Oppiminen luonnosta – Valon manipulointi lehtihämähäkkien avulla

Uusi Uusi tutkimus, jonka johdossa ovat Penn State -tutkijat on havainnut, että lehtihämähäkkien erittämät pienet hiukkaset, joita löytyy yleisesti takapihaltamme, voivat auttaa meitä rakentamaan seuraavan sukupolven teknologiaa. 

Julkaistu äskettäin PANASissa, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America -lehdessä, tutkijat onnistuivat ensimmäistä kertaa tarkassa monimutkaisen geometriansa toistamisessa mystisille hiukkasille, joita kutsutaan brokososomeiksi, ja siinä miten ne absorboivat valoa.

Asia on se, että monet luonnolliset toiminnalliset materiaalit koostuvat hierarkkisista mikro- ja nanorakenteista, jotka ovat olennainen osa biologisia pintoja. Lehtihämähäkit erityisesti erittävät brokososomeja ja käyttävät niitä käyttökelpoisina materiaaleina kehon pinnoillaan.

Brokososomit ovat monimutkaisesti rakenteisia, buckyball-muotoisia sphäärejä läpikuoppauksilla, jotka lehtihämähäkit tuottavat. Ne ovat onttoja ja nanomittaisia, eli äärimmäisen pieniä nanometrin mittakaavassa, mikä on miljardisosa metristä. Nämä hydrofobiset hiukkaset erittyvät lehtihämähäkeiltä ja löytyvät niiden kehon pinnalta. 

Vaikka ne löydettiin ensimmäisen kerran 1950-luvulla, meillä ei vieläkään ole ymmärrystä brokososomien geometrian toiminnallisesta merkityksestä, jonka tämä tutkimus pyrkii muuttamaan.

Tak-Sing Wong, Penn State -yliopiston biolääketieteen ja konetekniikan professori, johti tutkimusta. Se havaitsi, että brokososomien läpikuoppaukset voivat auttaa vähentämään valon heijastusta. Tämä on ensimmäinen biologinen esimerkki, joka osoittaa lyhytaaltoisen, matalapäästön antiheijastustoiminnon, viitaten optiseen pinnoitteeseen, joka vähentää heijastusta tietyllä lyhytaaltoisen valon alueella samalla kun sallii pidempien aallonpituuksien läpäisy.

Brokososomien ainutlaatuinen geometria, tutkimuksen mukaan, voisi mahdollistaa bioinspiroitujen optisten materiaalien kehittämisen (hienosäädettyjä ja reagoivia materiaaleja, jotka ovat saaneet inspiraationsa elävien organismien luonnollisista rakenteista). 

Tämä kehitys eroaa perhos-silmän antiheijastustehosta, joka on inspiroinut erittäin tehokkaita pinnoitteita aurinkopaneeleihin, älypuhelimiin ja tablet-tietokoneisiin. Perhosten silmät ovat heijastamattomia pinnan periodisen nanoskaalan rakenteen vuoksi, mikä saa saapuvan valon siroutumaan satunnaisiin suuntiin. Tämän seurauksena valo ei heijastu, vaan kulkeutuu silmään.

Näin ollen lehtihämähäkin brokososomit tarjoavat erottuvan lähestymistavan bioinspiroituun optiseen manipulointiin, mahdollisilla sovelluksilla pinnoitteissa, näkymättömissä naamiointilaitteissa ja tehokkaammassa aurinkoenergian keräyksessä.

Brokososomien monimutkaisten rakenteiden toistaminen

Koska brokososomien ainutlaatuisen geometrian ymmärrys on rajoittunutta, niiden johdonmukainen läsnäolo eri lehtihämähäkkilajeissa ja epävarmuus niiden koosta ja läpikuoppauksista, jotka vaihtelevat yleensä sadoissa nanometreissä, Penn Statein tutkijat aloittivat tämän tutkimuksen paljastaakseen nämä mysteerit ja selventääkseen niiden merkityksen näille lajeille.

