Læring fra naturen – Manipulering af lys med hjælp fra bladlopper

En ny undersøgelse ledet af forskere ved Pennsylvania State University har fundet, at de små partikler, som bladlopper udskiller, og som almindeligvis findes i vores baghave, kan hjælpe os med at bygge næste generations teknologi. 

Udgivet for nylig i PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, lykkedes det forskerne for første gang nogensinde at nøjagtigt reproducere den komplekse geometri af de mystiske partikler, som kaldes brochosomer, samt hvordan de absorberer lys.

Det er sådan, at mange naturlige funktionelle materialer består af hierarkiske mikro- og nanostrukturer, som er integrerede dele af biologiske overflader. Bladlopper udskiller især brochosomer og bruger dem som udløselige materialer på deres kropsoverflader.

Brochosomer er indviklet strukturerede, buckyball-formede sfærer med gennemgående huller, produceret af bladloppen. De er hule og nanoskale, hvilket betyder, at de er ekstremt små og befinder sig på nanometerskalaen, som er en milliardtedel af en meter. Disse hydrofobe partikler udskilles af bladlopper og findes på deres kropsoverflade.

Selvom de først blev opdaget for mange årtier siden i 1950’erne, har vi stadig ikke forstået den funktionelle betydning af brochosomernes geometri, noget denne undersøgelse sigter mod at ændre.

Tak-Sing Wong, professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab og maskinteknik ved Penn State, ledede undersøgelsen. Den fandt, at gennemgående huller i brochosomer kan hjælpe med at reducere lysrefleksion. Dette markerer det første biologiske eksempel, der demonstrerer kortbølget, lavpas antirefleksfunktionalitet, som refererer til en optisk belægning, der reducerer refleksion over et bestemt område af kortere bølgelængder, mens længere bølgelængder tillades at passere.

Den unikke geometri af brochosomer, ifølge undersøgelsen, kunne muliggøre udviklingen af bioinspirerede optiske materialer (finjusterede og responsive materialer inspireret af naturlige strukturer fundet i levende organismer).

Denne udvikling adskiller sig fra den antireflektive møl-øje-effekt, som har inspireret yderst effektive belægninger til brug i solpaneler, smartphones og tabletcomputere. Møl’ øjne er ikke-refleksive på grund af overfladens periodiske nanoskalastruktur, som får indkommende lys til at sprede sig i tilfældige retninger. Som følge heraf bliver lyset i stedet for at blive reflekteret transmitteret ind i øjet.

Således giver bladloppenes brochosomer en særskilt tilgang til bioinspireret optisk manipulation, med mulige anvendelser i belægninger, usynlige kamuflageenheder og mere effektiv indfangning af solenergi.

Replikering af de komplekse strukturer af brochosomer

Givet den begrænsede forståelse af brochosomernes unikke geometri, deres konstante tilstedeværelse på tværs af forskellige bladloppearter, og usikkerheden omkring deres størrelser og gennemgående huller, som typisk ligger i størrelsesordenen flere hundrede nanometer, forskerne ved Penn State påtog sig denne undersøgelse for at afdække disse mysterier og tydeliggøre deres betydning for disse arter.

Teamet har arbejdet på dette i flere år nu. Allerede i 2017 var det faktisk første gang, en syntetisk version af brochosomer blev udviklet for at opnå en bedre forståelse af deres funktion.

At fremstille disse brochosomer i laboratoriet har været en udfordrende opgave, på trods af at forskere har kendt til dem i så lang tid. Dette skyldes den geometriske kompleksitet af disse partikler. Det har også været ukendt, hvorfor disse baghaveinsekter overhovedet udskiller partikler med så komplekse strukturer.

Selv for år tilbage, mens brochosomernes egenskaber som fordypninger og deres fordeling med succes blev efterlignet ved hjælp af syntetiske materialer, kunne forskerne ikke skabe en nøjagtig kopi. Nu er det første gang, teamet har kunnet replikere den præcise geometri af den naturlige brochosom i en skaleret form på 20.000 nanometer.

