskin II tak naprawdę nie naśladuje skóry rekina ani nie zmniejsza oporu, ponieważ nie ma ząbków.
Rekiny mogą pływać z dużą prędkością przez wody oceaniczne dzięki drobnym zębom, które pokrywają ich jedwabistą skórę. „Okazuje się, że jest to bardzo ważna cecha wydajności skóry rekina podczas pływania”, mówi Lauder. Można by pomyśleć, że gładsza skóra jest lepsza dla prędkości. Ale dodaje: „Właściwie dobrze jest być szorstkim, mieć pewną szorstką powierzchnię, gdy chcesz poruszać się w płynnym środowisku, wodzie lub powietrzu, tak skutecznie, jak to możliwe”.
Za pomocą skanera mikro-CT zespół Laudera zeskanował rzeczywistą skórę rekina mako. Na podstawie skanu stworzyli model 3D i wysłali model do drukarki 3D, która wykonała plastikowy materiał polimerowy z miękką podstawą pokrytą twardymi strukturami przypominającymi ząb. Produkt końcowy przypomina piaskowatą skórę rekina. W zbiorniku w swoim laboratorium naukowcy przetestowali sztuczną skórę i stwierdzili, że zwiększyła ona prędkość o 6, 6 procent i zmniejszyła wydatek energetyczny o 5, 9 procent w porównaniu z gładką plastikową płetwą bez ząbków.
Powiększone zdjęcie wzorów zębów na głowie rekina mako. (Zdjęcie: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver i George Lauder) 
Ząbki na głowie rekina. (Zdjęcie: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver i George Lauder) Zęby płetwy rekina (Zdjęcie: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver i George Lauder) 
Wzory zębów na pniu rekina mako (Zdjęcie: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver i George Lauder) „Gdybyś mógł stworzyć strój kąpielowy, który miałby strukturę ząbków skóry rekina lub łusek na elastycznej powierzchni, którą można nosić i byłby względnie podobny do pianki na całe ciało, naprawdę poprawiłoby to twoje możliwości pływania”, mówi Lauder. Ale ten nowy materiał nie jest jeszcze gotowy na najwyższy czas. „W tej chwili włączenie tego rodzaju struktury do każdego rodzaju tkaniny byłoby bardzo trudne” - dodaje. To wyczyn na następną dekadę.
Materiał podobny do skóry rekina może również służyć jako linia obrony przed biofoulingiem lub gromadzeniem się glonów i pąkli na dnie statków. Większość farb przeciwporostowych jest toksyczna, więc sztuczna skóra rekina może stanowić przyjazną dla środowiska alternatywę. W 2005 r. Naukowcy z Niemiec opracowali materiał silikonowy, zainspirowany skórą rekina, który zmniejszył osiadanie pąkli o 67 procent. Następnie w 2008 roku inżynier Anthony Brennan zastosował podobne podejście, tworząc materiał o nazwie Sharklet, który ma teksturę przypominającą ząb i zapobiega 85 procentom normalnej przyczepności glonów na gładkich powierzchniach. Sharklet został również zastosowany do urządzeń medycznych i powierzchni szpitalnych. W szpitalach, a nawet w publicznych łazienkach bakterie mogą łatwo przenosić się między ludźmi, dlatego powlekanie klamek drzwi i sprzętu materiałem odpornym na bakterie może ograniczyć infekcje.
Naukowcy z Duke University w Karolinie Północnej opracowali również materiał przeciwporostowy, który drga lub marszczy się jak skóra zwierząt (w tym przypadku drganie konia za dotknięciem muchy może być najlepszą analogią) po stymulacji. Inna grupa w Imperial College London próbuje stworzyć materiał rur wyłożony mikroskopijnymi wypukłościami i chemikaliami odpychającymi wodę - inspirowanymi skórą delfinów.
Z perspektywy projektowej skórkę rekina można również wykorzystać do zwiększenia efektywności energetycznej skrzydeł samolotu - zastosowanie, które według Laudera okaże się przydatne w przyszłości. Dodanie struktur przypominających ząb do płaszczyzn może zmniejszyć opór. Wzdłuż podobnych linii płetwy piersiowe wieloryba już zainspirowały konstrukcje skrzydeł helikoptera.
Być może najbardziej ekscytujące zastosowanie tych materiałów leży jednak w rozwijającej się dziedzinie podwodnych robotów inspirowanych biologią. „Będziemy mieć nowe rodzaje podwodnych robotów, które mają elastyczne ciała zginające, które poruszają się jak ryba”, mówi Lauder. Pracuje kilka zasilanych bateryjnie robotów rybnych i logicznie, dodanie im sztucznej skóry rekina może zwiększyć prędkość i wydajność energetyczną. Lauder i jego zespół współpracują z badaczami z Uniwersytetu Drexel w Filadelfii nad robotem rybnym. Od tego czasu rozszerzyli badania nad mechaniką skóry, aby przyjrzeć się również różnym gatunkom ryb i zobaczyć, jak różne kształty i wzory w skali wpływają na pływanie.
Dzięki drukowi 3D naukowcy będą mogli dowiedzieć się jeszcze więcej o tym, w jaki sposób ząbek lub wzory na rybach wpływają na siły pływania. „Możesz zmienić odstępy [zębów]; możesz zrobić je dwa razy bardziej rozstawione. Możesz je rozłożyć, nakładać, nie nakładać się i wprowadzać wiele zmian, aby zacząć rozśmieszać kluczowe cechy skóry rekina ”- mówi Lauder. Te eksperymenty pomogą naukowcom udoskonalić sztuczne skórki.
„Obecnie jest to szybko rozwijająca się dziedzina”, mówi George Jeronimidis, inżynier z University of Reading w Wielkiej Brytanii „Właśnie zaczynamy rozumieć, jak zintegrowana i funkcjonalna jest skóra morskich stworzeń”.
Laboratorium Jeronimidisa opracowało sztuczną skórę ośmiornicy. Skóra ośmiornicy ma swój własny zestaw złożoności: jest miękka, elastyczna i wypełniona milionami neuronów czuciowych, które pomagają organizmowi poruszać się po środowisku. Wersja syntetyczna inżyniera składa się z włókien nylonowych zatopionych w gumie silikonowej, które utrzymują elastyczność skóry, ale są odporne na rozdarcie. Ma nawet frajerów, choć są one pasywne - prawdziwa ośmiornica może manipulować każdym frajerem indywidualnie.
Podczas gdy jest jeszcze wiele do zrobienia, w przyszłości podwodne roboty mogą być wyposażone w prędkość rekina lub inteligencję sensoryczną ośmiornicy. A dzięki zaawansowanej sztucznej skórze mogliby zapuszczać się tam, gdzie ludzie nie mogą - od nawigowania po mętnych wodach wycieków ropy naftowej po poszukiwanie wraków samolotów, a może nawet odkrywanie najgłębszych głębin oceanu.
