Lära av naturen – Manipulera ljus med hjälp av bladloppor

En ny studie ledd av forskare vid Pennsylvania State University har funnit att de små partiklar som utsöndras av bladloppor, som ofta finns i våra trädgårdar, kan hjälpa oss att bygga nästa generations teknik. 

Publicerad nyligen i PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, lyckades forskarna för första gången någonsin med exakt replikering av den komplexa geometrin hos de mystiska partiklarna, som kallas brochosomer, samt hur de absorberar ljus.

Saken är att många naturliga funktionella material består av hierarkiska mikro- och nanostrukturer som är integrerade delar av biologiska ytor. Bladloppor, i synnerhet, utsöndrar brochosomer och använder dem som utskjutbara material på sina kroppsytor.

Brochosomer är intrikat strukturerade, buckyball-formade sfärer med genomgående hål som produceras av bladloppor. De är ihåliga och nanoskala, vilket betyder att de är extremt små och ligger på nanometerskalan, en miljarddel av en meter. Dessa hydrofoba partiklar utsöndras av bladloppor och finns på deras kroppsyta.

Trots att de först upptäcktes för flera decennier sedan på 1950-talet har vi fortfarande ingen förståelse för den funktionella betydelsen av brochosomernas geometri, något som denna studie syftar till att förändra.

Tak-Sing Wong, professor i biomedicinsk teknik och maskinteknik vid Penn State, ledde studien. Den fann att genomhålen i brochosomer kan hjälpa till att minska ljusreflektion. Detta markerar det första biologiska exemplet som demonstrerar kortvågs, lågpass antireflexfunktion, vilket avser en optisk beläggning som minskar reflektion över ett visst intervall av kortare våglängder samtidigt som längre våglängder släpps igenom.

Den unika geometrin hos brochosomer, enligt studien, kan möjliggöra utvecklingen av bioinspirerade optiska material (finjusterade och responsiva material inspirerade av naturliga strukturer som finns i levande organismer).

Denna utveckling skiljer sig från den antireflexiva mågöga‑effekten, som har inspirerat mycket effektiva beläggningar för användning i solpaneler, smartphones och surfplattor. Måsors ögon är icke‑reflekterande på grund av ytan’s periodiska nanoskaliga struktur, vilket får inkommande ljus att spridas i slumpmässiga riktningar. Som ett resultat, istället för att reflekteras, överförs ljuset in i ögat.

Således erbjuder bladloppornas brochosomer ett distinkt tillvägagångssätt för bioinspirerad optisk manipulation, med möjliga tillämpningar i beläggningar, osynliga kamouflageapparater och mer effektiv solenergiutvinning.

Replikering av de komplexa strukturerna hos brochosomer

Med tanke på den begränsade förståelsen av brochosomernas unika geometri, deras konsekventa förekomst över olika bladloppsarter och osäkerheten kring deras storlekar och genomhål, som vanligtvis ligger i hundratals nanometer, tog forskarna vid Penn State sig an detta studie för att avslöja dessa mysterier och klargöra deras betydelse för dessa arter.

Teamet har arbetat med detta i flera år nu. Redan 2017 var det faktiskt första gången en syntetisk version av brochosomer utvecklades för att få en bättre förståelse av deras funktion.

Att tillverka dessa brochosomer i laboratoriet har varit en utmanande uppgift trots att forskare har känt till dem så länge. Detta beror på partiklarna komplexa geometriska struktur. Det har också varit oklart varför dessa trädgårdsinsekter ens utsöndrar partiklar med så komplexa strukturer.

Redan för flera år sedan, medan brochosomernas egenskaper som fördjupningar och deras fördelning framgångsrikt efterliknades med syntetiska material, kunde forskarna inte skapa en exakt kopia. Nu är det första gången teamet har kunnat replikera den exakta geometrin av den naturliga brochosomen i en skalerad form som är 20 000 nanometer stor.

