Pagkatuto Mula sa Kalikasan – Pagmanipula ng Liwanag Gamit ang Tulong ng mga Leafhopper

Isang bagong pag-aaral na pinamunuan ng mga mananaliksik sa Pennsylvania State University ay natuklasan na ang maliliit na particle na inilalabas ng mga leafhopper, na karaniwang matatagpuan sa ating bakuran, ay makakatulong sa atin na bumuo ng susunod na henerasyon ng teknolohiya. 

Kamakailan lamang nailathala sa PANAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, ang mga mananaliksik, sa kauna-unahang pagkakataon, ay nagtagumpay sa eksaktong pag-uulit ng kumplikadong heometriya ng mga misteryosong particle na tinatawag na brochosomes, at kung paano nila sinisipsip ang liwanag.

Ang katotohanan ay maraming likas na functional na materyales ay binubuo ng hierarchical na mikro- at nanoestruktura na mahalagang bahagi ng mga biyolohikal na ibabaw. Ang mga leafhopper, partikular, ay naglalabas ng brochosomes at ginagamit ito bilang mga deployable na materyales sa kanilang mga katawan.

Ang mga brochosome ay masalimuot na estruktura, hugis buckyball na spheroid na may mga butas na ginawa ng leafhopper. Ito ay bakante at nanoscopic, ibig sabihin napakaliit at nasa sukat na nanometer, na isang bilyon na bahagi ng metro. Ang mga hydrophobic na particle na ito ay inilalabas ng mga leafhopper at matatagpuan sa kanilang katawan.

Bagaman unang natuklasan noong dekada 1950, wala pa pa rin tayong pag-unawa sa functional na kahalagahan ng heometriya ng brochosome, isang bagay na layunin baguhin ng pag-aaral na ito.

Si Tak-Sing Wong, isang propesor ng biomedical engineering at mechanical engineering sa Penn State, ang nanguna sa pag-aaral. Natuklasan nito na ang mga butas ng brochosome ay makatutulong na mabawasan ang pagbalik ng liwanag. Ito ay nagmamarka ng kauna-unahang halimbawa sa biyolohiya na nagpapakita ng short-wavelength, low-pass antireflection functionality, na tumutukoy sa optical coating na nagbabawas ng pagbalik sa isang tiyak na hanay ng mas maiikling wavelength habang pinapayagan ang mas mahahabang wavelength na dumaan.

Ayon sa pag-aaral, ang natatanging heometriya ng mga brochosome ay maaaring magbigay-daan sa pagbuo ng mga bioinspired na optical material (maingat na tinutugma at tumutugon na mga materyales na inspirasyon ng natural na estruktura na matatagpuan sa mga buhay na organismo).

Ang pag-unlad na ito ay naiiba sa anti-reflective na epekto ng moth-eye, na nagbigay inspirasyon sa napakaepektibong mga coating para sa paggamit sa solar panel, smartphone, at tablet computer. Ang mga mata ng moth ay hindi reflective dahil sa periodic nanoscale na estruktura ng ibabaw, na nagiging sanhi ng pagkalat ng liwanag sa random na direksyon. Bilang resulta, sa halip na ma-reflect, ang liwanag ay naipapasa sa mata.

Kaya, ang mga brochosome ng leafhopper ay nagbibigay ng natatanging paraan para sa bioinspired na manipulasyon ng optika, na may posibleng aplikasyon sa mga coating, invisible cloaking device, at mas epektibong pagkuha ng enerhiya mula sa araw.

Pag-uulit ng Kumplikadong Estruktura ng Brochosomes

Dahil sa limitadong pag-unawa sa natatanging heometriya ng brochosome, ang kanilang patuloy na presensya sa iba’t ibang species ng leafhopper, at ang kawalan ng katiyakan sa kanilang sukat at mga butas, na karaniwang nasa daan-daang nanometer, ang mga mananaliksik sa Penn State ay nagsagawa ng pag-aaral na ito upang tuklasin ang mga misteryo at ilahad ang kahalagahan nito para sa mga species na ito.

