Βιομιμητική μέρος 2ο: Από τα «εργαστήρια της φύσης» στα ερευνητικά εργαστήρια

Έναν περίπου χρόνο αργότερα από το πρώτο άρθρο με θέμα το πεδίο της «Βιομιμητικής» (δείτε εδώ), επανέρχομαι στο θέμα με ένα δεύτερο μέρος. 

Για όσους συναντούν τον όρο πρώτη φορά, η Βιομιμητική, ως επιστημονικός κλάδος, καταπιάνεται με την παρατήρηση των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών των έμβιων οργανισμών, με σκοπό τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη βιοεμπνευσμένων δομών και υλικών. Πρόκειται για ένα πεδίο που προωθεί τη διεπιστημονική προσέγγιση (συνδυασμός γνώσεων Βιολογίας, Βιοφυσικής, Χημείας και Επιστήμης των υλικών)  και την επίλυση σύγχρονων προβλημάτων, σύμφωνα με πρότυπα που βασίζονται σε δεδομένα από τη φύση. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η  Εξέλιξη  έχει το πλεονέκτημα εκατομμυρίων ετών δοκιμών και σφαλμάτων πάνω στους ζωντανούς οργανισμούς, είναι λογικό ότι η ανθρώπινη κατασκευή μπορεί να επωφεληθεί αντλώντας γνώση από την επιρροή της. Έτσι, πρωταρχική ιδέα της Βιομιμητικής συνιστά η μελέτη ιδιοτήτων οργανισμών που έχουν ήδη αποκριθεί σε περιβαλλοντικές καταπονήσεις και στη συνέχεια η μίμηση των «πετυχημένων»* βιοδομών τους. 

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν μερικά παραδείγματα εφαρμογών του εν λόγω κλάδου: 

1. Υπερ-υδρόφοβες επιφάνειες  

Ο λωτός, ως φυσική ύλη που αντέγραψε και χρησιμοποίησε η Bιομιμητική, είναι το υδρόβιο φυτό Nelumbo nucifera, το οποίο είναι αυτοφυές στην Κίνα και τη Ν.Α. Ασία και μοιάζει με νούφαρο. Το συγκεκριμένο φυτό είναι γνωστό για το «lotus effect» (=φαινόμενο του λωτού), δηλαδή την υπερ-υδρόφοβη συμπεριφορά των φύλλων του που έχουν την ιδιότητα να απωθούν το νερό. Έτσι, όταν βρέχει ή εν γένει όταν σταγόνες έρχονται σε επαφή με την φυλλική επιφάνεια του λωτού, το νερό κυλά με ταχύτητα, παρασύροντας ρύπους και σκόνη, με αποτέλεσμα τον αυτοκαθαρισμό των φύλλων. Χρήσιμο θα ήταν να σημειωθεί ότι υπερ-υδρόφοβες χαρακτηρίζονται οι επιφάνειες που έχουν γωνία επαφής με το νερό μεταξύ 150 και 180 μοιρών, με συνέπεια αυτό να μην μπορεί να συγκρατηθεί και να απωθείται.   

Μετά από έρευνα, αποκαλύφθηκε ότι η μορφολογία της άνω επιφάνειας των φύλλων του λωτού αποτελείται από θηλώδη επιδερμικά κύτταρα που καλύπτονται από μια στοιβάδα κηρών (το κερί είναι αυτό που προσδίδει υδρόφοβες ιδιότητες σε συνδυασμό με τις κυτταρικές προεξοχές). Σήμερα έχουν αναπτυχθεί αντίστοιχες υπερ-υδρόφοβες αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες, προσομοιάζοντας τα θηλώδη αυτά κύτταρα με νανοσωματίδια οξειδίου του αργιλίου ή άνθρακα και επικάλυψη από κερί. Παραδείγματος χάρη, η  CeNano  ανέπτυξε τη  νανοτόλη, ένα υδατοαπωθητικό και ελαιοαπωθητικό σφραγιστικό σπρέι που μπορεί να ψεκαστεί σε επιφάνειες, καθιστώντας τες ουσιαστικά αδιάβροχες. 