Tiimi on työskennellyt tämän parissa useita vuosia. Jo vuonna 2017 kehitettiin ensimmäinen kerta brokososomien synteettinen versio paremman toiminnan ymmärtämiseksi.

Näiden brokososomien valmistaminen laboratoriossa on ollut haastava tehtävä, vaikka tiedemiehet ovat tunteneet ne pitkään. Tämä johtuu hiukkasten geometrisesta monimutkaisuudesta. Lisäksi on ollut tuntematonta, miksi nämä takapihan hyönteiset erittävät hiukkasia, joilla on näin monimutkaiset rakenteet.

Jo vuosia sitten, vaikka brokososomien piirteitä kuten kuoppia ja niiden jakautumista onnistuttiin jäljittelemään synteettisillä materiaaleilla, tutkijat eivät pystyneet luomaan tarkkaa kopiota. Nyt on ensimmäinen kerta, kun tiimi on onnistunut toistamaan luonnollisen brokososomin tarkan geometrian mittakaavassa, jonka koko on 20 000 nanometriä.

Nyt näiden monimutkaisten rakenteiden luomiseksi laboratoriossa tutkimusryhmä käytti huipputeknistä kolmiulotteista tulostusmenetelmää. He hyödynsivät kahden fotonin polymerisaatiota (2PP) 3D-tulostusta valmistamaan tarkkoja synteettisiä versioita brokososomeista.

Tutkimus totesi, että vaikka huippuluokan 3D-tulostimet voivat luoda esineitä 200–500 nm tarkkuudella, ne eivät pysty toistamaan luonnollisten brokososomien nanoskaalan geometrioita, jotka ovat noin 300–600 nm. Siksi he käyttivät skaalausmallitekniikkaa ja valmistivat mikroskooppisia synteettisiä brokososomeja mallijärjestelmänä.

Synteettiset brokososomit ja niiden läpikuoppaukset suunniteltiin halkaisijoilla noin 20 µm ja 5 µm vastaavasti, jotta varmistetaan, että tulostetut rakenteet ovat paljon suurempia kuin 3D-tulostimen resoluutio. Tuloksena oleva rakenne sisälsi 12 pentagonista läpikuoppaa ja 20 heksagonista läpikuoppaa, jotka olivat yhteydessä onttoon ytimeen. Vaikka kuoren paksuus oli 7 % kokonaishalkaisijasta, läpikuoppauksen seinämän paksuus oli 20 %, jäljitellen luonnollisia brokososomeja.

Valmistettu näyte sisälsi lisäksi 20 × 20 synteettistä brokososomia HCP-ristikon muodossa, mikä johti pakkaustiheyteen noin 91 %. Myös kontrollinäyte, jossa ei ollut läpikuopparakenteita, valmistettiin.

Tiimi tutki sitten brokososomien optista muoto-funktio -suhdetta, joka osoitti, että brokososomien hierarkkiset geometrat on suunniteltu kapeassa kokovälissä läpikuopparakenteella merkittävästi vähentämään valon heijastusta.

Tutkiakseen, miten brokososomit vuorovaikuttavat eri aallonpituuksien infrapunasäteilyn kanssa, tutkijat käyttivät mikro-Fourier’n transform -infrapunaspektrometriä (FTIR), joka auttoi ymmärtämään, miten rakenteet manipuloivat valoa.

Laboratoriossa valmistetut hiukkaset pystyivät vähentämään valon heijastusta jopa 94 %, mikä on merkittävä saavutus, sillä tämä on ensimmäinen kerta, kun luonnon laji on nähty hallitsevan valoa näin erityisellä tavalla käyttämällä onttoja hiukkasia.