Ang koponan ay nagtrabaho sa ito sa loob ng ilang taon na ngayon. Noong 2017, ito ang unang pagkakataon na nabuo ang synthetic na bersyon ng brochosomes upang mas maunawaan ang kanilang tungkulin.

Ang paggawa ng mga brochosome sa laboratoryo ay naging hamon kahit na matagal na silang kilala ng mga siyentipiko. Ito ay dahil sa heometrikal na komplikasyon ng mga particle na ito. Hindi rin alam kung bakit ang mga insekto sa bakuran ay naglalabas ng mga particle na may ganitong kumplikadong estruktura.

Makalipas ang ilang taon, habang ang mga tampok ng brochosome tulad ng mga dimples at ang kanilang distribusyon ay matagumpay na ginaya gamit ang synthetic na materyales, hindi pa nagawang lumikha ng eksaktong replika ang mga mananaliksik. Ngayon ay unang pagkakataon na nagawang tularan ng koponan ang eksaktong heometriya ng natural na brochosome sa isang scaled na anyo na may sukat na 20,000 nanometer.

Ngayon, upang lumikha ng mga kumplikadong estruktura sa laboratoryo, gumamit ang koponan ng mataas na teknolohiyang tatlong-dimensional na pag-imprenta. Ginamit nila ang two-photon polymerization (2PP) 3D printing upang gumawa ng mataas na katumpakan na synthetic na bersyon ng mga brochosome.

Ayon sa pag-aaral, habang ang mga nangungunang 3D printer ay maaaring lumikha ng mga bagay na may resolusyon na 200 nm hanggang 500 nm, hindi nila kayang tularan ang nanoscale na heometriya ng natural na brochosome, na nasa saklaw na ~300 nm hanggang 600 nm. Kaya, gumamit sila ng scaling model technique at pagkatapos ay gumawa ng microscopic synthetic brochosomes bilang isang model system.

Ang synthetic na brochosome at ang kanilang mga butas ay dinisenyo na may mga diyametro na humigit-kumulang 20 µm at 5 µm, ayon sa pagkakabanggit, upang matiyak na ang mga naka-imprentang estruktura ay mas malaki kaysa sa resolusyon ng 3D printer. Ang nagresultang estruktura ay may 12 pentagonal na butas at 20 hexagonal na butas na konektado sa pamamagitan ng isang bakanteng core. Habang ang kapal ng shell ay 7% ng kabuuang diyametro, ang kapal ng pader ng butas ay 20%, na ginagaya ang natural na brochosomes.

Ang ginawa na sample ay binubuo pa ng isang hanay ng 20 by 20 na synthetic na brochosome sa isang HCP lattice na nagresulta sa packing density na humigit-kumulang 91%. Isang control sample na walang mga butas na estruktura ay ginawa rin.

Sinuri ng koponan ang ugnayan ng anyo at function ng optika ng mga brochosome, na nagpakita na ang hierarchical na heometriya ng mga brochosome ay dinisenyo sa isang makitid na saklaw ng sukat na may arkitektura ng butas upang malaki ang pagbawas ng pagbalik ng liwanag.

Upang imbestigahan kung paano nakikipag-ugnayan ang mga brochosome sa infrared na liwanag ng iba’t ibang wavelength, gumamit ang mga mananaliksik ng Micro-Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer na tumulong sa kanila na maunawaan kung paano pinamamanipula ng mga estruktura ang liwanag.

Natuklasan na ang mga particle na ginawa sa laboratoryo ay kayang bawasan ang pagbalik ng liwanag ng hanggang 94%, na isang malaking bagay dahil ito ang kauna-unahang pagkakataon na isang species sa kalikasan ang nakitang kumokontrol ng liwanag sa ganitong partikular na paraan gamit ang bakanteng mga particle.

