Leren van de natuur – Licht manipuleren met de hulp van sprinkhanen

Een nieuwe studie geleid door onderzoekers van de Pennsylvania State University heeft ontdekt dat de kleine deeltjes die door sprinkhanen worden uitgescheiden, die vaak in onze achtertuin voorkomen, ons kunnen helpen om technologie van de volgende generatie te bouwen. 

Onlangs gepubliceerd in de PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, waren de onderzoekers voor het eerst in staat om de complexe geometrie van de mysterieuze deeltjes, die brochosomen worden genoemd, en hoe ze licht absorberen, exact te repliceren.

Het punt is dat veel natuurlijke functionele materialen bestaan uit hiërarchische micro- en nanostructuren die integraal deel uitmaken van biologische oppervlakken. Sprinkhanen scheiden in het bijzonder brochosomen uit en gebruiken ze als inzetbare materialen op hun lichaamsoppervlakken.

Brochosomen zijn ingewikkeld gestructureerde, buckyball-vormige sferoïden met doorgangen, geproduceerd door de sprinkhaan. Ze zijn hol en nanoscopisch, wat betekent dat ze extreem klein zijn en zich op de nanometerschaal bevinden, één miljardste van een meter. Deze hydrofobe deeltjes worden door sprinkhanen uitgescheiden en gevonden op hun lichaamsoppervlak. 

Hoewel ze voor het eerst werden ontdekt tientallen jaren geleden in de jaren 1950, hebben we nog steeds geen begrip van de functionele betekenis van de brochosomengeometrie, iets wat deze studie wil veranderen.

Tak-Sing Wong, een professor in biomedische techniek en werktuigbouwkunde aan Penn State, leidde de studie. Deze toonde aan dat de doorgangen van brochosomen kunnen helpen de lichtreflectie te verminderen. Dit is het eerste biologische voorbeeld dat kortgolvige, low-pass antireflectiefunctionaliteit demonstreert, verwijzend naar een optische coating die reflectie vermindert over een bepaald bereik van kortere golflengten terwijl langere golflengten doorgelaten worden.

De unieke geometrie van brochosomen, volgens de studie, zou de ontwikkeling van bio-geïnspireerde optische materialen (fijn afgestemde en responsieve materialen geïnspireerd door natuurlijke structuren die in levende organismen worden gevonden) kunnen mogelijk maken.

Deze ontwikkeling verschilt van het anti-reflectieve motoog-effect, dat heeft geleid tot hoog effectieve coatings voor gebruik in zonnepanelen, smartphones en tabletcomputers. De ogen van motten zijn niet-reflecterend vanwege de periodieke nanoschaalstructuur van het oppervlak, waardoor invallend licht in willekeurige richtingen wordt verstrooid. Als gevolg hiervan wordt het licht, in plaats van te worden gereflecteerd, in het oog doorgelaten.

Dus bieden de brochosomen van sprinkhanen een unieke benadering voor bio-geïnspireerde optische manipulatie, met mogelijke toepassingen in coatings, onzichtbare camouflageapparaten en efficiëntere zonne-energieopwekking.

De complexe structuren van brochosomen repliceren

Gezien het beperkte begrip van de unieke geometrie van brochosomen, hun consistente aanwezigheid over verschillende sprinkhaansoorten, en de onzekerheid over hun afmetingen en doorgangen, die meestal variëren in de honderden nanometers, hebben de onderzoekers van Penn State deze studie ondernomen om deze mysteries te ontrafelen en hun betekenis voor deze soorten te verduidelijken.

Het team werkt hier nu al enkele jaren aan. In 2017 was het eigenlijk de eerste keer dat een synthetische versie van brochosomen werd ontwikkeld om een beter begrip van hun functie te krijgen.

Het maken van deze brochosomen in het laboratorium is een uitdagende taak geweest, ondanks dat wetenschappers er al zo lang van weten. Dit komt door de geometrische complexiteit van deze deeltjes. Het is ook onbekend waarom deze insecten uit de achtertuin überhaupt deeltjes uitscheiden met zulke complexe structuren.

Zelfs jaren geleden, terwijl kenmerken van brochosomen zoals de kuiltjes en hun verdeling succesvol werden nagebootst met synthetische materialen, konden onderzoekers geen exacte replica maken. Nu is het de eerste keer dat het team de exacte geometrie van de natuurlijke brochosoom heeft kunnen repliceren in een geschaalde vorm van 20.000 nanometer.

