Fra velcro til kugletog har naturen inspireret nogle af de mest imponerende beats for human innovation. Denne sommer vil en krabbeklignende, undersøisk robot, udviklet af koreanske forskere, søge efter gamle artefakter i Det gule hav. Droner efterligner flyvebevægelser fra fugle og bier. Og vores biomimetiske fremtid ser lys ud.
En håndfuld forskere er nu varme på hælene i en ny skabelse: syntetisk hud.
Havdyr bruger deres hud til at hjælpe med at navigere og overleve deres miljø. Delfiner, der lever i koldt vand, har faktisk tyk hud for at isolere deres krop og forblive varm. Blæksprutter 'sutterforet hud indeholder ikke kun millioner af nerver, der hjælper dem med at føle og gribe bytte, men det er også indlejret med unikke farveændrende celler, der kan gøre dem usynlige for rovdyr. Hudhudene, der linjer pukkelhvalens brystfinner øger dyrets opdrift. Så forskere ser potentiale.
Ved hjælp af 3D-udskrivning og computermodelleringsteknologi udvikler forskere kunstig, men realistisk, dyrehud til brug i alt fra antimikrobielle dørhåndtag til undervandsrobotter. George Lauder, en ichthyologist ved Harvard University i Boston, og hans team har udviklet den første ægte kunstige hajhud med hjælp fra en top-end 3D-printer.
Tidligere forsøg involverede gummiforme og stof, og forskere kæmpede for at fremstille materiale med både bløde og hårde komponenter. Sharkhudinspirerede badedragt fik en plask ved OL i 2008, men Lauders forskerteam fandt faktisk, at materialet i dragter som Speedos Fastskin II ikke virkelig efterligner hajhud eller reducerer træk, fordi det mangler tandbånd.
Hajer kan svømme i høje hastigheder gennem havvandene takket være små, tandlignende tandbånd, der dækker deres silkeagtige hud. ”Det viser sig at være et meget kritisk træk ved ydeevne ved haj under svømning, ” siger Lauder. Man skulle tro, at glattere hud er bedre til hastighed. Men han tilføjer, "Det er faktisk godt at være ujævn, have en ru overflade af en bestemt art, når du vil bevæge dig gennem et flydende miljø, vand eller luft så effektivt som muligt."
Ved hjælp af en mikro-CT-scanner scannede Lauders team den faktiske makohark. Fra scanningen oprettede de en 3D-model og sendte modellen til en 3D-printer, der lavede et plastisk polymermateriale med en blød base dækket af hårde tandformede strukturer. Slutproduktet har den sandpapiragtige fornemmelse af hajhud. I en tank i deres laboratorium testede forskerne den kunstige hud og fandt, at den øgede hastigheden med 6, 6 procent og reducerede energiforbruget med 5, 9 procent i sammenligning med en glat plastfinne uden tandpleje.
Et højt forstørret billede af tandhindemønstre fundet på en mako hajhoved. (Billede: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver og George Lauder) 
Tandlægerne på en hajhoved. (Billede: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver og George Lauder) Hajehindedikler (Billede: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver og George Lauder) 
Dentikelmønstre på en makohajs bagagerum (Billede: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver og George Lauder) ”Hvis du kunne lave en badedragt, der havde strukturen med hajhudtandikler eller vægte på en fleksibel overflade, som du kunne bære og var relativt som en fuldkropsvåddragt, ville det virkelig forbedre din svømmeevne, ” siger Lauder. Men dette nye materiale er ikke helt klar til prime time. ”Det ville være meget, meget udfordrende i øjeblikket at integrere denne form for struktur i enhver form for stof, ” tilføjer han. Det er en bedrift i det næste årti.
Et hudlignende materiale af haj kan også tjene som en forsvarslinje mod bioforurening eller akkumulering af alger og barnkel på bunden af skibe. Den fleste anti-begroingsmaling er giftig, så kunstig hajhud kan give et miljøvenligt alternativ. I 2005 udviklede forskere i Tyskland et silikonemateriale, inspireret af hajhud, der reducerede bortskelvæsken med 67 procent. Derefter, i 2008, tog ingeniør Anthony Brennan en lignende fremgangsmåde og skabte et materiale kaldet Sharklet, der har en dentikelignende struktur og forhindrer 85 procent af den normale adhæsion af alger på glatte overflader. Sharklet er også blevet anvendt på medicinsk udstyr og hospitalets overflader. På hospitaler og endda offentlige badeværelser kan bakterier let sprede sig fra person til person, så belægning af disse dørknap og udstyr i et materiale, der modstår bakterier, kan reducere infektioner.
Forskere ved Duke University i North Carolina udviklede også et anti-begroingsmateriale, der ryger eller rynker som dyrehud (i dette tilfælde kan en hest, der rykker ved berøring af en flue, være den bedste analogi), når det stimuleres. En anden gruppe på Imperial College London forsøger at skabe et rørmateriale foret med mikroskopiske buler og kemikalier, der afviser vand - inspireret af delfinhud.
Fra et designperspektiv kunne hajhud også bruges til at gøre flyvinger mere energieffektive - en applikation, som Lauder ser ud til at være nyttig i fremtiden. At tilføje dentikellignende strukturer til fly kan reducere træk. Langs lignende linjer har hvalstensfinner allerede inspireret helikopterfløjdesign.
Den måske mest spændende anvendelse til disse materialer ligger dog i udviklingsområdet for bioinspirerede undervandsrobotter. ”Vi kommer til at have nye slags undervandsrobotter, der har fleksible bøjningslegemer, der bevæger sig som en fisk, ” siger Lauder. Flere batteridrevne fiskrobotter er i værkerne, og logisk kan tilføjelse af faux hajhud til dem øge hastigheden og energieffektiviteten. Lauder og hans team samarbejder med forskere ved Drexel University i Philadelphia om en fiskerobot. De har siden udvidet deres hudmekanikestudie til også at se på forskellige fiskearter og se, hvordan forskellige skalaformer og mønstre påvirker svømning.
Med 3D-udskrivning vil forskere kunne lære endnu mere om, hvordan tandpleje eller skalamønstre på en fisk påvirker svømmekræfter. ”Du kan ændre afstanden [mellem dentikler]; du kan gøre dem dobbelt så langt fra hinanden. Du kan forskyde dem, få dem til at overlappe hinanden, få dem til ikke at overlappe hinanden og foretage masser af ændringer for at begynde at drille hinanden de vigtigste egenskaber ved hajhud, ”siger Lauder. Disse eksperimenter vil hjælpe forskere med at perfektere kunstige skind.
"Dette er et hurtigt voksende felt i øjeblikket, " siger George Jeronimidis, ingeniør ved University of Reading i Storbritannien, "Vi er lige begyndt at forstå, hvor integreret og funktionel huden på marine skabninger er."
Jeronimidis 'laboratorium har udviklet kunstig blækspruttehud. Blækspruttehud har sit eget sæt af kompleksiteter: det er blødt, fleksibelt og fyldt med millioner af sensoriske neuroner, der hjælper organismen med at navigere i sit miljø. Ingeniørens syntetiske version består af nylonfibre indlejret i silikongummi, som holder huden fleksibel, men tåreværdig. Det har endda sukkere, skønt disse er passive - en reel blæksprutte kan manipulere hver sucker individuelt.
Mens der stadig er meget, der skal gøres, kunne undervandsrobotter i fremtiden have en haj eller hastigheden på en blæksprutte. Og med sofistikeret kunstig hud kunne de vove sig, hvor mennesker ikke kan - fra at navigere i det grise vand fra oliespild til at søge efter flyvrak til måske endda udforske havets dybeste dybder.