Ipinapahiwatig din ng pagtuklas na ito ang malakas na posibilidad na ang mga leafhopper ay nagko-coat ng kanilang sarili ng brochosome armor upang takpan ang sarili laban sa mga mandaragit, sa halip na ang mga naunang teorya na nagsasabing ito ay para maprotektahan sila mula sa kontaminasyon at tubig, ayon kay co-author Wong.

Bukod pa rito, natuklasan ng koponan na ang bakante, hugis buckyball na anyo ng brochosome, kasama ang sukat ng mga butas nito, ay may dalawang layunin: sumipsip ng ultraviolet (UV) na liwanag at mag-scatter ng nakikitang liwanag.

Kagiliw-liwan, natuklasan na ang sukat ay pare-pareho sa lahat ng species ng leafhopper, anuman ang laki ng katawan ng insekto. Kaya, ang mga brochosome ay may humigit-kumulang 600 nanometer na diyametro, at ang mga butas ay mga 200 nanometer.

Ang pagkakapare-pareho na ito ay nagpapababa ng visibility sa mga mandaragit tulad ng mga ibon at reptilya na may UV vision, sa pamamagitan ng pagsipsip ng UV na liwanag na pinadali ng laki ng mga butas. Dagdag pa, ang pag-scatter ng nakikitang liwanag ay lumilikha ng anti-reflective shield laban sa posibleng banta.

I-click dito upang basahin kung bakit ang 3D printing ay potensyal na $500B na merkado.

Kamangha-manghang Potensyal na mga Aplikasyon

Kaya, suportado ng Office of Naval Research, natuklasan ng pag-aaral ang sagot sa komplikadong estruktura, na nagpapakita na ang mga ito ay dinisenyo upang mapabuti ang broadband na pag-scatter ng liwanag. Bukod pa rito, ang mga butas ay higit pang nagbabawas ng pagbalik ng liwanag sa pamamagitan ng pag-fungsyon bilang short-wavelength, low-pass filter.

Ang mga epektong ito ay nagpapahintulot sa mga brochosome na makamit ang 80 hanggang 94% na pagbawas sa specular reflection sa buong broadband wavelength range. Ayon kay Lin Wang, ang lead author ng pag-aaral na isang postdoctoral scholar sa mechanical engineering, “maaaring maging napaka-kapaki-pakinabang ito para sa inobasyon sa teknolohiya.”

Ang pagkakaroon ng bagong paraan upang kontrolin ang pagbalik ng liwanag sa isang ibabaw ay maaaring magbigay-daan sa mga siyentipiko na itago ang thermal signature ng parehong makina at tao. Ipinapalagay ni Wang na balang araw maaari nating gamitin ang mga trick ng leafhopper upang lumikha ng thermal invisibility cloak para sa atin, na may pangako sa militar at surveillance na aplikasyon.

“Ipinapakita ng aming trabaho kung paano ang pag-unawa sa kalikasan ay makakatulong sa atin na bumuo ng makabagong teknolohiya.” 

– Wang

Ang ilang posibleng aplikasyon ng mga natuklasan ay advanced na sunscreen upang protektahan laban sa pinsala ng araw, na nagbabawas ng panganib ng skin cancer. Bukod pa rito, maaaring bumuo ng mga coating upang protektahan ang mga gamot mula sa pinsalang dulot ng liwanag, na nagpapabuti sa bisa at tibay ng sensitibong mga gamot. Napansin din ng mga mananaliksik na ang kaalaman na ito ay maaaring magdala sa pagbuo ng mas epektibong mga sistema ng pagkuha ng enerhiya mula sa araw.

Bagaman matagumpay na nakalikha ang koponan ng eksaktong replika ng natural na brochosome, malayo pa ang kanilang trabaho. Sa susunod na hakbang, magtutuon ang mga mananaliksik sa pagpapabuti ng paggawa ng synthetic na brochosome upang mas malapit na tumugma sa sukat ng kanilang natural na katapat.

