Βιομιμητική: Όταν ο άνθρωπος «αντιγράφει» τη φύση

Η φύση αποτελούσε ανέκαθεν για τον άνθρωπο το πεδίο παρατήρησης για την κατανόηση του περιβάλλοντός του, αλλά ταυτόχρονα κι ένα υποδειγματικό σύστημα πολυπλοκότητας και συνθετικής διαδικασίας. Χρησιμοποιώντας, ως πρότυπο, οργανισμούς με επιθυμητά χαρακτηριστικά και ιδιότητες, οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα πεδίο που συνδυάζει κυρίως βιολογία και βιοφυσική, καθώς και άλλους επιστημονικούς κλάδους, όπως η χημεία, το οποίο ονομάστηκε «Βιομιμητική». Η Βιομιμητική συνιστά, λοιπόν, τη διαδικασία μεταφοράς προτύπων από το βιολογικό στο μηχανικό ανάλογο. Συγκεκριμένα, περιλαμβάνει την δημιουργία και παραγωγή βιοεμπνευσμένων υλικών, μετά από μελέτη και προσομοίωση των βιολογικών συστημάτων.

Αν και το εν λόγω πεδίο γνώρισε ταχεία ανάπτυξη τις τελευταίες δεκαετίες, φαίνεται πως δεν είναι στην πραγματικότητα τόσο σύγχρονο. Ήδη από την αρχαιότητα, ο Αριστοτέλης στο έργο του «Ηθικά Νικομάχεια» προσεγγίζει την τέχνη ως το αποτέλεσμα της έμπνευσης από τη φύση. Αναλυτικότερα, με τον όρο «τέχνη» εννοεί την κατασκευαστική ικανότητα του ανθρώπου, η οποία προϋποθέτει γνώση αιτιολογημένη που υπερβαίνει την εμπειρία. Ο Αριστοτέλης διακρίνει τα αισθητά πράγματα (τα «ὄντα») σε όσα είναι «φύσει» και σε εκείνα που αποτελούν προϊόντα της κατασκευαστικής ικανότητας του ανθρώπου. Όλα τα έργα τέχνης ανήκουν στη δεύτερη κατηγορία και είναι αποτελέσματα της δημιουργικής επέμβασης του ανθρώπου στη φύση με την ευρεία έννοια. Επειδή ο άνθρωπος κατασκευάζει με πρότυπο τη φύση, τα έργα τέχνης συνιστούν αποτελέσματα μίμησης. Αργότερα, όταν ο Λεονάρντο ντα Βίντσι μελετούσε τα πουλιά, για να κατασκευάσει τις πτητικές μηχανές του τον 15^ο αιώνα, αντέγραψε απλώς μια ιδιότητα της φύσης, η οποία θα έβρισκε εφαρμογή σε μια νέα τεχνολογία.

Ωστόσο, ο όρος «Βιομιμητική» (Biomimicry)  χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1997 από την Αμερικανίδα βιολόγο Janine Benyus.

Για να γίνει απολύτως κατανοητό το πεδίο που αναλύεται, παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένα παραδείγματα.

Η ικανότητα των καρχαριών για ταχύτατη κολύµβηση, χωρίς να υφίστανται δυνάµεις τριβής, έχει δώσει την ιδέα δηµιουργίας του Sharkskin, ενός υλικού που επιτρέπει τη ροή του νερού µε σηµαντικά µειωµένη αντίσταση. Εκτός αυτού, το δέρμα των καρχαριών αντιτίθεται στην προσκόλληση αντικειμένων και δεν επιτρέπει την ανάπτυξη μικροοργανισμών. Το Sharkskin, προσομοιάζοντας το δέρμα του καρχαρία, χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή στολών κολύμβησης (μαγιό) που συνέβαλαν σημαντικά στην βελτίωση των επιδόσεων των αθλητών.

Το υλικό Velcro [velvet (=βελούδο) & crochet (=πλέκω)] αναπτύχθηκε από  τον Ελβετό ορειβάτη Ζορζ ντε Μεστράλ (Georges de Mestral), ύστερα από έναν περίπατο με το σκυλί του σε ένα λιβάδι με αγριόχορτα το 1941. Εκεί αναρωτήθηκε γιατί οι σπόροι κολλιτσίδας προσκολλήθηκαν στο παλτό και το σκυλί του και με βάση αυτό δημιούργησε το Velcro. Πρόκειται για το υλικό που χρησιμοποιείται στα σκρατς των αθλητικών παπουτσιών και άλλων αντικειμένων, και αποτελείται από δύο λωρίδες υφάσματος, όπου η μία είναι καλυμμένη με χιλιάδες μικροσκοπικά άγκιστρα και η άλλη με χιλιάδες μικροσκοπικούς  βρόχους.