Nu, for at skabe disse komplekse strukturer i laboratoriet, benyttede forskningsteamet en højteknologisk tredimensionel printeringsmetode. De anvendte to-foton polymerisation (2PP) 3D-printning til at fremstille syntetiske versioner af brochosomer med høj nøjagtighed.

Undersøgelsen bemærkede, at selvom de bedste 3D-printere kan skabe objekter med en opløsning på 200 nm til 500 nm, så er de utilstrækkelige til at replikere de nanoskalige geometrier af naturlige brochosomer, som ligger i området ca. 300 nm til 600 nm. Derfor anvendte de en skaleringsmodelteknik og fremstillede derefter mikroskopiske syntetiske brochosomer som et modelsystem.

De syntetiske brochosomer og deres gennemgående hul blev designet med diametre på omkring 20 µm og 5 µm respektivt, for at sikre at de printede strukturer var meget større end 3D-printerens opløsning. Den resulterende struktur havde 12 femkantede gennemgående huller og 20 sekskantede gennemgående huller, som var forbundet via en hul kerne. Mens skaltykkelsen var 7 % af den samlede diameter, var vægtykkelsen på gennemgående huller 20 %, hvilket efterlignede de naturlige brochosomer.

Den fremstillede prøve bestod yderligere af et array på 20 x 20 syntetiske brochosomer i et HCP-gitter, hvilket resulterede i en pakningsdensitet på omkring 91 %. En kontrolprøve uden gennemgående hulstrukturer blev også fremstillet.

Teamet undersøgte derefter det optiske form-til-funktion-forhold for brochosomer, hvilket viste, at brochosomernes hierarkiske geometrier er konstrueret inden for et snævert størrelsesområde med gennemgående hularkitektur for markant at reducere lysrefleksion.

For at undersøge, hvordan brochosomer interagerer med infrarødt lys af forskellige bølgelængder, brugte forskerne et mikro-Fourier transform infrarød (FTIR) spektrometer, som hjalp dem med at forstå, hvordan lyset manipuleres af strukturerne.

De laboratoriefremstillede partikler viste sig i stand til at reducere lysrefleksion med op til 94 %, hvilket er betydningsfuldt, da dette er første gang, en art i naturen er blevet observeret at kontrollere lys på en så specifik måde ved hjælp af hule partikler.

Denne opdagelse antyder også den stærke mulighed for, at bladlopper dækker sig selv med brochosom-armor for at skjule sig for rovdyr i stedet for de tidligere teorier, som spekulerede i, at dette var en måde for dem at være fri for forurening og vand, ifølge medforfatter Wong.

Desuden opdagede teamet, at den hule, buckyball-formede udseende af brochosomen, sammen med størrelsen på dens huller, tjener et dobbelt formål: at absorbere ultraviolet (UV) lys og sprede synligt lys.

Interessant nok er størrelsen blevet fundet at være konsistent på tværs af bladloppearter, uanset insektets kropsstørrelse. Således er brochosomer omkring 600 nanometer i diameter, og porerne er omkring 200 nanometer.

Denne konsistens reducerer synligheden for rovdyr som fugle og krybdyr, som har UV-vision, ved at absorbere UV-lys, som muliggøres af hulernes størrelse. Derudover skaber spredningen af synligt lys et antirefleksivt skjold mod potentielle trusler.

Klik her for at læse, hvorfor 3D-printning er et potentielt $500B marked.

Fantastiske potentielle anvendelser

Således, støttet af Office of Naval Research, var undersøgelsen i stand til at finde svaret på strukturets kompleksitet, hvilket viser, at de er designet til at forbedre bredbåndslys spredning. Derudover reducerede gennemgående huller yderligere lysrefleksion ved at fungere som kortbølget, lavpas filter.