Susuriin din ng koponan ang karagdagang aplikasyon para sa synthetic na brochosome, tulad ng sa encryption ng impormasyon. Ang kumplikadong estruktura ng mga brochosome ay maaaring isama sa isang encryption system kung saan ang data ay nakikita lamang sa ilalim ng tiyak na wavelength ng liwanag, na nagbibigay-daan sa secure na komunikasyon.

Ayon kay Wang, ipinapakita ng pag-aaral ang halaga ng pagkuha ng inspirasyon mula sa kalikasan, na “naging mabuting guro para sa mga siyentipiko upang bumuo ng mga bagong advanced na materyales.”

Ang mga leafhopper ay isa lamang sa maraming species ng insekto, na nagmamarka lamang ng simula; may “napakaraming kamangha-manghang insekto pa na naghihintay na pag-aralan ng mga material scientist,” inaasahan ni Wang na ang ganitong pananaliksik ay “makakatulong sa atin na lutasin ang iba’t ibang problema sa engineering.”

Ang mga mananaliksik ay nag-file ng US provisional patent para sa kanilang trabaho, na nagkaroon din ng kontribusyon mula kay Zhuo Li, isang doctoral candidate sa mechanical engineering sa Carnegie Mellon University, at kay Sheng Shen, isang propesor ng mechanical engineering sa Carnegie Mellon University.

Mga Produkto na Inspirado ng Matagumpay na Reverse-Engineering ng Kalikasan

Ipinapakita ng pag-aaral ang malalaking implikasyon ng pagkatuto mula sa kalikasan. Ngunit hindi ito isang bagong phenomenon; ang mga tao ay humihikayat mula sa kalikasan mula pa noong simula ng panahon. 

Sa kasaysayan, ang mga sinaunang Griyego ay nag-proportion ng kanilang mga gusali ayon sa golden ratio. Noong ika-19 na siglo, ang mga Kastilang maninirahan sa Colorado ay gumamit ng lalim ng mga lungga ng Columbian ground squirrel upang itayo ang kanilang mga tahanan sa itaas ng lupa. Kamakailan, ang mga siyentipiko ay nag-reverse-engineer pa nga ng mga balance system ng mga insekto tulad ng ipis upang magdisenyo ng mas matatag na mga robot. 

Ang mga gecko, partikular, ay naging malaking pinagmumulan ng inspirasyon sa industriya ng robotics. Ang mga inhinyero sa University of Waterloo nag-aral ng kakayahang kumapit ng mga gecko at inchworm na epektibong paggalaw upang lumikha ng isang maliit na robot na inaasahang makakatulong sa mga doktor sa pagsasagawa ng operasyon balang araw. 

Ang grupong Max Planck ay naglalayong gamitin ang mga insight na nakuha mula sa matitinding paglapag ng mga gecko upang matulungan ang mga robotic aerial vehicle na magsagawa ng mas disiplinadong pag-upo. Maging ang NASA ay kumukuha ng inspirasyon mula sa mga reptilya, gamit ang kanilang gecko adhesive na sinusubukan na sa International Space Station. Samantala, ang RiSE robot ng Boston Dynamics, na may mga paa na inspirasyon ng gecko, ay nagpapakita kung paano maaaring magamit ang kahusayan ng kalikasan para sa kamangha-manghang imbensyon at produkto.

Kaya, tingnan natin ang ilang kumpanya na nagdisenyo at nag-develop ng mga produktong inspirasyon ng kalikasan:

#1. Velcro Industries

Noong 1941, ang Swiss na inhinyero at negosyante na si George de Mestral ay nag-imbento ng Velcro, isang breakthrough na inspirasyon mula sa mga burr na natagpuan niya sa kanyang sarili at sa kanyang aso. Sa pagsusuri ng burr sa ilalim ng mikroskopyo, natuklasan niya ang isang simple ngunit matalinong mekanismo: maliliit na hook at mga loop ng tela na nagpapahintulot sa burr na mahigpit na dumikit sa mga ibabaw. Ito ang nag-udyok sa kanya na gayahin ang estruktura ng burr bilang potensyal na fastener.