Tämä löytö viittaa myös vahvaan mahdollisuuteen, että lehtihämähäkit peittävät itsensä brokososomi-aseistuksella naamioituakseen saalistajilta, sen sijaan että aiemmat teoriat olisivat viitanneet siihen, että ne tekevät näin päästäkseen eroon epäpuhtauksista ja vedestä, kuten co-author Wong on todennut.

Lisäksi tiimi havaitsi, että ontto, buckyball-muotoinen ulkonäkö brokososomissa sekä sen reikien koko palvelevat kaksinkertaista tarkoitusta: UV-valon absorptio ja näkyvän valon sironta.

Mielenkiintoista on, että koko on havaittu olevan johdonmukainen lehtihämähäkkilajien välillä riippumatta hyönteisen ruumiin koosta. Brokososomit ovat noin 600 nanometriä halkaisijaltaan, ja niiden huokoset noin 200 nanometriä.

Tämä johdonmukaisuus vähentää näkyvyyttä saalistajille, kuten linnuille ja matelijoille, joilla on UV-näkökyky, absorboimalla UV-valoa, jonka koko mahdollistaa. Lisäksi näkyvän valon sironta luo antiheijastavan suojan mahdollisia uhkia vastaan.

Klikkaa tästä lukeaksesi, miksi 3D-tulostus on potentiaalinen 500 miljardia dollaria markkina.

Upeita mahdollisia sovelluksia

Joten, Navyn (Office of Naval Research) tukemana, tutkimus pystyi löytämään rakenteiden monimutkaisuuden vastauksen, osoittaen, että ne on suunniteltu laajakaistaisen valon sironnan tehostamiseksi. Lisäksi läpikuoppaukset vähensivät valon heijastusta toimien lyhytaaltoisina matalapäästön suodattimina.

Nämä vaikutukset mahdollistavat brokososomien saavuttaa 80–94 % vähennys spekulaarisessa heijastuksessa laajakaistaisella aallonpituusalueella. Nämä havainnot, Lin Wangin, tutkimuksen pääkirjoittajan, joka on postdoc-mekaniikan tutkija, mukaan, “voivat olla erittäin hyödyllisiä teknologisessa innovaatiossa.” 

Uuden tavan hallita valon heijastusta pinnalla avulla voi mahdollistaa tutkijoille lämmön allekirjoituksen piilottamisen sekä koneista että ihmisistä. Wang ennustaa, että joskus voimme jopa hyödyntää lehtihämähäkkien temppuja luodaksemme lämpöä piilottavan naamion itsellemme, mikä tarjoaa mahdollisuuksia sotilas- ja valvontasovelluksiin.

“Työmme osoittaa, miten luonnon ymmärtäminen voi auttaa meitä kehittämään moderneja teknologioita.” 

– Wang

Joitakin mahdollisia sovelluksia löydöksille ovat kehittyneet aurinkosuojat, jotka suojaavat auringon vaurioilta ja vähentävät ihosyövän riskiä. Lisäksi pinnoitteita voidaan kehittää suojaamaan lääkkeitä valon aiheuttamalta vauriolta, parantaen herkkien lääkkeiden tehokkuutta ja kestävyyttä. Tutkijat myös huomauttivat, että tämä tieto voi johtaa tehokkaampien aurinkoenergian keräysjärjestelmien kehittämiseen.

Vaikka tiimi on onnistunut luomaan tarkat kopiot luonnollisista brokososomeista, heidän työnsä ei ole vielä valmis. Seuraavassa vaiheessa tutkijat keskittyvät parantamaan synteettisten brokososomien valmistusta, jotta ne vastaavat tarkemmin luonnollisten vastineiden kokoa.

Tiimi tutkii myös lisäsovelluksia synteettisille brokososomeille, kuten tietojen salaus. Brokososomien monimutkaiset rakenteet voitaisiin integroida salausjärjestelmään, jossa data on näkyvissä vain tietyillä valon aallonpituuksilla, mahdollistaen turvallisen viestinnän.