Nu, för att skapa dessa komplexa strukturer i laboratoriet, använde forskningsteamet en högteknologisk tredimensionell utskriftsmetod. De använde tvåfotonpolymerisation (2PP) 3D‑utskrift för att tillverka högprecisionssyntetiska versioner av brochosomer.

Studien noterade att även om de bästa 3D‑skrivarna kan skapa objekt med en upplösning på 200 nm till 500 nm, så räcker de inte för att replikera nanoskaliga geometrier hos naturliga brochosomer, som ligger i intervallet ~300 nm till 600 nm. Så de använde en skalningsmodellteknik och tillverkade sedan mikroskopiska syntetiska brochosomer som ett modellsystem.

De syntetiska brochosomerna och deras genomhål designades med diametrar på cirka 20 µm respektive 5 µm, för att säkerställa att de utskrivna strukturerna var mycket större än 3D‑skrivarens upplösning. Den resulterande strukturen hade 12 pentagonala genomhål och 20 hexagonala genomhål som var kopplade via en ihålig kärna. Medan skalens tjocklek var 7 % av den totala diametern, var genomhålsväggens tjocklek 20 %, vilket efterliknar de naturliga brochosomerna.

Det tillverkade provet bestod dessutom av en matris av 20 × 20 syntetiska brochosomer i ett HCP‑gitter som resulterade i en packningsdensitet på cirka 91 %. Ett kontrollprov utan genomhålsstrukturer tillverkades också.

Teamet undersökte sedan det optiska form‑till‑funktion‑förhållandet hos brochosomer, vilket visade att brochosomernas hierarkiska geometrier är konstruerade inom ett smalt storleksintervall med genomhålsarkitektur för att avsevärt minska ljusreflektion.

För att undersöka exakt hur brochosomer interagerar med infrarött ljus av olika våglängder använde forskarna en mikro‑Fouriertransform‑infraröd (FTIR) spektrometer som hjälpte dem att förstå hur ljuset manipuleras av strukturerna.

De laboratorietillverkade partiklarna visade sig kunna minska ljusreflektion med upp till 94 %, vilket är betydelsefullt eftersom det är första gången ett naturligt art har observerats kontrollera ljus på ett så specifikt sätt med hjälp av ihåliga partiklar.

Denna upptäckt antyder också en stark möjlighet att bladloppor täcker sig själva med brochosom‑rustning för att kamouflera sig och undvika rovdjur, snarare än tidigare teorier som spekulerade att detta skulle vara ett sätt att bli fria från föroreningar och vatten, enligt medförfattaren Wong.

Dessutom upptäckte teamet att den ihåliga, buckyball‑formade utseendet på brochosomen, tillsammans med storleken på dess hål, tjänar ett dubbelt syfte: att absorbera ultraviolett (UV) ljus och sprida synligt ljus.

Intressant nog har storleken visat sig vara konsekvent över bladloppsarter, oavsett insekternas kroppsstorlek. Således är brochosomer cirka 600 nanometer i diameter, och porerna är omkring 200 nanometer.

Denna konsekvens minskar synligheten för rovdjur som fåglar och reptiler, som har UV‑syn, genom att absorbera UV‑ljus som möjliggörs av hålens storlek. Dessutom skapar spridningen av synligt ljus ett antireflekterande sköld mot potentiella hot.

Klicka här för att läsa varför 3D‑utskrift är en potentiell marknad på 500 miljarder dollar.

Fantastiska potentiella tillämpningar

Så, med stöd av Office of Naval Research, kunde studien hitta svaret på strukturell komplexitet, vilket visar att de konstruerades för att förbättra bredbandsljusspridning. Dessutom minskade genomhålen ytterligare ljusreflektionen genom att fungera som kortvågs, lågpassfilter.