Ang brand na ALFA-LOK fasteners ng Velcro ay isa pang halimbawa nito, na kumukuha ng inspirasyon mula sa natatanging estruktura ng mga kabute. Ang fastener ay may maliliit na hook na hugis takip ng kabute, na parang maliit na payong na sumasaklaw at nagpoprotekta sa maliliit na spora, at sa tuktok ng bawat hook ay may takip upang makatulong sa paglikha ng matibay na pagsasara.

Ang inspirasyon mula sa kalikasan, ayon sa Velcro, ay nagbigay ng proteksyon sa mga diaper ng sanggol, nagpadala sa atin sa buwan, at lumikha ng higit sa 2,000 na patente. Ngayon, ang Velcro ay naging pangkaraniwang termino at ginagamit sa malawak na hanay ng mga sektor, kabilang ang computing, healthcare, at automotive industry.

#2. Sharklet Technologies 

Upang labanan ang pagkalat ng bakterya, ang kumpanyang ito ay nagde-develop ng mga ibabaw na pumipigil sa paglago ng bakterya at mikrobyo—isang pag-unlad na may aplikasyon sa mga pasilidad pangkalusugan.

Ang mga ibabaw na ito ay may natatanging coating ng microscopic na pattern na inspirasyon mula sa texture ng balat ng pating. Sukat na halos 3 microns ang taas at 2 microns ang lapad, ang mga pattern na ito ay hindi nakikita ng mata o ng daliri.

he discovered it was arranged in a diamond pattern with tiny riblets that prevent the settlement of microorganisms on it.

#3. BioMASON

Sa sektor ng imprastruktura, ang kumpanyang ito ay gumagamit ng biomimicry upang gumawa ng semento, na nag-aambag ng 8% ng global carbon dioxide emissions. Upang mabawasan ang epekto ng klima ng konstruksyon habang tumataas ang pangangailangan para sa semento, binago ng Biomason ang paraan ng paggawa ng semento.

Ang kumpanya, na nagmamarka ng kanilang teknolohiya sa ibang kumpanya, ay kumuha ng inspirasyon mula sa isa sa pinaka-matibay at matagal na estruktura ng kalikasan: coral reefs. Ginagaya ang natural na pagbuo ng calcium carbonate sa mga kabibe at coral reefs, ang Biomason ay gumagamit ng katulad na proseso para sa paggawa ng kanilang biocement sa halip na painitin ang limestone upang kunin ang carbon.

Layunin na nitong gamitin ang biomimicry upang lumikha ng matibay at sustainable na materyales para sa mga gusali. Isinasama nito ang aggregate mula sa mine waste at gumagamit ng mga mikroorganismo bilang binding agent para sa aggregate na ito, na umaasa sa init ng araw para sa proseso ng pagpapatuyo matapos itong linisin. Ang kumpanya ay nakatanggap ng pondo mula sa Department of Defence Advanced Research Project Agency upang bumuo ng Engineered Living Marine Cement. Higit pa rito, isinasagawa ang Project MEDUSA, na naglalayong magtayo ng mga runway at istruktura na pang-militar sa mga remote na lugar gamit ang mga mikroorganismo.

Konklusyon

Ayon kay Wang, ang mga leafhopper at iba pang insekto “hindi lamang mga insekto; sila ay mga inspirasyon.” Sa loob ng maraming taon, pinag-aralan ng mga siyentipiko ang kalikasan at ginamit ito upang magdisenyo ng mga produkto, tulad ng nabanggit sa itaas. Sa patuloy na pananaliksik, mga pangakong resulta, at kanilang mga susunod na aplikasyon sa mga larangan tulad ng multispectral camouflage, optical encryption, at omnidirectional antireflection coatings, ang mga pag-aaral tulad ng anti-reflective na brochosome ng leafhopper ay maaaring magdala ng maraming teknolohikal na pag-unlad at magdulot ng napakalaking pagbabago sa iba’t ibang industriya.

I-click dito upang malaman kung paano maaaring kumuha ng inspirasyon ang robotics mula sa kalikasan.