Disse effekter gør det muligt for brochosomer at opnå en reduktion på 80 til 94 % i spekulær refleksion over et bredbåndsbølgelængdeområde. Disse resultater, ifølge Lin Wang, hovedforfatteren af undersøgelsen, som er postdoc-forsker i maskinteknik, “kan være meget nyttige for teknologisk innovation.”

At have en ny måde at regulere lysrefleksion på en overflade kan gøre det muligt for forskere at skjule de termiske signaturer af både maskiner og mennesker. Wang postulerer, at vi en dag måske kan udnytte bladloppenes tricks til at skabe en termisk usynlighedskappe for os selv, hvilket har potentiale i militære og overvågningsapplikationer.

“Vores arbejde viser, hvordan forståelse af naturen kan hjælpe os med at udvikle moderne teknologier.” 

– Wang

Nogle potentielle anvendelser af resultaterne inkluderer avancerede solcremer til beskyttelse mod solskader, hvilket reducerer risikoen for hudkræft. Derudover kan belægninger udvikles til at beskytte farmaceutiske produkter mod lysinduceret skade, hvilket forbedrer effektiviteten og holdbarheden af følsomme lægemidler. Forskere bemærkede også, at denne viden kan føre til udviklingen af mere effektive systemer til indfangning af solenergi.

Selvom teamet med succes har skabt nøjagtige kopier af naturlige brochosomer, er deres arbejde langt fra færdigt. I næste skridt vil forskerne fokusere på at forbedre fremstillingen af syntetiske brochosomer, så de bedre matcher størrelsen af deres naturlige modparter.

Teamet vil også undersøge yderligere anvendelser for syntetiske brochosomer, såsom i informationskryptering. De komplekse strukturer af brochosomer kunne integreres i et krypteringssystem, hvor data kun er synlige under specifikke lysbølgelængder, hvilket muliggør sikker kommunikation.

Ifølge Wang viser undersøgelsen værdien af at hente inspiration fra naturen, som “har været en god lærer for forskere til at udvikle nye avancerede materialer.”

Bladlopper er kun én af mange insektarter, hvilket kun markerer begyndelsen; med så “mange flere fantastiske insekter der venter på, at materialeforskere studerer dem,” forudser Wang, at sådan forskning vil “hjælpe os med at løse forskellige ingeniørproblemer.”

Forskerne har indgivet et amerikansk provisorisk patent på deres arbejde, som også har modtaget bidrag fra Zhuo Li, doktorand i maskinteknik ved Carnegie Mellon University, og Sheng Shen, professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University.

Produkter inspireret af vellykket natur-omvendt engineering 

Undersøgelsen viser de store implikationer ved at lære af naturen. Men dette er ikke et nyt fænomen; mennesker har været inspireret af naturen siden tidernes begyndelse.

Historisk set proportionerede de gamle grækere deres bygninger efter det gyldne snit. I det 19. århundrede udnyttede spanske bosættere i Colorado dybderne i Columbian jordegernens huler til at bygge deres huse over jorden. Mere for nylig har videnskabsfolk endda omvendt designet balancere systemer fra insekter som kakerlakker for at designe mere stabile robotter.

Geckoer har især været en stor inspirationskilde i robotikindustrien. Ingeniører ved University of Waterloo studerede geckoernes grebsfunktion og tommelormenes effektive bevægelse for at skabe en lille robot, som forventes at hjælpe læger med at udføre operationer en dag.

Max Planck-gruppen sigter mod at udnytte indsigterne fra geckoernes hårde landinger for at hjælpe robotiske luftfartøjer med at opnå mere disciplineret perching. Selv NASA henter inspiration fra krybdyrerne, med deres gecko-adhæsiv, som allerede testes på den Internationale Rumstation. Imens viser Boston Dynamics’ RiSE-robot, med sine gecko-inspirerede fødder, præcis hvordan naturens genialitet kan bruges til fantastiske opfindelser og produkter.