Dessa effekter gör att brochosomer kan uppnå en minskning av spekulär reflektion med upp till 80–94 % över ett brett våglängdsintervall. Enligt Lin Wang, huvudförfattare till studien och postdoktoral forskare i maskinteknik, “kan detta vara mycket användbart för teknologisk innovation.”

Att ha ett nytt sätt att reglera ljusreflektion på en yta kan möjliggöra för forskare att dölja de termiska signaturerna hos både maskiner och människor. Wang föreslår att vi en dag kanske kan utnyttja bladlopporna trick för att skapa en termisk osynlighetsmantel för oss själva, vilket har potential inom militära och övervakningsapplikationer.

“Vårt arbete visar hur förståelse för naturen kan hjälpa oss att utveckla modern teknik.” 

– Wang

Några potentiella tillämpningar av resultaten inkluderar avancerade solskydd för att skydda mot solskador, vilket minskar risken för hudcancer. Dessutom kan beläggningar utvecklas för att skydda läkemedel mot ljusinducerad skada, vilket förbättrar effektiviteten och hållbarheten hos känsliga mediciner. Forskare noterade också att denna kunskap kan leda till utvecklingen av mer effektiva system för insamling av solenergi.

Även om teamet framgångsrikt har skapat exakta kopior av naturliga brochosomer, är deras arbete långt ifrån avslutat. I nästa steg kommer forskarna att fokusera på att förbättra tillverkningen av syntetiska brochosomer för att närmare matcha storleken på deras naturliga motsvarigheter.

Teamet kommer också att utforska ytterligare tillämpningar för syntetiska brochosomer, såsom i informationskryptering. De komplexa strukturerna hos brochosomer kan integreras i ett krypteringssystem där data endast är synlig under specifika ljusvåglängder, vilket möjliggör säker kommunikation.

Enligt Wang visar studien värdet av att hämta inspiration från naturen, som “har varit en bra lärare för forskare att utveckla nya avancerade material.”

Bladloppor är bara en av många insektarter, vilket bara markerar början; med så “många fler fantastiska insekter som väntar på att materialforskare ska studera,” förutspår Wang att sådan forskning kommer “hjälpa oss att lösa olika ingenjörsproblem.”

Forskarna har lämnat in ett amerikanskt provisoriskt patent för sitt arbete, som också fick bidrag från Zhuo Li, doktorand i maskinteknik vid Carnegie Mellon University, och Sheng Shen, professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon University.

Produkter inspirerade av framgångsrik natur‑reverse‑engineering 

Studien visar de stora implikationerna av att lära av naturen. Men detta är inget nytt fenomen; människor har inspirerats av naturen sedan tidernas begynnelse.

Historiskt sett proportionerade de antika grekerna sina byggnader enligt det gyllene snittet. På 1800‑talet använde spanska bosättare i Colorado djupet i Columbian jordekorrets gångar för att bygga sina hem ovan jord. På senare tid har forskare till och med reverse‑engineerat balanssystemen hos insekter som kackerlackor för att designa stabilare robotar.

Geckos har i synnerhet varit en stor inspirationskälla inom robotikindustrin. Ingenjörer vid University of Waterloo studerade grekornas greppförmåga och insekternas (inchworms) effektiva lokomotion för att skapa en liten robot som förväntas hjälpa läkare att utföra operationer en dag.

Max Planck-gruppen syftar till att utnyttja insikterna från geckons hårda landningar för att hjälpa robotiska luftfarkoster att uppnå mer disciplinerade landningar. Till och med NASA tar inspiration från reptilerna, med deras gecko‑lim som redan testas på den Internationella rymdstationen. Samtidigt visar Boston Dynamics’ RiSE-robot, med sina gecko‑inspirerade fötter, hur naturens briljans kan användas för fantastiska uppfinningar och produkter.

