De la velcro la trenuri cu gloanțe, natura a inspirat unele dintre cele mai impresionante faze ale inovației umane. În această vară, un robot subacvatic, asemănător cu crabii, dezvoltat de oamenii de știință coreeni, va căuta artefacte antice în Marea Galbenă. Dronele imită mișcările de zbor ale păsărilor și albinelor. Și, viitorul nostru biomimetic arată luminos.
O mână de cercetători sunt acum fierbinți pe călcâiele unei noi creații: pielea sintetică.
Animalele marine își folosesc pielea pentru a ajuta navigarea și supraviețuirea mediului. Delfinii care trăiesc în apele reci au de fapt pielea groasă pentru a-și izola corpul și a rămâne cald. Pieptul captusit de caracatiță nu numai că conține milioane de nervi care îi ajută să simtă și să înțeleagă prada, dar este, de asemenea, încorporat cu celule unice care schimbă culoarea, care le pot face invizibile prădătorilor. Umflăturile pielii care aliniază aripioarele pectorale ale balenelor cu cocuri sporesc crește flotabilitatea animalului. Deci, oamenii de știință văd potențialul.
Folosind tehnologia de imprimare 3D și de modelare a computerului, cercetătorii dezvoltă pielea animalelor marine artificiale, dar realiste, pentru utilizare în orice, de la mânerele ușilor anti-microbiene până la roboții subacvatici. George Lauder, ictiolog la Universitatea Harvard din Boston și echipa sa au dezvoltat prima adevărată piele artificială de rechin cu ajutorul unei imprimante 3D de top.
Încercările anterioare au implicat matrițe și țesături din cauciuc, iar cercetătorii s-au străduit să fabrice materiale atât cu componente moi, cât și dure. Costumele de baie inspirate de piele de rechin au făcut o stropire la Jocurile Olimpice din 2008, dar echipa de cercetare a lui Lauder a descoperit că materialul din costume precum Fastedo, al lui Speedo, nu imită cu adevărat pielea de rechin și nu reduce dragajul, deoarece îi lipsește denticulele.
Rechinii pot înota cu viteze mari prin apele oceanului, datorită denticulelor minuscule, precum dinții, care își acoperă pielea mătăsoasă. „Aceasta se dovedește a fi o caracteristică foarte critică a performanței pielii de rechin în timpul înotului”, spune Lauder. S-ar crede că pielea mai netedă este mai bună pentru viteză. Dar, adaugă el, „este de fapt bine să fii dur, să ai o suprafață aspră de un anumit fel atunci când vrei să te miști printr-un mediu fluid, apă sau aer, cât mai eficient.”
Folosind un scaner micro-CT, echipa lui Lauder a scanat pielea rechinului de mako. Din scanare, au creat un model 3D și au trimis modelul la o imprimantă 3D, care a realizat un material polimeric din plastic cu o bază moale acoperită în structuri dure asemănătoare denticulei. Produsul final are senzația de sandpapery a pielii de rechin. Într-un rezervor din laboratorul lor, cercetătorii au testat pielea artificială și au descoperit că a crescut viteza cu 6, 6 la sută și a redus cheltuielile cu energia cu 5, 9 la sută în comparație cu o aripioară de plastic netedă fără denticule.
O imagine ridicată a modelelor denticulare găsite pe capul unui rechin mako. (Imagine: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver și George Lauder) 
Denticulele de pe capul unui rechin. (Imagine: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver și George Lauder) Denticule de aripă de rechin (imagine: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver și George Lauder) 
Scheme de denticule pe trunchiul unui rechin mako (imagine: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver și George Lauder) „Dacă ați putea realiza un costum de baie care să aibă structura de denticule de piele de rechin sau de solzi pe o suprafață flexibilă pe care o puteți purta și care să fie relativ ca un costum de corp întreg, vă va îmbunătăți performanța de înot”, spune Lauder. Dar, acest material nou nu este destul de gata pentru prime time. „În momentul de față ar fi foarte, foarte dificil să încorporăm acest tip de structură în orice tip de țesătură”, adaugă el. Este o probă pentru următorul deceniu.
