Εφευρέσεις εμπνευσμένες από τη φύση

Η επιστήμη της βιομιμητικής βρίσκεται τώρα σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης. Βιοϊατρική είναι η αναζήτηση και ο δανεισμός διαφόρων ιδεών από τη φύση και η χρήση τους για την επίλυση των προβλημάτων που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα. Η πρωτοτυπία, η ασυνήθιστη, η άψογη ακρίβεια και η οικονομία των πόρων, στα οποία η φύση λύνει τα προβλήματά της, απλά δεν μπορεί παρά να ευχαριστήσει και να προκαλέσει την επιθυμία να αντιγράψουμε αυτές τις εκπληκτικές διαδικασίες, ουσίες και δομές σε κάποιο βαθμό. Ο όρος βιομιμητική επινοήθηκε το 1958 από τον Αμερικανό επιστήμονα Jack E. Steele. Και η λέξη "βιονική" μπήκε σε γενική χρήση τη δεκαετία του '70 του περασμένου αιώνα, όταν εμφανίστηκαν στην τηλεόραση οι σειρές "The Six Million Dollar Man" και "The Biotic Woman". Ο Tim McGee προειδοποιεί ότι τα βιομετρικά στοιχεία δεν πρέπει να συγχέονται άμεσα με τη βιοεμπνευσμένη μοντελοποίηση επειδή, σε αντίθεση με τη βιομιμητική, η βιοεμπνευσμένη μοντελοποίηση δεν δίνει έμφαση στην οικονομική χρήση των πόρων. Ακολουθούν παραδείγματα των επιτευγμάτων της βιομιμητικής, όπου αυτές οι διαφορές είναι πιο έντονες. Κατά τη δημιουργία πολυμερών βιοϊατρικών υλικών χρησιμοποιήθηκε η αρχή λειτουργίας του κελύφους ολοθουρίας (αγγούρι της θάλασσας). Τα αγγούρια της θάλασσας έχουν ένα μοναδικό χαρακτηριστικό – μπορούν να αλλάξουν τη σκληρότητα του κολλαγόνου που σχηματίζει το εξωτερικό κάλυμμα του σώματός τους. Όταν το αγγούρι της θάλασσας αισθάνεται κίνδυνο, αυξάνει επανειλημμένα την ακαμψία του φλοιού του, σαν να το σκίζει ένα κέλυφος. Αντίθετα, αν χρειαστεί να στριμωχτεί σε ένα στενό κενό, μπορεί να εξασθενήσει τόσο μεταξύ των στοιχείων του δέρματός του που πρακτικά μετατρέπεται σε υγρό ζελέ. Μια ομάδα επιστημόνων από την Case Western Reserve κατάφερε να δημιουργήσει ένα υλικό βασισμένο σε ίνες κυτταρίνης με παρόμοιες ιδιότητες: παρουσία νερού, αυτό το υλικό γίνεται πλαστικό και όταν εξατμίζεται, στερεοποιείται ξανά. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι τέτοιο υλικό είναι πιο κατάλληλο για την παραγωγή ενδοεγκεφαλικών ηλεκτροδίων, τα οποία χρησιμοποιούνται, ειδικότερα, στη νόσο του Πάρκινσον. Όταν εμφυτεύονται στον εγκέφαλο, τα ηλεκτρόδια από τέτοιο υλικό θα γίνουν πλαστικά και δεν θα βλάψουν τον εγκεφαλικό ιστό. Η αμερικανική εταιρεία συσκευασίας Ecovative Design δημιούργησε μια ομάδα ανανεώσιμων και βιοαποικοδομήσιμων υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θερμομόνωση, συσκευασία, έπιπλα και θήκες υπολογιστών. Ο McGee έχει ήδη ένα παιχνίδι φτιαγμένο από αυτό το υλικό. Για την παραγωγή αυτών των υλικών χρησιμοποιούνται οι φλοιοί του ρυζιού, του φαγόπυρου και του βαμβακιού, πάνω στους οποίους καλλιεργείται ο μύκητας Pleurotus ostreatus (στρειδάκι). Ένα μείγμα που περιέχει κύτταρα μανιταριού στρειδιού και υπεροξείδιο του υδρογόνου τοποθετείται σε ειδικά καλούπια και διατηρείται στο σκοτάδι, έτσι ώστε το προϊόν να σκληραίνει υπό την επίδραση του μυκηλίου των μανιταριών. Το προϊόν στη συνέχεια ξηραίνεται για να σταματήσει η ανάπτυξη του μύκητα και να αποφευχθούν οι αλλεργίες κατά τη χρήση του προϊόντος. Η Angela Belcher και η ομάδα της δημιούργησαν μια μπαταρία novub που χρησιμοποιεί έναν τροποποιημένο ιό βακτηριοφάγου M13. Είναι σε θέση να προσκολλάται σε ανόργανα υλικά όπως ο χρυσός και το οξείδιο του κοβαλτίου. Ως αποτέλεσμα της