Nu, om deze complexe structuren in het laboratorium te creëren, maakte het onderzoeksteam gebruik van een geavanceerde driedimensionale printmethode. Ze maakten gebruik van twee-foton polymerisatie (2PP) 3D-printen om synthetische versies van brochosomen met hoge nauwkeurigheid te vervaardigen.

De studie merkte op dat hoewel top-3D-printers objecten kunnen maken met een resolutie van 200 nm tot 500 nm, ze niet in staat zijn de nanoschaalgeometrieën van natuurlijke brochosomen, die variëren van ongeveer 300 nm tot 600 nm, te repliceren. Daarom gebruikten ze een schaalmodeltechniek en vervaardigden vervolgens microscopische synthetische brochosomen als modelsysteem.

De synthetische brochosomen en hun doorgangen werden ontworpen met diameters van ongeveer 20 µm en 5 µm respectievelijk, om ervoor te zorgen dat de geprinte structuren veel groter waren dan de resolutie van de 3D-printer. De resulterende structuur had 12 pentagonale doorgangen en 20 hexagonale doorgangen die via een holle kern met elkaar verbonden waren. Terwijl de wanddikte van de schaal 7% van de totale diameter was, was de wanddikte van de doorgang 20%, wat de natuurlijke brochosomen nabootst.

Het gefabriceerde monster bestond verder uit een raster van 20 bij 20 synthetische brochosomen in een HCP-rooster, wat resulteerde in een verpakkingsdichtheid van ongeveer 91%. Een controlemateriaal zonder doorgangsstructuren werd ook vervaardigd.

Het team onderzocht vervolgens de optische vorm-tot-functie relatie van brochosomen, waaruit bleek dat de hiërarchische geometrieën van brochosomen zijn ontworpen binnen een smal formaatbereik met een doorvoergestructuur om de lichtreflectie aanzienlijk te verminderen.

Om te onderzoeken hoe de brochosomen interageren met infraroodlicht van verschillende golflengten, gebruikten de onderzoekers een micro-Fourier-transformatie-infraroodspectrometer (FTIR) die hen hielp te begrijpen hoe het licht door de structuren wordt gemanipuleerd.

De in het laboratorium gemaakte deeltjes bleken in staat te zijn de lichtreflectie met wel 94% te verminderen, wat een belangrijke ontdekking is aangezien dit de allereerste keer is dat een soort in de natuur wordt gezien die licht op zo’n specifieke manier controleert met behulp van holde deeltjes.

Deze ontdekking suggereert ook de sterke mogelijkheid dat sprinkhanen zichzelf bedekken met een brochosom-armor om zich te camoufleren tegen roofdieren, in plaats van de eerdere theorieën die speculeerden dat dit een manier was om zich te ontdoen van verontreinigingen en water, volgens co-auteur Wong.

Bovendien ontdekte het team dat het holle, buckyball-achtige uiterlijk van de brochosoom, samen met de grootte van de gaten, een dubbele functie heeft: het absorberen van ultraviolet (UV) licht en het verstrooien van zichtbaar licht.

Interessant genoeg is de grootte consistent gevonden over verschillende sprinkhaansoorten, ongeacht de lichaamsgrootte van het insect. Dus zijn brochosomen ongeveer 600 nanometer in diameter, en de poriën ongeveer 200 nanometer.

Deze consistentie vermindert de zichtbaarheid voor roofdieren zoals vogels en reptielen, die UV-vision hebben, door UV-licht te absorberen dankzij de grootte van de gaten. Bovendien creëert de verstrooiing van zichtbaar licht een anti-reflecterende schild tegen potentiële bedreigingen.

Klik hier om te lezen waarom 3D-printen een potentiële markt van $500 miljard is.

Geweldige potentiële toepassingen

Dus, ondersteund door het Office of Naval Research, kon de studie het antwoord vinden op de complexiteit van de structuren, en aantonen dat ze zijn ontworpen om breedbandig licht te verstrooien. Bovendien verminderden de doorgangen de lichtreflectie verder door te functioneren als kortgolvige, low-pass filters.

Deze effecten stellen brochosomen in staat om een reductie van 80 tot 94% in speculaire reflectie te bereiken over een breedbandig golflengtebereik. Deze bevindingen, volgens Lin Wang, de hoofd auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker in werktuigbouwkunde, “kunnen zeer nuttig zijn voor technologische innovatie”.

