Od suchého zipu až po kulkové vlaky inspirovala příroda některé z nejpůsobivějších prvků lidské inovace. Letos v létě hledá podvodní robot podobný krabům vyvinutý korejskými vědci starověké artefakty ve Žlutém moři. Drony napodobují letové pohyby ptáků a včel. A naše biomimetická budoucnost vypadá jasně.
Hrst vědců je nyní horká na patách nového stvoření: syntetická kůže.
Mořští živočichové používají svou kůži k navigaci a přežití v jejich prostředí. Delfíni žijící ve studené vodě mají ve skutečnosti hustou pokožku, která izoluje jejich těla a zůstává v teple. Kůže chobotnice chobotnice obsahuje nejen miliony nervů, které jim pomáhají cítit a uchopit kořist, ale je také zabudována do jedinečných buněk měnících barvu, díky nimž jsou pro dravce neviditelné. Nárazy kůže, které lemují hrudní ploutve keporkaků, zvyšují vztlak zvířete. Vědci tedy vidí potenciál.
Vědci vyvíjejí pomocí technologie 3D tisku a počítačového modelování umělou, ale realistickou kůži mořských živočichů pro použití ve všem, od antimikrobiálních klik na dveře až po podvodní roboty. George Lauder, ichtyolog na Harvardské univerzitě v Bostonu, a jeho tým vyvinuli první opravdovou umělou žraločí kůži pomocí špičkové 3D tiskárny.
Předchozí pokusy zahrnovaly gumové formy a textilie a vědci se snažili vyrábět materiál s měkkými i tvrdými komponenty. Plavky inspirované žraločí kůží se na olympijských hrách v roce 2008 rozstříkly, ale Lauderův výzkumný tým ve skutečnosti zjistil, že materiál v oblecích, jako je Speedsk's Fastskin II, opravdu nenapodobuje kůži žraloků ani nesnižuje odpor, protože postrádá denticles.
Žraloci mohou plavat vysokými rychlostmi oceánskými vodami díky malým zubatým zubním kazičkám, které zakrývají jejich hedvábnou pokožku. "Ukázalo se, že se jedná o velmi kritický rys výkonu žraločí kůže během plavání, " říká Lauder. Člověk by si myslel, že hladší pleť je pro rychlost lepší. Dodává však: „Ve skutečnosti je dobré být drsný, mít drsný povrch určitého druhu, pokud se chcete pohybovat tekutým prostředím, vodou nebo vzduchem co nejefektivněji.“
S využitím mikro-CT skeneru Lauderův tým naskenoval skutečnou mako žraločí kůži. Ze skenování vytvořili 3D model a poslali jej na 3D tiskárnu, která vyrobila plastový polymerní materiál s měkkou podložkou pokrytou strukturami podobnými tvrdým chrupavkám. Konečný produkt má pocit žraločí kůže z písku. V nádrži ve své laboratoři vědci testovali umělou pokožku a zjistili, že zvýšila rychlost o 6, 6 procenta a snížila energetickou spotřebu o 5, 9 procenta ve srovnání s hladkou plastovou ploutví bez denticles.
Vysoce zvětšený obraz vzorců chrupavky na žraločí hlavě mako. (Obrázek: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver a George Lauder) 
Chrupavky na žraločí hlavě. (Obrázek: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver a George Lauder) Žraločí ploutve (Obrázek: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver a George Lauder) 
Denticle vzory na kufru žraloka mako (Obrázek: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver a George Lauder) "Pokud byste si mohli vyrobit plavky, které mají strukturu žraločích kožních chrupavek nebo šupin na pružném povrchu, který byste mohli nosit a byli relativně jako neoprénové kombinézy celého těla, opravdu by to zlepšilo váš plavecký výkon, " říká Lauder. Ale tento nový materiál není úplně připraven na hlavní čas. "V tuto chvíli by bylo velmi, velmi náročné začlenit tento druh struktury do jakéhokoli druhu tkaniny, " dodává. Je to výkon pro příští desetiletí.
