Belajar dari Alam – Memanipulasi Cahaya dengan Bantuan Leafhopper

Sebuah studi baru yang dipimpin oleh peneliti di Pennsylvania State University telah menemukan bahwa partikel kecil yang disekresikan oleh leafhopper, yang umum ditemukan di halaman belakang kita, dapat membantu kita membangun teknologi generasi berikutnya. 

Dipublikasikan baru-baru ini di PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, para peneliti, untuk pertama kalinya, berhasil mereplikasi secara tepat geometri kompleks partikel misterius yang disebut brochosomes, serta cara mereka menyerap cahaya.

Faktanya, banyak material fungsional alami terdiri dari struktur mikro- dan nano‑hierarkis yang merupakan bagian integral dari permukaan biologis. Leafhopper, khususnya, mengeluarkan brochosomes dan menggunakannya sebagai material yang dapat dideploy pada permukaan tubuh mereka.

Brochosomes adalah sferoid berbentuk bola buckyball yang rumit dengan lubang‑lubang, diproduksi oleh leafhopper. Mereka berongga dan nanoskopik, artinya sangat kecil dan berada pada skala nanometer, yaitu satu miliar meter. Partikel hidrofobik ini disekresikan oleh leafhopper dan ditemukan pada permukaan tubuh mereka. 

Meskipun pertama kali ditemukan beberapa dekade yang lalu pada tahun 1950‑an, kami masih belum memahami signifikansi fungsional geometri brochosomes, sesuatu yang ingin diubah oleh studi ini.

Tak‑Sing Wong, seorang profesor teknik biomedis dan teknik mesin di Penn State, memimpin studi ini. Ia menemukan bahwa lubang‑lubang pada brochosomes dapat membantu mengurangi refleksi cahaya. Ini menandai contoh biologis pertama yang menunjukkan fungsi antirefleksi low‑pass pada panjang gelombang pendek, yang mengacu pada lapisan optik yang mengurangi refleksi pada rentang panjang gelombang pendek tertentu sambil memungkinkan panjang gelombang yang lebih panjang melewatinya.

Geometri unik brochosomes, menurut studi tersebut, dapat memungkinkan pengembangan material optik yang terinspirasi secara bio (material yang disetel halus dan responsif yang terinspirasi oleh struktur alami yang ditemukan pada organisme hidup). 

Pengembangan ini berbeda dari efek mata ngengat antireflektif, yang telah menginspirasi lapisan sangat efektif untuk digunakan pada panel surya, smartphone, dan tablet. Mata ngengat tidak memantulkan cahaya karena struktur periodik nanoskalanya, menyebabkan cahaya yang datang tersebar ke arah acak. Akibatnya, alih‑alih dipantulkan, cahaya ditransmisikan ke dalam mata.

Jadi, brochosomes leafhopper menyediakan pendekatan yang berbeda untuk manipulasi optik yang terinspirasi secara bio, dengan kemungkinan aplikasi pada pelapisan, perangkat kamuflase tak terlihat, dan pemanenan energi surya yang lebih efisien.

Mereplikasi Struktur Kompleks Brochosomes

Mengingat pemahaman yang terbatas tentang geometri unik brochosomes, kehadirannya yang konsisten di berbagai spesies leafhopper, dan ketidakpastian mengenai ukuran dan lubang‑lubangnya, yang biasanya berkisar ratusan nanometer, peneliti di Penn State melakukan studi ini untuk mengungkap misteri ini dan menjelaskan signifikansinya bagi spesies tersebut.

Tim telah mengerjakan ini selama beberapa tahun. Pada tahun 2017, sebenarnya pertama kali versi sintetis brochosomes dikembangkan untuk memahami fungsi mereka dengan lebih baik.

Membuat brochosomes ini di laboratorium telah menjadi tugas yang menantang meskipun ilmuwan telah mengetahui tentang mereka sejak lama. Hal ini disebabkan oleh kompleksitas geometris partikel‑partikel tersebut. Juga belum diketahui mengapa serangga halaman belakang ini bahkan mengsekresikan partikel dengan struktur yang begitu kompleks.

Bahkan beberapa tahun yang lalu, meskipun fitur brochosomes seperti cekungan dan distribusinya berhasil ditiru menggunakan material sintetis, peneliti belum dapat membuat replika yang tepat. Sekarang, untuk pertama kalinya tim berhasil mereplikasi geometri tepat brochosome alami dalam bentuk skala 20.000 nanometer.