αυτοσυναρμολόγησης του ιού, μπορούν να ληφθούν μάλλον μακρά νανοσύρματα. Η ομάδα του Bletcher μπόρεσε να συναρμολογήσει πολλά από αυτά τα νανοσύρματα, με αποτέλεσμα τη βάση μιας πολύ ισχυρής και εξαιρετικά συμπαγούς μπαταρίας. Το 2009, οι επιστήμονες απέδειξαν τη δυνατότητα χρήσης ενός γενετικά τροποποιημένου ιού για τη δημιουργία της ανόδου και της καθόδου μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου. Η Αυστραλία έχει αναπτύξει το πιο πρόσφατο σύστημα επεξεργασίας λυμάτων Biolytix. Αυτό το σύστημα φίλτρου μπορεί πολύ γρήγορα να μετατρέψει τα λύματα και τα απόβλητα τροφίμων σε ποιοτικό νερό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άρδευση. Στο σύστημα Biolytix, τα σκουλήκια και οι οργανισμοί του εδάφους κάνουν όλη τη δουλειά. Η χρήση του συστήματος Biolytix μειώνει την κατανάλωση ενέργειας σχεδόν κατά 90% και λειτουργεί σχεδόν 10 φορές πιο αποτελεσματικά από τα συμβατικά συστήματα καθαρισμού. Ο νεαρός Αυστραλός αρχιτέκτονας Thomas Herzig πιστεύει ότι υπάρχουν τεράστιες ευκαιρίες για φουσκωτή αρχιτεκτονική. Κατά τη γνώμη του, οι φουσκωτές κατασκευές είναι πολύ πιο αποδοτικές από τις παραδοσιακές, λόγω της ελαφρότητας και της ελάχιστης κατανάλωσης υλικού. Ο λόγος έγκειται στο γεγονός ότι η δύναμη εφελκυσμού δρα μόνο στην εύκαμπτη μεμβράνη, ενώ η δύναμη συμπίεσης αντιτίθεται από ένα άλλο ελαστικό μέσο - τον αέρα, που υπάρχει παντού και εντελώς ελεύθερος. Χάρη σε αυτό το φαινόμενο, η φύση χρησιμοποιεί παρόμοιες δομές για εκατομμύρια χρόνια: κάθε ζωντανό ον αποτελείται από κύτταρα. Η ιδέα της συναρμολόγησης αρχιτεκτονικών δομών από μονάδες πνευμονοκυψελών από PVC βασίζεται στις αρχές της κατασκευής βιολογικών κυτταρικών δομών. Τα κύτταρα, με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον Thomas Herzog, είναι εξαιρετικά χαμηλού κόστους και σας επιτρέπουν να δημιουργήσετε σχεδόν απεριόριστο αριθμό συνδυασμών. Σε αυτή την περίπτωση, η ζημιά σε ένα ή ακόμα και περισσότερα πνευμονοκύτταρα δεν θα συνεπάγεται την καταστροφή ολόκληρης της δομής. Η αρχή λειτουργίας που χρησιμοποιείται από την Calera Corporation μιμείται σε μεγάλο βαθμό τη δημιουργία φυσικού τσιμέντου, το οποίο τα κοράλλια χρησιμοποιούν κατά τη διάρκεια της ζωής τους για να εξάγουν ασβέστιο και μαγνήσιο από το θαλασσινό νερό προκειμένου να συνθέσουν ανθρακικά άλατα σε κανονικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Και στη δημιουργία του τσιμέντου Calera, το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπεται πρώτα σε ανθρακικό οξύ, από το οποίο στη συνέχεια λαμβάνονται ανθρακικά. Ο McGee λέει ότι με αυτή τη μέθοδο, για να παραχθεί ένας τόνος τσιμέντου, είναι απαραίτητο να σταθεροποιηθεί περίπου η ίδια ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα. Η παραγωγή τσιμέντου με τον παραδοσιακό τρόπο οδηγεί σε ρύπανση από διοξείδιο του άνθρακα, αλλά αυτή η επαναστατική τεχνολογία, αντίθετα, παίρνει διοξείδιο του άνθρακα από το περιβάλλον. Η αμερικανική εταιρεία Novomer, η οποία αναπτύσσει νέα φιλικά προς το περιβάλλον συνθετικά υλικά, δημιούργησε μια τεχνολογία παραγωγής πλαστικών, όπου το διοξείδιο του άνθρακα και το μονοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιούνται ως βασικές πρώτες ύλες. Ο McGee τονίζει την αξία αυτής της τεχνολογίας, καθώς η απελευθέρωση αερίων του θερμοκηπίου και άλλων τοξικών αερίων στην ατμόσφαιρα είναι ένα από τα κύρια προβλήματα του σύγχρονου κόσμου. Στην τεχνολογία πλαστικών της