Wangin mukaan tutkimus osoittaa, että luonnosta ammentaminen on arvokasta, sillä “luonto on ollut hyvä opettaja tutkijoille kehitettäessä uusia edistyneitä materiaaleja.”

Lehtihämähäkit ovat vain yksi monista hyönteislajeista, mikä merkitsee vasta alkua; niin “monet muutkin hämmästyttävät hyönteiset odottavat materiaalitieteilijöitä tutkimaan”, Wang ennustaa, että tällainen tutkimus “auttaa meitä ratkaisemaan erilaisia insinöörihaasteita.”

Tutkijat ovat jättäneet Yhdysvaltain väliaikaisen patentin työstään, johon ovat osallistuneet myös Zhuo Li, koneenrakennuksen tohtorikandidaatti Carnegie Mellon -yliopistosta, ja Sheng Shen, koneenrakennuksen professori Carnegie Mellon -yliopistosta.

Luonnosta menestyksekkäästi käänteistekniikalla inspiroituneet tuotteet 

Tutkimus osoittaa, että luonnosta oppiminen on merkittävää. Mutta tämä ei ole uusi ilmiö; ihmiset ovat ammentaneet inspiraatiota luonnosta alusta asti.

Historiallisesti antiikin kreikkalaiset mitoittivat rakennuksensa kultaisella leikkauksella. 1800-luvulla espanjalaiset asukkaat Coloradossa hyödynsivät Kolumbian maankurjen kaivosten syvyyksiä rakentaakseen kotejaan maanpinnan yläpuolelle. Viime aikoina tutkijat ovat jopa käänteistekijöineen kääntäneet hyönteisten, kuten torakoiden, tasapainojärjestelmiä suunnitellakseen vakaampia robotteja.

Geckot ovat erityisesti olleet suuri inspiraation lähde robotiikkateollisuudessa. Waterloo-yliopiston insinöörit tutkivat geckoiden kiinnittymiskykyä ja senttimetriä tehokasta liikkumista luodakseen pienen robotin, jonka odotetaan auttavan lääkäreitä suorittamaan leikkauksia tulevaisuudessa.

Max Planck -ryhmä pyrkii hyödyntämään geckoiden kovien laskeutumisten tarjoamia oivalluksia auttaakseen robottien ilmailuajoneuvoja saavuttamaan tarkempaa laskeutumista. NASAkin ammentaa inspiraatiota matelijoista, ja sen gecko-kiinnitystä on testattu Kansainvälisellä avaruusasemalla. Samaan aikaan Boston Dynamicsin RiSE-robotti, gecko-inspiroituneilla jaloilla, osoittaa, kuinka luonnon nerokkuutta voidaan käyttää hämmästyttäviin keksintöihin ja tuotteisiin.

Katsotaanpa muutamia yrityksiä, jotka ovat suunnitelleet ja kehittäneet tuotteita, jotka ovat inspiroituneet luonnosta:

#1. Velcro Industries

Vuonna 1941 sveitsiläinen insinööri ja yrittäjä George de Mestral keksi Velcron, läpimurron, joka sai inspiraationsa piikkipisteistä, joita hän löysi itseltään ja koiraltaan. Tutkiessaan piikkiä mikroskoopilla hän havaitsi yksinkertaisen, mutta nerokkaan mekanismin: pienet koukut ja kankaan silmukat, jotka mahdollistivat piikin tiukan kiinnittymisen pintoihin. Tämä johti hänet jäljittelemään piikin rakennetta mahdollisena kiinnityksenä.

Velcron ALFA-LOK -kiinnittimet ovat toinen esimerkki tästä, ne ammentavat inspiraatiota sienten ainutlaatuisesta rakenteesta. Kiinnittimessä on pienet koukut, jotka muistuttavat sienten lakkeja – pieniä sateenvarjomainen päitä, jotka suojaavat pieniä itiöitä, ja jokaisen koukun yläosassa on lakkinen, joka auttaa luomaan turvallisen sulun.