Sekarang, untuk menciptakan struktur kompleks ini di laboratorium, tim penelitian menggunakan metode pencetakan tiga dimensi berteknologi tinggi. Mereka memanfaatkan pencetakan 3D dua‑foton (2PP) untuk membuat versi sintetis brochosomes dengan fidelitas tinggi.

Studi mencatat bahwa meskipun printer 3D teratas dapat membuat objek dengan resolusi 200 nm hingga 500 nm, mereka tidak mampu mereplikasi geometri nanoskalanya brochosomes alami, yang berada dalam kisaran ~300 nm hingga 600 nm. Jadi, mereka menggunakan teknik model skala dan kemudian memproduksi brochosomes sintetis mikroskopik sebagai sistem model.

Brochosomes sintetis dan lubang‑lubangnya dirancang dengan diameter sekitar 20 µm dan 5 µm, masing‑masing, untuk memastikan struktur yang dicetak jauh lebih besar daripada resolusi printer 3D. Struktur yang dihasilkan memiliki 12 lubang pentagonal dan 20 lubang heksagonal yang terhubung melalui inti berongga. Sementara ketebalan cangkang adalah 7% dari diameter keseluruhan, ketebalan dinding lubang adalah 20%, meniru brochosomes alami.

Sampel yang difabrikasi selanjutnya terdiri dari susunan 20 × 20 brochosomes sintetis dalam kisi HCP yang menghasilkan kepadatan pengemasan sekitar 91%. Sampel kontrol yang tidak memiliki struktur lubang juga difabrikasi.

Tim kemudian memeriksa hubungan bentuk‑ke‑fungsi optik brochosomes, yang menunjukkan bahwa geometri hierarkis brochosomes dirancang dalam rentang ukuran sempit dengan arsitektur lubang untuk secara signifikan mengurangi refleksi cahaya.

Untuk menyelidiki bagaimana brochosomes berinteraksi dengan cahaya inframerah pada panjang gelombang yang berbeda, peneliti menggunakan spektrometer inframerah transformasi Fourier mikro (FTIR) yang membantu mereka memahami bagaimana cahaya dimanipulasi oleh struktur tersebut.

Partikel buatan laboratorium ditemukan dapat mengurangi refleksi cahaya hingga 94%, yang merupakan hal penting karena ini merupakan pertama kalinya spesies dalam alam terlihat mengendalikan cahaya dengan cara khusus menggunakan partikel berongga.

Penemuan ini juga menunjukkan kemungkinan kuat bahwa leafhopper melapisi diri mereka dengan armor brochosome untuk menyamarkan diri dari predator, alih‑alih teori sebelumnya yang menyatakan hal ini sebagai cara untuk bebas dari kontaminan dan air, menurut co‑author Wong.

Selain itu, tim menemukan bahwa penampilan berongga berbentuk bola buckyball dari brochosome, bersama ukuran lubangnya, berfungsi ganda untuk menyerap cahaya ultraviolet (UV) dan menyebarkan cahaya tampak.

Menariknya, ukuran ini ditemukan konsisten di seluruh spesies leafhopper, terlepas dari ukuran tubuh serangga. Jadi, brochosomes berdiameter sekitar 600 nanometer, dan pori‑porinya sekitar 200 nanometer.

Konsistensi ini mengurangi keterlihatan bagi predator seperti burung dan reptil, yang memiliki penglihatan UV, dengan menyerap cahaya UV yang difasilitasi oleh ukuran lubang. Selain itu, penyebaran cahaya tampak menciptakan perisai antirefleksi terhadap ancaman potensial.

Klik di sini untuk membaca mengapa pencetakan 3D merupakan pasar potensial $500B.

Aplikasi Potensial yang Menakjubkan

Jadi, didukung oleh Office of Naval Research, studi ini berhasil menemukan jawaban atas kompleksitas struktur, menunjukkan bahwa mereka dirancang untuk meningkatkan penyebaran cahaya broadband. Selain itu, lubang‑lubang tersebut lebih lanjut mengurangi refleksi cahaya dengan berfungsi sebagai filter low‑pass pada panjang gelombang pendek.

Efek‑efek ini memungkinkan brochosomes mencapai pengurangan refleksi spekular hingga 80 hingga 94% di seluruh rentang panjang gelombang broadband. Temuan ini, menurut Lin Wang, penulis utama studi yang merupakan peneliti pascadoktoral di bidang teknik mesin, “dapat sangat berguna untuk inovasi teknologi.”