Βίντεο σχετικό με το «φαινόμενο του λωτού»: https://www.youtube.com/watch?v=a7PIuQAP_qI 

2. Αντιμικροβιακό φιλμ 

Το δέρμα του καρχαρία, εκτός από πρότυπο για την παραγωγή στολών κολύμβησης που ανθίστανται στην αντίσταση του νερού, συνιστά εξαιρετικό μοντέλο για τον σχεδιασμό αντιμικροβιακών φιλμ. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στην ύπαρξη εύκαμπτων δομών στην επιφάνειά του που ομοιάζουσες με μικρά δοντάκια («δερματικές οδοντοστοιχίες»), οι οποίες όχι μόνο μειώνουν την οπισθέλκουσα δύναμη κατά την κίνησή του στο νερό, αλλά αποτρέπουν και την ανάπτυξη μικροοργανισμών. Ως εκ τούτου, το Πολεμικό Ναυτικό των Η.Π.Α. έφτιαξε ένα υλικό, που ονομάζεται “Sharklet”, παρόμοιο με το σχέδιο του δέρματος του καρχαρία. Το συγκεκριμένο αποτρέπει την ανάπτυξη της θαλάσσιας ζωής στο κύτος των πλοίων. 

Εκτός αυτού, οι επιστήμονες της NASA μπόρεσαν να αντιγράψουν τα μικροσκοπικά μοτίβα των οδοντοστοιχιών και να δημιουργήσουν και αυτοί ένα φιλμ. Αυτό μειώνει την οπισθέλκουσα δύναμη  και αποτρέπει τους μικροοργανισμούς (όπως τα φύκια) που προσκολλώνται στην επιφάνειά του.  Το υλικό επένδυσε θαλάσσια σκάφη, όπως το ιστιοφόρο  Stars & Stripes 87, το οποίο και κέρδισε το Κύπελλο Αμερικής το 1987 (ιστιοπλοϊκός αγώνας). 

Επιπλέον, τα περιβαλλοντικά οφέλη του φιλμ είναι μεγάλα, δεδομένου ότι με τη μείωση της τριβής εξοικονομείται όχι μόνο ενέργεια, αλλά και χρήματα (π.χ. σε καύσιμα). Το γεγονός αυτό οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη και χρήση του σε επιστρώσεις γάστρας πλοίων, υποβρυχίων, ακόμα και αεροσκαφών. 

3. Αφρώδη υλικά απορρόφησης κραδασμών  

Έχουν κατασκευαστεί αφρώδη υλικά από πολυμερή με βιομίμηση των ιδιοτήτων της φλούδας του πεπονιού. Σε αυτά αυξάνεται η πυκνότητα στο σημείο άσκησης δύναμης, καθώς εφαρμόζεται διαβαθμισμένη κλίμακα του μεγέθους των δομικών στοιχείων τους. Χρησιμοποιούνται για εσωτερικές στρώσεις εξοπλισμού ασφαλείας, όπως κράνη, επιγονατίδες κ.α.  

Καταληκτικά, οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι η Βιομιμητική αποτελεί μια ταχύτατα αναπτυσσόμενη εξειδίκευση σε ερευνητικά ινστιτούτα και διεπιστημονικά κέντρα, η οποία υπόσχεται να συμβάλλει σημαντικά με καινοτομίες στην αναβάθμιση της ποιότητας ζωής, την αειφόρο ανάπτυξη και την επίτευξη δυναμικής ισορροπίας της ανθρώπινης ζωής με τα οικοσυστήματα του πλανήτη.  

*Υπό το πρίσμα της Εξελεγκτικής Βιολογίας, πετυχημένοι θεωρούνται όλοι οι οργανισμοί που έχουν επιβιώσει μέχρι σήμερα, με δεδομένο την δράση της φυσικής επιλογής και της γενετικής παρέκκλισης  δισεκατομμύρια χρόνια τώρα.    

Βιβλιογραφικές πηγές: 

• Φυσιολογία Φυτών, William G. Hopkins & Norman P.A. Huner, Εκδόσεις Broken Hill, Κεφάλαιο 28,Περί Βιομιμητικής  

• Science Focus, Biomimetic design: 10 examples of nature inspiring technology, Gertie Goddard, https://www.sciencefocus.com/future-technology/biomimetic-design-10-examples-of-nature-inspiring-technology/ 
• Dovepress, Biomimetics: forecasting the future of science, engineering, and medicine, Hwang J, Jeong Y, Park JM, Lee KH, Hong JW, Choi J , https://www.dovepress.com/biomimetics-forecasting-the-future-of-science-engineering-and-medicine-peer-reviewed-fulltext-article-IJN