Luonnosta ammennettu inspiraatio, kuten Velcro toteaa, on turvannut vauvanvaipat, vienyt meidät kuuhun ja luonut yli 2 000 patenttia. Nykyään Velcro on yleistynyt generiseksi termiksi ja sitä käytetään laajasti eri sektoreilla, kuten tietotekniikassa, terveydenhuollossa ja autoteollisuudessa.

#2. Sharklet Technologies 

Taistellakseen bakteerien leviämistä vastaan, tämä yritys kehittää pintoja, jotka estävät bakteerien ja mikrobien kasvua – kehitys, jolla on sovelluksia terveydenhuollossa. Sen sijaan, että luotettaisiin kovien kemikaalien tai antibioottien käyttöön, nämä pinnat saavat antibakteeriset ominaisuutensa rakenteestaan.

Nämä pinnat sisältävät ainutlaatuisen mikroskooppisen kuvion, joka on inspiroitu haikaran ihon tekstuurista. Kuvio on noin 3 mikronia korkea ja 2 mikronia leveä, ja se on silmän tai sormen kosketuksen ulottumattomissa. Yritys kehittää useita Sharklet-mikrokuvioita, joista positiiviset nousevat pinnasta, kun taas käänteiset ovat upotettuja materiaalin pintaan.

hhän löysi, että se oli järjestetty timanttikuviona, jossa on pieniä riblettejä, jotka estävät mikro-organismien asettumisen siihen.

#3. BioMASON

Infrastruktuurialalla tämä yritys hyödyntää biomimetiikkaa sementin tuotannossa, joka vastaa 8 % maailman hiilidioksidipäästöistä. Rakentamisen ilmastovaikutuksen vähentämiseksi sementin kysynnän kasvaessa, BioMASON on muuttanut sementin valmistustapaansa.

Yritys, joka markkinoi teknologiaansa muille yrityksille, ammensi inspiraatiota yhden luonnon kestävimistä ja vahvimmista rakenteista: koralliriutoista. Jäljittelemällä kalsiumkarbonaatin luonnollista muodostumista kuorissa ja koralliriutoissa, BioMASON käyttää samanlaista prosessia biosementin valmistukseen sen sijaan, että kuoraisi kalkkikiveä hiilen erottamiseksi.

Se pyrkii nyt käyttämään biomimetiikkaa luodakseen vahvoja ja kestäviä rakennusmateriaaleja. Se sisällyttää kaivosjätteestä peräisin olevan aggregaatin ja käyttää mikro-organismeja tämän aggregaatin sideaineena, luottaen auringon lämpöön kuivatusprosessissa puhdistuksen jälkeen. Yritys on saanut rahoitusta Yhdysvaltain puolustusministeriön Advanced Research Projects Agency (DARPA) -ohjelmasta kehittääkseen suunnitellun elävän merisementin. Lisäksi projekti MEDUSA on käynnissä, jonka tavoitteena on rakentaa sotilasluokan kiitotiet ja rakenteita syrjäisille alueille mikro-organismeja hyödyntäen.

Yhteenveto

Kuten Wang totesi, lehtihämähäkit ja muut hyönteiset “eivät ole vain hyönteisiä; ne ovat inspiraatioita.” Vuosien ajan tutkijat ovat opiskelleet luontoa ja hyödyntäneet sitä tuotteiden suunnittelussa, kuten yllä on mainittu. Jatkuvan tutkimuksen, lupaavien tulosten ja niiden myöhempien sovellusten, kuten monispektrisen naamion, optisen salauksen ja kaikkisuuntaisten antiheijastuspäällysteiden, avulla antiheijastavat lehtihämähäkin brokososomit voivat johtaa moniin teknologisiin edistysaskeliin ja aiheuttaa merkittäviä muutoksia eri teollisuudenaloilla.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten robotiikka voi ammentaa inspiraatiota luonnosta.