Η ικανότητα κάποιον ειδών σαύρας (π.χ. τα Γκέκο, υποτάξη Gekkota, οικογένεια Gekkonidae) να ανταπεξέρχονται την δύναµη της βαρύτητας έχει εμπνεύσει επιστήμονες να δηµιουργήσουν το Geckskin, ένα υλικό που αποτελείται από πολυουρεθάνη και Kevlar που µιµείται τον τρόπο βαδίσµατος του ζώου αυτού. Τα Γκέκο έχουν χαρακτηριστικά τριχίδια στις πατούσες τους, αλλά και ένα ιδιαίτερο τένοντα που προσφύεται στο δέρµα και όχι σε οστό, ο οποίος τεντώνει το δέρµα κατά τον βηµατισµό. Τα τριχίδια από µόνα τους δεν είναι ικανά να κρατήσουν το ζώο σε στάση αντίθετη στο νόµο της βαρύτητας. Ο συνδυασµός των δύο, όμως, µπορεί. Το υλικό Geckskin έχει πολλαπλές χρήσεις: στον στρατιωτικό τομέα χρησιμοποιείται σε αναρριχητικά βοηθήματα που επιτρέπουν στους στρατιώτες να ανέβουν σε τείχη (!), ενώ στην Ιατρική, παρόλο που δεν έχει δοκιμαστεί ακόμη για χρήση σε δέρμα, μπορεί να έχει επίσης πιθανές εφαρμογές για μπαλώματα σε αυτό ή για μηχανήματα παρακολούθησης της καρδιάς.

Οι ιεραρχημένες μικροποπίλες και τα νανοδιπλώματα είναι γνωστό ότι υπάρχουν στις επιφάνειες των πετάλων των κόκκινων τριαντάφυλλων. Αυτές οι μικρο και νανοδομές παρέχουν επαρκή τραχύτητα για υπερϋδροφοβικότητα (ιδιότητα μιας ουσίας να μην αναμειγνύεται ούτε να διαλύεται στο νερό) και ταυτόχρονα υψηλή συγκολλητική δύναμη με νερό. Ένα σταγονίδιο νερού στην επιφάνεια του πετάλου εμφανίζει σφαιρικό σχήμα (γωνία επαφής>150^ο), το οποίο δεν μπορεί να κυλήσει ακόμη και όταν το πέταλο είναι αναποδογυρισμένο. Ορίζουμε αυτό το φαινόμενο ως το «φαινόμενο του πετάλου» (“petaleffect”). Στην πραγματικότητα, η υπερϋδροφοβική επιφάνεια και το συγκολλητικό πέταλο βρίσκονται σε κατάσταση ετερογενούς διαβροχής (Cassie – Baxter). Δηλαδή, η σταγόνα του υγρού δεν διεισδύει πλήρως στα στοιχεία τραχύτητας επιφανείας και συνεπώς αέρας παγιδεύεται κάτω από τη σταγόνα, ελαττώνοντας την περιοχή επαφής μεταξύ υγρού και επιφανείας. Η τεχνητή κατασκευή μεμβρανών βιομιμητικών πολυμερών, με σαφώς καθορισμένες νανο-αποτυπωμένες δομές, βρίσκει εφαρμογή σε συστήματα συλλογής νερού και συστήματα ψύξης/απόψυξης.

Κλείνοντας, γίνεται αντιληπτό ότι πολλές φορές η παρατήρηση και η μίμηση της φύσης παρέχει τη λύση σε ανθρώπινα προβλήματα, με ποικίλες εφαρμογές όπως τα υλικά, οι τεχνικές ή οι ιεραρχικά δομημένες δομές. Ένα ανερχόμενο πεδίο, αυτό της Βιομιμητικής, καταφέρνει να προσομοιάσει το εργαστήριο της φύσης σε ένα ανθρώπινο εργαστήριο και να φέρει την επιστημονική κοινότητα στο κατώφλι μιας επανάστασης στον τομέα των υλικών. Ας το κάνουμε λοιπόν όπως η φύση!

Βιβλιογραφία:

• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/la703821h
• http://theory.materials.uoc.gr/courses/een/projects2016/lanara.pdf
• https://www.prescouter.com/2016/12/geckskin-applications/
• https://www.vakxikon.gr/filosofia-aristotelhs/
• Παρουσίαση για τα Βιοϋλικά στη Ζωολογία στο Τμήμα Βιολογίας του ΕΚΠΑ
• Παρουσίαση για τη Βιομίμηση στη Φυσιολογία Φυτών στο Τμήμα Βιολογίας του ΕΚΠΑ