Un material asemănător pielii de rechin poate servi, de asemenea, ca o linie de apărare împotriva biofoulingului sau a acumulării de alge și barnacle pe fundul navelor. Cea mai mare parte a vopselei anti-murdărire este toxică, astfel încât pielea de rechin artificial ar putea oferi o alternativă ecologică. În 2005, cercetătorii din Germania au dezvoltat un material siliconic, inspirat de pielea de rechin, care a redus așezarea barnacului cu 67 la sută. Apoi, în 2008, inginerul Anthony Brennan a adoptat o abordare similară, creând un material numit Sharklet care are o textură asemănătoare cu denticula și previne 85% din aderența normală de alge pe suprafețe netede. Sharklet a fost aplicat și pe dispozitive medicale și pe suprafețele spitalului. În spitale și chiar în băile publice, bacteriile se pot răspândi cu ușurință de la o persoană la alta, astfel încât acoperirea acestor butoane și echipamente de ușă într-un material care rezistă bacteriilor ar putea reduce infecțiile.
Cercetătorii de la Universitatea Duke din Carolina de Nord au dezvoltat, de asemenea, un material anti-murdărire care răsucesc sau riduri precum pielea animalelor (în acest caz, un cal care se răsucește la atingerea unei muste ar putea fi cea mai bună analogie) atunci când este stimulat. Un alt grup de la Imperial College London încearcă să creeze un material pentru țeavă căptușit cu denivelări microscopice și substanțe chimice care resping apa - inspirată de pielea delfinilor.
Din punct de vedere al designului, pielea de rechin ar putea fi folosită și pentru a face aripile avionului mai eficiente din punct de vedere energetic - o aplicație pe care Lauder o consideră utilă în viitor. Adăugarea de structuri asemănătoare cu denticula în planuri ar putea reduce dragajul. De-a lungul liniilor similare, aripioarele pectorale ale balenelor au inspirat deja proiectele aripilor elicopterului.
Poate că cea mai interesantă utilizare a acestor materiale constă însă în domeniul dezvoltării roboților subacvatici inspirați din bio. „Vom avea noi tipuri de roboți subacvatici care au corpuri flexibile de îndoire care se mișcă ca un pește”, spune Lauder. Mai mulți roboți pești alimentați cu baterii sunt în funcțiune și, în mod logic, adăugarea de piele de rechin faux la acestea ar putea crește viteza și eficiența energetică. Lauder și echipa sa colaborează cu cercetătorii de la Universitatea Drexel din Philadelphia la un robot de pește. De atunci și-au extins studiul mecanicii pielii pentru a privi diferite specii de pești, precum și pentru a vedea cum diferite forme și modele de scară afectează înotul.
Prin imprimarea 3D, oamenii de știință vor putea afla chiar mai multe despre modul în care modelele denticulelor sau ale scării de pe un impact de pește au forțele de înot. „Puteți schimba distanța [a denticulelor]; le puteți face de două ori distanțate. Puteți să le eșalați, să le faceți să se suprapună, să le faceți să nu se suprapună și să faceți o mulțime de schimbări pentru a începe să tachineze de fapt caracteristicile cheie ale pielii de rechin ”, spune Lauder. Aceste experimente îi vor ajuta pe oamenii de știință să perfecționeze pielea artificială.
„Acesta este un domeniu în creștere rapidă în acest moment”, spune George Jeronimidis, un inginer la Universitatea Reading din Marea Britanie „Începem să înțelegem cât de integrată și funcțională este pielea creaturilor marine.”
Laboratorul lui Jeronimidis a dezvoltat pielea artificială de caracatiță. Pielea de caracatiță are propriul set de complexități: este moale, flexibil și plin de milioane de neuroni senzoriali care ajută organismul să-și navigheze mediul. Versiunea sintetică a inginerului este formată din fibre de nailon încorporate în cauciuc siliconic, care mențin pielea flexibilă, dar rezistentă la rupere. Are chiar fraieri, deși aceștia sunt pasivi - un adevărat caracatiță poate manipula fiecare fraier.
În timp ce mai este mult de făcut, în viitor, roboții subacvatici ar putea fi înzestrați cu viteza unui rechin sau cu inteligența senzorială a unei caracatițe. Și, cu o piele artificială sofisticată, s-ar putea aventura acolo unde oamenii nu pot - de la navigarea apelor murdare ale vărsărilor de petrol până la căutarea epavei de avioane până la explorarea chiar a celei mai profunde adâncimi ale oceanului.