Materiál podobný žraločí kůži může také sloužit jako obranná linie proti biologickému znečištění nebo hromadění řas a barnacles na dně lodí. Většina antivegetativních barev je toxická, takže umělá žraločí kůže by mohla poskytnout ekologickou alternativu. V roce 2005 vědci v Německu vyvinuli silikonový materiál inspirovaný žraločí kůží, který snížil osídlení barnacle o 67 procent. Poté, v roce 2008, inženýr Anthony Brennan zvolil podobný přístup a vytvořil materiál zvaný Sharklet, který má strukturu podobnou chrupavce a zabraňuje 85 procentům normální přilnavosti řas na hladkých površích. Sharklet byl také aplikován na zdravotnické prostředky a nemocniční povrchy. V nemocnicích a dokonce i ve veřejných koupelnách se bakterie mohou snadno šířit z člověka na člověka, takže potahování těchto knoflíků a zařízení dveří materiálem, který odolává bakteriím, by mohl snížit infekce.
Vědci na Duke University v Severní Karolíně vyvinuli také antivegetační materiál, který při stimulaci škubne nebo se vrásní jako zvířecí kůže (v tomto případě může být nejlepším obdobím škubání koně při dotyku mouchy). Další skupina v Imperial College London se snaží vytvořit materiál potrubí potažený mikroskopickými hrboly a chemikáliemi, které odpuzují vodu - inspirované delfínovou kůží.
Z konstrukčního hlediska by kůže žraloků mohla být také použita pro zvýšení energetické účinnosti křídla letadla - aplikace, kterou Lauder považuje za užitečnou v budoucnosti. Přidání struktur podobných zubním kazetám do letadel by mohlo snížit odpor. Podobnými liniemi již velrybí prsní ploutve inspirovaly designy křídla vrtulníku.
Snad nejzajímavější využití těchto materiálů však leží v rozvíjející se oblasti podvodních robotů s biologickou inspirací. "Budeme mít nové druhy podvodních robotů, které mají flexibilní ohýbací těla, která se pohybují jako ryba, " říká Lauder. Několik rybích robotů napájených z baterií pracuje a logicky by přidání umělé žraločí kůže k nim mohlo zvýšit rychlost a energetickou účinnost. Lauder a jeho tým spolupracují s vědci na Drexel University ve Philadelphii na rybím robotu. Od té doby rozšířili svou studii mechaniky pokožky, aby se podívali napříč různými druhy ryb a zjistili, jak různé tvary a vzory v měřítku ovlivňují plavání.
S 3D tiskem se vědci budou moci dozvědět ještě více o tom, jak vzory zubů nebo měřítka na ryby ovlivňují plavecké síly. "Můžete změnit rozteč zubů; můžete je udělat dvakrát tak, jak jsou rozloženy. Můžete je rozložit, nechat je překrývat, nechat se nepřekrývat a provádět spoustu změn, aby začaly skutečně dráždit klíčové rysy žraločí kůže, “říká Lauder. Tyto experimenty pomohou vědcům zdokonalit umělé kůže.
"Toto je v současné době rychle se rozvíjející pole, " říká George Jeronimidis, inženýr z University of Reading ve Velké Británii. "Začínáme chápat, jak integrovaná a funkční je kůže mořských tvorů."
Laboratoř Jeronimidis vyvinula umělou chobotnici. Chobotnice kůže má svou vlastní sadu komplexů: je měkká, pružná a plná miliónů senzorických neuronů, které pomáhají organismu procházet jeho prostředím. Syntetická verze inženýra se skládá z nylonových vláken zabudovaných do silikonové pryže, která udržuje pokožku pružnou, ale odolnou proti roztržení. Má dokonce přísavky, i když jsou pasivní - skutečná chobotnice může s každým kojencem manipulovat samostatně.
I když je ještě mnoho práce, v budoucnu by podvodní roboti mohli být vybaveni rychlostí žraloka nebo senzorickou inteligencí chobotnice. A díky sofistikované umělé kůži se mohli pustit tam, kde to lidé nemohou - od navigace temných vod ropných skvrn po hledání vraku letadla až k prozkoumání nejhlubších hlubin oceánu.