Memiliki cara baru untuk mengatur refleksi cahaya pada permukaan dapat memungkinkan ilmuwan menyembunyikan tanda termal baik mesin maupun manusia. Wang berhipotesis bahwa suatu hari kita bahkan dapat memanfaatkan trik leafhopper untuk menciptakan jubah tak terlihat termal bagi diri kita sendiri, yang menjanjikan dalam aplikasi militer dan pengawasan.

“Pekerjaan kami menunjukkan bagaimana pemahaman alam dapat membantu kami mengembangkan teknologi modern.” 

– Wang

Beberapa aplikasi potensial dari temuan ini termasuk tabir surya canggih untuk melindungi dari kerusakan akibat sinar matahari, mengurangi risiko kanker kulit. Selain itu, pelapisan dapat dikembangkan untuk melindungi farmasi dari kerusakan yang dipicu cahaya, meningkatkan efektivitas dan daya tahan obat sensitif. Peneliti juga mencatat bahwa pengetahuan ini dapat mengarah pada pengembangan sistem pemanenan energi surya yang lebih efisien.

Meskipun tim telah berhasil menciptakan replika tepat brochosomes alami, pekerjaan mereka masih jauh dari selesai. Pada langkah berikutnya, peneliti akan fokus pada peningkatan fabrikasi brochosomes sintetis agar lebih mendekati ukuran counterpart alami mereka.

Tim juga akan mengeksplorasi aplikasi tambahan untuk brochosomes sintetis, seperti dalam enkripsi informasi. Struktur kompleks brochosomes dapat diintegrasikan ke dalam sistem enkripsi di mana data hanya terlihat pada panjang gelombang cahaya tertentu, memungkinkan komunikasi yang aman.

Menurut Wang, studi ini menunjukkan nilai mengambil inspirasi dari alam, yang “telah menjadi guru yang baik bagi ilmuwan untuk mengembangkan material maju yang baru.”

Leafhopper hanyalah salah satu dari banyak spesies serangga, menandai hanya permulaan; dengan begitu “banyak lagi serangga menakjubkan di luar sana yang menunggu ilmuwan material untuk mempelajarinya,” Wang memperkirakan bahwa penelitian semacam itu akan “membantu kami memecahkan berbagai masalah teknik.”

Para peneliti telah mengajukan paten provisional AS untuk pekerjaan mereka, yang juga melibatkan kontribusi dari Zhuo Li, kandidat doktoral teknik mesin di Carnegie Mellon University, dan Sheng Shen, profesor teknik mesin di Carnegie Mellon University.

Produk yang Terinspirasi oleh Rekayasa Balik Alam yang Sukses

Studi ini menunjukkan implikasi besar belajar dari alam. Namun ini bukan fenomena baru; manusia telah terinspirasi oleh alam sejak zaman dahulu.

Secara historis, orang Yunani kuno menyesuaikan bangunan mereka menurut rasio emas. Pada abad ke‑19, pemukim Spanyol di Colorado memanfaatkan kedalaman liang tanah tupai Kolombia untuk membangun rumah mereka di atas tanah. Baru‑baru ini, ilmuwan bahkan telah merekayasa balik sistem keseimbangan serangga seperti kecoa untuk merancang robot yang lebih stabil.

Khususnya, cicak telah menjadi sumber inspirasi besar dalam industri robotika. Insinyur di University of Waterloo memelajari kemampuan cengkeram cicak dan cacing tanah yang efisien untuk menciptakan robot kecil yang diharapkan dapat membantu dokter melakukan operasi suatu hari nanti. 

Kelompok Max Planck bertujuan memanfaatkan wawasan yang diperoleh dari pendaratan keras cicak untuk membantu kendaraan udara robotik melakukan pendaratan yang lebih disiplin. Bahkan NASA mengambil inspirasi dari reptil tersebut, dengan perekat cicak mereka yang sudah diuji di Stasiun Luar Angkasa Internasional. Sementara itu, robot RiSE milik Boston Dynamics, dengan kaki yang terinspirasi cicak, menunjukkan betapa kecemerlangan alam dapat digunakan untuk penemuan dan produk menakjubkan.

Jadi, mari kita lihat beberapa perusahaan yang telah merancang dan mengembangkan produk yang terinspirasi oleh alam:

#1. Velcro Industries

Pada tahun 1941, insinyur dan pengusaha Swiss George de Mestral menemukan Velcro, sebuah terobosan yang terinspirasi oleh duri yang menempel pada dirinya dan anjingnya. Saat memeriksa duri tersebut di bawah mikroskop, ia menemukan mekanisme sederhana namun cerdas: kait kecil dan loop kain yang memungkinkan duri menempel erat pada permukaan. Hal ini membuatnya meniru struktur duri sebagai pengikat potensial. 

