Биовдохновленные материалы имеют потенциал революционизировать производство. Разработанные для имитации свойств, структур или процессов, обнаруженных в природе, биовдохновленные материалы часто оказываются одновременно прочными и легкими, а также эффективными в использовании ресурсов, и могут найти множество применений в технологическом и промышленном дизайне.

Конечно, это не новость — люди давно обращаются к природе за идеями о том, как делать вещи, начиная от кухонных губок и структур пчелиных сот до авиации. Но недавние достижения в науке и производстве открыли массу новых возможностей. Исследователи и дизайнеры из различных областей, включая медицину, структурную инженерию, мягкую робототехнику, науку о материалах, одежду и архитектуру, используют биомимикрию, биомиметику и биовдохновение для создания инноваций, которые можно применять в различных отраслях.

Копирование или инновация?

Существуют различные концепции: биомимикрия просто имитирует естественную функцию с помощью синтетического материала. Например, липучка, которая имитирует структуру колючек. Биомиметика — это междисциплинарный подход, направленный на передачу знаний из биологии в технические приложения. А биовдохновение означает использование природных процессов в качестве вдохновения для создания новых материалов и функций.

Подумайте об этом: естественная эволюция равна сотням миллионов лет НИОКР. Мы были бы дураками, если бы не воспользовались этим. Действительно, прогнозируется, что к 2030 году биовдохновение будет генерировать 1,6 триллиона долларов мирового ВВП, при этом сэкономив еще 500 миллиардов долларов за счет сокращения использования ресурсов и загрязнения.

Биовдохновение в медицине

Медицина и медицинская технология — очевидные области для применения биовдохновленных материалов и процессов. В конце концов, человеческому телу нужны материалы, максимально приближенные к его собственным. Например, биомиметические керамики имитируют структуру таких материалов, как кости и зубы, и могут использоваться для создания имплантатов и заменителей костей. А биомиметические гидрогели, которые копируют структуру хрящей, можно применять в регенеративной медицине.

Другим захватывающим веществом является хирургический клей, вдохновленный слизнями. Или точнее, процессом, который некоторые слизни используют, чтобы защищаться от опасности. Добавление определенного белка в их слизь производит липкий клей, защищая их от отсоединения от растительных листьев и других поверхностей хищниками (или разгневанными садоводами). Точно так же новый медицинский клей изготовлен из двух типов полимеров, которые становятся ультра-прочным клеем при смешивании. Хирургический клей, используемый для заживления ран, должен быть особенно мощным при применении на движущихся частях тела — подумайте о бьющихся сердцах, например — и «слизневой клей» в три раза прочнее текущего хирургического клея.

Мир животных вдохновил и другую липкую инновацию: исследователи MIT разработали адгезивный пластырь, который работает аналогично лапкам гекконов. Липкие адгезивы, вдохновленные гекконами, также применяются в других областях, включая робототехнику.

Исследователи и производители также изучают природный мир, чтобы узнать о механических процессах для медицинской технологии. Существуют подвижные иглы, смоделированные по принципу, как паразитические осы откладывают яйца внутри гусениц; присоски, вдохновленные щупальцами осьминога, которые могут захватывать и отпускать деликатные трансплантаты тканей; и катетеры, которые могут найти свой путь через кровеносные сосуды, используя метод навигации, аналогичный электрическим рыбам.

Пауки и другие модные животные — биовдохновленные текстили

Одним из самых интригующих материалов в природе является паучий шелк. Известный своей прочностью, превосходящей сталь, но при этом легкий и роскошный, он является привлекательным материалом для индустрии одежды. Хотя одежда из настоящего паучьего шелка, вероятно, всегда останется в области экстраординарного — даже сверх высокой моды — различные проекты экспериментируют с синтетическим паучьим шелком и связанными процессами. И недавние прорывы приближают нас к цели устойчивого производства синтетического или рекомбинантного паучьего шелка в масштабе.

Рекомбинантный шелк является одним из множества новых биофабрикатированных материалов: область, в которой индустрия моды и одежды полностью принимает биовдохновение. Эти материалы изготавливаются живыми микроорганизмами, такими как бактерии или мицелий, сети грибных нитей. Биофабрикатированные материалы активно исследуются, так как они предлагают устойчивую альтернативу текстилям на основе нефтехимии. Примеры включают прочную, легкую и низкоуглеродную наноцеллюлозу, альтернативы коже из мицелия и красители, произведенные бактериями.

Альтернативы микропластикам

Разные отрасли, включая косметику и сельское хозяйство, полагаются на микропластики для различных функций, и поиск альтернатив привел исследователей к шелковому фиброину, натуральному полимеру. Он высоко адаптируем и биоразлагаем, и может использоваться в различных приложениях, где он может имитировать или даже превосходить функциональность микропластиков.

PHA — это семейство биополимеров, которые демонстрируют большие перспективы в качестве заменителей пластика. Производимые бактериями, материалы PHA могут быть изготовлены из возобновляемых ресурсов и биоразлагаться во многих средах — включая океан. В виде гранул их можно использовать в инжекционном литье и аддитивном производстве, а также в ряде других приложений в качестве замены пластика.