Het hebben van een nieuwe manier om de reflectie van licht op een oppervlak te reguleren kan wetenschappers in staat stellen de thermische handtekeningen van zowel machines als mensen te verbergen. Wang postuleert dat we op een dag de trucjes van sprinkhanen kunnen gebruiken om een thermisch onzichtbaar mantel voor onszelf te creëren, wat veelbelovend is voor militaire en bewakingsapplicaties.

“Ons werk laat zien hoe het begrijpen van de natuur ons kan helpen moderne technologieën te ontwikkelen.”

– Wang

Enkele potentiële toepassingen van de bevindingen omvatten geavanceerde zonnebrandcrèmes om te beschermen tegen zonneschade, waardoor het risico op huidkanker wordt verminderd. Daarnaast kunnen coatings worden ontwikkeld om farmaceutische producten te beschermen tegen lichtinduced schade, waardoor de effectiviteit en duurzaamheid van gevoelige medicatie wordt verhoogd. Onderzoekers merkten ook op dat deze kennis kan leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere systemen voor het oogsten van zonne-energie.

Hoewel het team met succes exacte replica’s van natuurlijke brochosomen heeft gecreëerd, is hun werk nog lang niet voltooid. In de volgende stap zullen onderzoekers zich richten op het verbeteren van de fabricage van synthetische brochosomen om beter overeen te komen met de grootte van hun natuurlijke tegenhangers.

Het team zal ook extra toepassingen voor synthetische brochosomen verkennen, zoals in informatie-encryptie. De complexe structuren van brochosomen zouden kunnen worden geïntegreerd in een encryptiesysteem waarbij data alleen zichtbaar is onder specifieke lichtgolflengten, waardoor veilige communicatie mogelijk wordt.

Volgens Wang toont de studie de waarde van inspiratie uit de natuur, die “een goede leraar is voor wetenschappers om nieuwe geavanceerde materialen te ontwikkelen”.

Sprinkhanen zijn slechts één van de vele insectensoorten, wat slechts het begin markeert; er zijn “veel meer geweldige insecten die wachten op materiaalwetenschappers om ze te bestuderen,” voorspelt Wang, en zo zal dergelijk onderzoek “ons helpen diverse technische problemen op te lossen”.

De onderzoekers hebben een Amerikaanse voorlopige octrooi aangevraagd voor hun werk, waaraan ook Zhuo Li, een doctoraatskandidaat in werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University, en Sheng Shen, een professor in werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University, hebben bijgedragen.

Producten geïnspireerd door succesvolle natuur-reverse-engineering 

De studie toont de grote implicaties van leren van de natuur. Maar dit is geen nieuw fenomeen; mensen zijn sinds het begin der tijden door de natuur geïnspireerd.

Historisch gezien proportioneerden de oude Grieken hun gebouwen volgens de gulden snede. In de 19e eeuw maakten Spaanse kolonisten in Colorado gebruik van de diepte van de holen van Columbian bosmarmotten om hun huizen boven de grond te bouwen. Meer recentelijk hebben wetenschappers zelfs de balanceringssystemen van insecten zoals kakkerlakken reverse-engineerd om stabielere robots te ontwerpen.

Gecko’s zijn in het bijzonder een grote inspiratiebron geweest in de robotica-industrie. Ingenieurs aan de Universiteit van Waterloo bestudeerden het grijpend vermogen van gecko’s en de efficiënte voortbeweging van rupsachtigen om een klein robotje te creëren dat naar verwachting artsen zal helpen bij operaties.

De Max Planck-groep streeft ernaar de inzichten verkregen uit de harde landingen van gecko’s te benutten om robotische luchtvoertuigen te helpen bij meer gedisciplineerde perchings. Zelfs NASA haalt inspiratie uit de reptielen, met zijn gecko-plak die al wordt getest op het International Space Station. Ondertussen toont de RiSE-robot van Boston Dynamics, met zijn gecko-geïnspireerde poten, hoe de genialiteit van de natuur kan worden gebruikt voor geweldige uitvindingen en producten.

Laten we dus een paar bedrijven bekijken die producten hebben ontworpen en ontwikkeld die geïnspireerd zijn door de natuur:

#1. Velcro Industries

In 1941 vond de Zwitserse ingenieur en ondernemer George de Mestral Velcro uit, een doorbraak geïnspireerd door de stekels die hij op zichzelf en zijn hond vond. Bij het onderzoeken van de stekel onder een microscoop ontdekte hij een eenvoudig maar ingenieus mechanisme: kleine haken en stoffen lussen die de stekel stevig aan oppervlakken lieten hechten. Dit bracht hem ertoe de structuur van de stekel te repliceren als een potentiële sluiting. 