Pengikat merek ALFA‑LOK milik Velcro adalah contoh lain, yang terinspirasi dari struktur unik jamur. Pengikat ini memiliki kait kecil berbentuk topi jamur, yang merupakan penutup seperti payung kecil untuk melindungi spora kecil, dan di bagian atas setiap kait terdapat topi untuk membantu menciptakan penutupan yang aman.  

Inspirasi dari alam, seperti yang dikatakan Velcro, telah mengamankan popok bayi, mengirim kami ke bulan, dan menciptakan lebih dari 2.000 paten. Hari ini, Velcro telah menjadi istilah umum dan digunakan dalam berbagai sektor, termasuk komputasi, perawatan kesehatan, dan industri otomotif.

#2. Sharklet Technologies 

Untuk memerangi penyebaran bakteri, perusahaan ini mengembangkan permukaan yang menghambat pertumbuhan bakteri dan mikroba—sebuah pengembangan yang menemukan aplikasi di lingkungan perawatan kesehatan. Alih‑alih mengandalkan bahan kimia keras atau antibiotik, permukaan ini memperoleh sifat antibakterinya dari struktur itu sendiri.

Permukaan ini menampilkan lapisan unik pola mikroskopis yang terinspirasi dari tekstur kulit hiu. Dengan tinggi sekitar 3 mikron dan lebar 2 mikron, pola ini tidak terlihat oleh mata telanjang atau sentuhan jari. Perusahaan mengembangkan beberapa variasi micropattern Sharklet, dengan pola positif menonjol dari permukaan sementara pola invers terbenam ke dalam material.

Polanya muncul ketika, pada tahun 2002, profesor ilmu material dan teknik Dr. Anthony Brennan menemukan solusi untuk masalah alga yang menutupi lambung kapal dan kapal selam. Saat memeriksa jejak kulit hiu dengan mikroskop elektron pemindaian, ia menemukan bahwa pola tersebut tersusun dalam pola berlian dengan riblet kecil yang mencegah penempatan mikroorganisme di atasnya.

#3. BioMASON

Di sektor infrastruktur, perusahaan ini memanfaatkan biomimikri untuk memproduksi semen, yang menyumbang 8% emisi karbon dioksida global. Untuk mengurangi dampak iklim konstruksi seiring permintaan semen meningkat, Biomason mengubah cara produksi semen.

Perusahaan, yang memasarkan teknologinya ke perusahaan lain, mengambil inspirasi dari salah satu struktur alam yang paling kuat dan tahan lama: terumbu karang. Meniru pembentukan alami kalsium karbonat dalam cangkang dan terumbu karang, Biomason mengadopsi proses serupa untuk memproduksi biosemen alih‑alih memanaskan batu kapur untuk mengekstrak karbon.

Sekarang mereka bertujuan menggunakan biomimikri untuk menciptakan material kuat dan berkelanjutan untuk bangunan. Mereka menggabungkan agregat dari limbah tambang dan menggunakan mikroorganisme sebagai agen pengikat untuk agregat ini, mengandalkan panas matahari untuk proses pengeringan setelah dibersihkan. Perusahaan telah memperoleh pendanaan dari Departemen Pertahanan Advanced Research Project Agency untuk mengembangkan Engineered Living Marine Cement. Selanjutnya, Proyek MEDUSA sedang berlangsung, bertujuan membangun landasan pacu dan struktur kelas militer di daerah terpencil menggunakan mikroorganisme.

Kesimpulan

Seperti yang dikatakan Wang, leafhopper dan serangga lain “bukan hanya kutu; mereka adalah inspirasi.” Selama bertahun‑tahun, ilmuwan telah mempelajari alam dan memanfaatkannya untuk merancang produk, seperti yang kami catat di atas. Melalui penelitian berkelanjutan, hasil yang menjanjikan, dan aplikasi selanjutnya di bidang seperti kamuflase multispektral, enkripsi optik, dan pelapisan antirefleksi omnidireksional, studi seperti brochosomes anti‑refleksi leafhopper dapat memimpin banyak kemajuan teknologi dan membawa perubahan besar di berbagai industri.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana robotika dapat mengambil petunjuk dari alam.