Lad os derfor se på et par virksomheder, der har designet og udviklet produkter, som er inspireret af naturen:

#1. Velcro Industries

Tilbage i 1941 opfandt den schweiziske ingeniør og entreprenør George de Mestral Velcro, et gennembrud inspireret af de burrer, han fandt på sig selv og sin hund. Da han undersøgte burren under et mikroskop, opdagede han en simpel men genial mekanisme: små kroge og stofsløjfer, som gjorde det muligt for burren at hæfte tæt til overflader. Dette førte ham til at efterligne burrens struktur som en potentiel fastgørelse.

Velcros mærke ALFA-LOK fastgørelser er et andet eksempel på dette, som henter inspiration fra den unikke struktur af svampe. Fastgørelsen har små kroge formet som svampenes hatte, som er små paraply-lignende toppe, der dækker og beskytter de små sporer, og på toppen af hver krog er en hat, der hjælper med at skabe en sikker lukning.

Inspiration fra naturen, som Velcro udtrykker det, har sikret babytæpper, sendt os til månen og skabt over 2.000 patenter. I dag er Velcro blevet et generisk udtryk og anvendes i en bred vifte af sektorer, herunder databehandling, sundhedspleje og bilindustrien.

#2. Sharklet Technologies 

For at bekæmpe spredning af bakterier udvikler dette firma overflader, der hæmmer væksten af bakterier og mikrober – en udvikling, der finder anvendelse i sundhedssektoren. I stedet for at stole på hårde kemikalier eller antibiotika, får disse overflader deres antibakterielle egenskaber fra deres egen struktur.

Disse overflader har en unik belægning af mikroskopiske mønstre inspireret af strukturen på hajhud. Målt til kun omkring 3 mikroner i højde og 2 mikroner i bredde, er disse mønstre uopfattelige for det blotte øje eller berøring af en finger. Firmaet udvikler flere varianter af Sharklet-mikromønstret, hvor de positive strækker sig ud fra overfladen, mens de inverse er indlejret i materialets overflade.

han opdagede, at det var arrangeret i et diamantmønster med små ribber, som forhindrer mikroorganismer i at slå sig ned på det.

#3. BioMASON

I infrastruktursektoren udnytter dette firma biomimik til at producere cement, som udgør 8 % af de globale CO2-emissioner. For at reducere byggebranchens klimaaftryk, efterhånden som efterspørgslen på cement vokser, har BioMASON ændret måden, de producerer cement på.

Firmaet, som markedsfører sin teknologi til andre virksomheder, hentede inspiration fra en af naturens mest robuste og holdbare strukturer: koralrev. Ved at efterligne den naturlige dannelse af calciumcarbonat i skaller og koralrev, anvender BioMASON en lignende proces til fremstilling af deres biocement i stedet for at opvarme kalksten for at udvinde kulstoffet.

Det har nu til formål at bruge biomimik til at skabe stærke og bæredygtige materialer til bygninger. Det inkorporerer aggregat fra minedrift affald og anvender mikroorganismer som bindemiddel for dette aggregat, idet det benytter solens varme til tørreprocessen efter rengøring. Firmaet har sikret finansiering fra Department of Defence Advanced Research Project Agency til at udvikle Engineered Living Marine Cement. Desuden er projektet MEDUSA i gang, med målet om at bygge militærklassificerede landingsbaner og strukturer i fjerntliggende områder ved hjælp af mikroorganismer.

Konklusion

Som Wang sagde, er bladlopper og andre insekter “ikke fejl; de er inspirationer.” I årevis har forskere studeret naturen og brugt den til at designe produkter, som vi har nævnt ovenfor. Gennem fortsat forskning, lovende resultater og deres efterfølgende anvendelser inden for områder som multispektral camouflage, optisk kryptering og omnidirektionelle antirefleksbelægninger, kan studier som de antireflektive bladloppe-brochosomer føre til mange teknologiske fremskridt og medføre enorme forandringer på tværs af forskellige industrier.

Klik her for at lære, hvordan robotik kan tage et cue fra naturen.