Novomer, τα νέα πολυμερή και πλαστικά μπορούν να περιέχουν έως και 50% διοξείδιο του άνθρακα και μονοξείδιο του άνθρακα και η παραγωγή αυτών των υλικών απαιτεί σημαντικά λιγότερη ενέργεια. Μια τέτοια παραγωγή θα βοηθήσει στη δέσμευση σημαντικής ποσότητας αερίων του θερμοκηπίου και τα ίδια τα υλικά γίνονται βιοαποδομήσιμα. Μόλις ένα έντομο αγγίξει το παγιδευμένο φύλλο ενός σαρκοφάγου φυτού μυγοπαγίδας της Αφροδίτης, το σχήμα του φύλλου αρχίζει αμέσως να αλλάζει και το έντομο βρίσκεται σε παγίδα θανάτου. Ο Alfred Crosby και οι συνάδελφοί του από το Πανεπιστήμιο Amherst (Μασαχουσέτη) κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα πολυμερές υλικό που μπορεί να αντιδρά με παρόμοιο τρόπο στις παραμικρές αλλαγές στην πίεση, στη θερμοκρασία ή υπό την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος. Η επιφάνεια αυτού του υλικού καλύπτεται με μικροσκοπικούς, γεμάτους με αέρα φακούς που μπορούν πολύ γρήγορα να αλλάξουν την καμπυλότητά τους (να γίνουν κυρτές ή κοίλες) με αλλαγές στην πίεση, τη θερμοκρασία ή υπό την επίδραση του ρεύματος. Το μέγεθος αυτών των μικροφακών ποικίλλει από 50 μm έως 500 μm. Όσο μικρότεροι είναι οι ίδιοι οι φακοί και η απόσταση μεταξύ τους, τόσο πιο γρήγορα το υλικό αντιδρά στις εξωτερικές αλλαγές. Ο McGee λέει ότι αυτό που κάνει αυτό το υλικό ξεχωριστό είναι ότι δημιουργείται στη διασταύρωση της μικρο- και της νανοτεχνολογίας. Τα μύδια, όπως και πολλά άλλα δίθυρα μαλάκια, είναι σε θέση να προσκολλώνται σταθερά σε μια ποικιλία επιφανειών με τη βοήθεια ειδικών, βαρέως τύπου πρωτεϊνικών νημάτων - τα λεγόμενα byssus. Το εξωτερικό προστατευτικό στρώμα του βυσσίου αδένα είναι ένα πολυχρηστικό, εξαιρετικά ανθεκτικό και ταυτόχρονα απίστευτα ελαστικό υλικό. Ο καθηγητής Οργανικής Χημείας Herbert Waite του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια ερευνούσε τα μύδια για πολύ καιρό και κατάφερε να αναδημιουργήσει ένα υλικό του οποίου η δομή μοιάζει πολύ με το υλικό που παράγουν τα μύδια. Ο McGee λέει ότι ο Herbert Waite έχει ανοίξει ένα εντελώς νέο πεδίο έρευνας και ότι η δουλειά του έχει ήδη βοηθήσει μια άλλη ομάδα επιστημόνων να δημιουργήσει την τεχνολογία PureBond για την επεξεργασία επιφανειών ξύλινων πάνελ χωρίς τη χρήση φορμαλδεΰδης και άλλων άκρως τοξικών ουσιών. Το δέρμα του καρχαρία έχει μια εντελώς μοναδική ιδιότητα – τα βακτήρια δεν πολλαπλασιάζονται πάνω του και ταυτόχρονα δεν καλύπτεται με κανένα βακτηριοκτόνο λιπαντικό. Με άλλα λόγια, το δέρμα δεν σκοτώνει τα βακτήρια, απλά δεν υπάρχουν πάνω του. Το μυστικό βρίσκεται σε ένα ειδικό μοτίβο, το οποίο σχηματίζεται από τα μικρότερα λέπια του δέρματος του καρχαρία. Συνδέοντας μεταξύ τους, αυτές οι ζυγαριές σχηματίζουν ένα ειδικό σχέδιο σε σχήμα ρόμβου. Αυτό το σχέδιο αναπαράγεται στο προστατευτικό αντιβακτηριακό φιλμ Sharklet. Ο McGee πιστεύει ότι η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας είναι πραγματικά απεριόριστη. Πράγματι, η εφαρμογή μιας τέτοιας υφής που δεν επιτρέπει στα βακτήρια να πολλαπλασιάζονται στην επιφάνεια των αντικειμένων σε νοσοκομεία και δημόσιους χώρους μπορεί να απαλλαγεί από τα βακτήρια κατά 80%. Σε αυτή την περίπτωση, τα βακτήρια δεν καταστρέφονται και, ως εκ τούτου, δεν μπορούν να αποκτήσουν αντίσταση, όπως συμβαίνει με τα αντιβιοτικά. Η τεχνολογία Sharklet είναι η πρώτη τεχνολογία στον κόσμο που αναστέλλει την ανάπτυξη βακτηρίων χωρίς τη χρήση τοξικών ουσιών. σύμφωνα με το bigpikture.ru