Låt oss därför titta på ett par företag som har designat och utvecklat produkter som är inspirerade av naturen:

#1. Velcro Industries

Redan 1941 uppfann den schweiziska ingenjören och entreprenören George de Mestral Velcro, ett genombrott inspirerat av de taggar han fann på sig själv och sin hund. När han undersökte taggen under ett mikroskop upptäckte han en enkel men genial mekanism: små krokar och tygöglor som gjorde att taggen fäste tätt på ytor. Detta ledde honom till att replikera taggens struktur som en potentiell fästanordning.

Velcros varumärke ALFA-LOK-fästen är ett annat exempel på detta, som hämtar inspiration från svampars unika struktur. Fästet har små krokar formade som svamphattar, som är små paraplyliknande toppar för att täcka och skydda sporer, och på toppen av varje krok finns en hatt som hjälper till att skapa en säker förslutning.

Inspiration från naturen, enligt Velcro, har säkrat spädbarnsblöjor, skickat oss till månen och skapat över 2 000 patent. Idag har Velcro blivit ett generiskt begrepp och används i en mängd olika sektorer, inklusive datorteknik, sjukvård och bilindustrin.

#2. Sharklet Technologies 

För att bekämpa spridningen av bakterier utvecklar detta företag ytor som hämmar tillväxten av bakterier och mikrober – en utveckling som får tillämpning inom vårdmiljöer. Istället för att förlita sig på hårda kemikalier eller antibiotika får dessa ytor sina antibakteriella egenskaper från sin egen struktur.

Dessa ytor har en unik beläggning av mikroskopiska mönster inspirerade av hajhudens struktur. Mönstren är cirka 3 mikroner höga och 2 mikroner breda, vilket gör dem omärkliga för blotta ögat eller fingertoppskänsel. Företaget utvecklar flera varianter av Sharklet-mikromönstret, där de positiva sticker ut från ytan medan de inversa är nedsänkta i materialets yta.

Mönstret uppstod när, år 2002, professor i materialvetenskap och teknik Dr. Anthony Brennan fann svaret på problemet med att hålla alger borta från fartygs- och ubåtsskrov. När han undersökte avtrycket av hajhud med svepelektronmikroskop, upptäckte han att det var arrangerat i ett diamantmönster med små ribbor som förhindrar att mikroorganismer sätter sig på den.

#3. BioMASON

Inom infrastruktursektorn använder detta företag biomimik för att producera cement, som står för 8 % av de globala koldioxidutsläppen. För att minska byggsektorns klimatpåverkan i takt med att efterfrågan på cement ökar, har BioMASON förändrat sitt sätt att producera cement.

Företaget, som marknadsför sin teknik till andra företag, hämtade inspiration från en av naturens mest robusta och bestående strukturer: korallrev. Genom att efterlikna den naturliga bildningen av kalciumkarbonat i skal och korallrev använder BioMASON en liknande process för att tillverka sitt biocement istället för att värma kalksten för att extrahera dess kol.

Det syftar nu till att använda biomimik för att skapa starka och hållbara material för byggnader. Det integrerar aggregat från gruvavfall och använder mikroorganismer som bindemedel för detta aggregat, och förlitar sig på solens värme för torkningsprocessen efter att det har rengjorts. Företaget har säkrat finansiering från Department of Defence Advanced Research Project Agency för att utveckla Engineered Living Marine Cement. Dessutom pågår projektet MEDUSA, som syftar till att bygga militära landningsbanor och strukturer i avlägsna områden med hjälp av mikroorganismer.

Slutsats

Som Wang sade är bladloppor och andra insekter “inte bara insekter; de är inspirationer.” I åratal har forskare studerat naturen och använt den för att designa produkter, som vi nämnt ovan. Genom fortsatt forskning, lovande resultat och deras efterföljande tillämpningar inom områden som multispektralt kamouflage, optisk kryptering och omnikvant antireflexbeläggningar, kan studier som de antireflexiva bladlopps‑brochosomerna leda till många teknologiska framsteg och medföra enorma förändringar över olika industrier.

Klicka här för att lära dig hur robotik kan ta en ledtråd från naturen.