Velcro’s merk ALFA-LOK sluitingen zijn een ander voorbeeld hiervan, geïnspireerd door de unieke structuur van paddenstoelen. De sluiting heeft kleine haken gevormd als paddenstoelenhoeden, kleine parasolachtige toppen die kleine sporen bedekken en beschermen, en bovenop elke haak zit een kap om een stevige sluiting te creëren.  

Inspiratie uit de natuur, zoals Velcro stelt, heeft babyluierbeschermers mogelijk gemaakt, ons naar de maan gebracht, en meer dan 2.000 patenten voortgebracht. Vandaag is Velcro een generieke term geworden en wordt het gebruikt in een breed scala aan sectoren, waaronder informatica, gezondheidszorg en de auto-industrie.

#2. Sharklet Technologies 

Om de verspreiding van bacteriën te bestrijden, ontwikkelt dit bedrijf oppervlakken die de groei van bacteriën en microben remmen – een ontwikkeling die toepassingen vindt in de gezondheidszorg. In plaats van te vertrouwen op agressieve chemicaliën of antibiotica, halen deze oppervlakken hun antibacteriële eigenschappen uit hun eigen structuur.

Deze oppervlakken hebben een unieke coating van microscopische patronen geïnspireerd door de textuur van haaienhuid. Met een hoogte van ongeveer 3 micron en een breedte van 2 micron zijn deze patronen onzichtbaar voor het blote oog of de aanraking van een vinger. Het bedrijf ontwikkelt verschillende varianten van het Sharklet-micropatroon, waarbij positieve patronen uit het oppervlak uitsteken terwijl inverse patronen in het materiaaloppervlak verzonken zijn.

Het patroon ontstond toen, in 2002, professor Dr. Anthony Brennan van materiaalkunde en engineering het antwoord vond op het probleem om algen te voorkomen dat ze schepen en onderzeeërs bekleden. Bij het onderzoeken van de indruk van haaienhuid met scanning elektronenmicroscopie, hontdekte dat het was gerangschikt in een diamantpatroon met kleine ribbels die de vestiging van micro-organismen erop voorkomen.

#3. BioMASON

In de infrastructuursector maakt dit bedrijf gebruik van biomimicry om cement te produceren, dat verantwoordelijk is voor 8% van de wereldwijde CO2-uitstoot. Om de klimaatinvloed van de bouw te verminderen naarmate de vraag naar cement groeit, heeft Biomason de manier waarop het cement produceert veranderd.

Het bedrijf, dat zijn technologie aan andere bedrijven verkoopt, haalde inspiratie uit een van de meest robuuste en duurzame structuren van de natuur: koraalriffen. Door de natuurlijke vorming van calciumcarbonaat in schelpen en koraalriffen na te bootsen, hanteert Biomason een soortgelijk proces voor de productie van zijn biocement in plaats van kalksteen te verhitten om het koolstof te extraheren.

Het streeft er nu naar biomimicry te gebruiken om sterke en duurzame materialen voor gebouwen te creëren. Het incorporeert aggregaat uit mijnafval en gebruikt micro-organismen als bindmiddel voor dit aggregaat, waarbij het de warmte van de zon benut voor het droogproces nadat het is gereinigd. Het bedrijf heeft financiering verkregen van de Department of Defence Advanced Research Project Agency om Engineered Living Marine Cement te ontwikkelen. Bovendien is Project MEDUSA in gang gezet, met als doel militaire loopbanen en structuren in afgelegen gebieden te bouwen met behulp van micro-organismen.

Conclusie

Zoals Wang zei, zijn sprinkhanen en andere insecten “geen bugs; ze zijn inspiratiebronnen.” Jarenlang hebben wetenschappers de natuur bestudeerd en deze gebruikt om producten te ontwerpen, zoals hierboven vermeld. Door voortgezet onderzoek, veelbelovende resultaten en de daaropvolgende toepassingen in gebieden zoals multispectrale camouflage, optische encryptie en omnidirectionele antireflectiecoatings, kunnen studies zoals de anti-reflectieve sprinkhaan-brochosomen leiden tot talrijke technologische vooruitgangen en enorme veranderingen teweegbrengen in diverse industrieën.

Klik hier om te leren hoe robotica een aanwijzing van de natuur kan nemen.