Fra borrelås til kuletog har naturen inspirert noen av de mest imponerende bragdene til menneskelig innovasjon. I sommer vil en krabbellignende, undervannsrobot, utviklet av koreanske forskere, søke etter gamle gjenstander i Gulehavet. Droner etterligner flybevegelsene til fugler og bier. Og vår biomimetiske fremtid ser lys ut.
En håndfull forskere er nå varme på hælene til en ny skapelse: syntetisk hud.
Marine dyr bruker huden sin for å hjelpe deg med å navigere og overleve miljøet. Delfiner som lever i kaldt vann har faktisk tykk hud for å isolere kroppene og holde seg varme. Blekkspruter 'sucker-foret hud inneholder ikke bare millioner av nerver som hjelper dem å kjenne og gripe byttedyr, men den er også innebygd med unike fargeendringsceller som kan gjøre dem usynlige for rovdyr. Hudbulene som stikker knølhvalenes brystfinner øker dyrets oppdrift. Så forskere ser potensial.
Ved å bruke 3D-utskrift og datamodelleringsteknologi utvikler forskere kunstig, men realistisk marin dyrehud til bruk i alt fra antimikrobielle dørhåndtak til undervannsroboter. George Lauder, en iktolog ved Harvard University i Boston, og teamet hans har utviklet den første virkelige kunstige haihuden med hjelp fra en topp 3D-printer.
Tidligere forsøk involverte gummiformer og stoff, og forskere kjempet for å produsere materiale med både myke og harde komponenter. Sharkhudinspirerte badedrakter gjorde en skvett ved OL i 2008, men Lauders forskerteam fant faktisk ut at materialet i dresser som Speedos Fastskin II ikke virkelig etterligner haihuden eller reduserer dra, fordi det mangler tannstikk.
Haier kan svømme i høye hastigheter gjennom havvannet takket være bittesmå, tannlignende tannhinner som dekker silkemykt hud. "Det viser seg å være et veldig kritisk trekk ved ytelsen til haihud under svømming, " sier Lauder. Man skulle tro at jevnere hud er bedre for hastighet. Men, legger han til, "det er faktisk bra å være ru, å ha en ru overflate av en viss art når du vil bevege deg gjennom et flytende miljø, vann eller luft, så effektivt som mulig."
Ved hjelp av en mikro-CT-skanner, skannet Lauders team faktisk makohark. Fra skanningen opprettet de en 3D-modell og sendte modellen til en 3D-skriver, som laget et plastpolymermateriale med en myk base dekket av harde dentikkellignende strukturer. Sluttproduktet har sandpapiraktig preg av haihud. I en tank på laboratoriet deres testet forskerne den kunstige huden og fant ut at den økte hastigheten med 6, 6 prosent og reduserte energiforbruket med 5, 9 prosent i forhold til en jevn plastfinne uten tannhinner.
Et høyt forstørret bilde av tannhinnemønstrene som er funnet på hodet til en makohai. (Bilde: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver og George Lauder) 
Leddene på hodet til en hai. (Bilde: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver og George Lauder) Haikefinker (Bilde: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver og George Lauder) 
Tannlegemønster på en makohais bagasjerom (Bilde: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver og George Lauder) "Hvis du kunne lage en badedrakt som hadde strukturen som haihudtenner eller skalaer på en fleksibel overflate som du kunne ha på deg, og som var relativt som en helkropp våtdrakt, ville det virkelig forbedre svømmeevnen din, " sier Lauder. Men dette nye materialet er ikke helt klart for prime time. "Det ville være veldig, veldig utfordrende for øyeblikket å innlemme denne typen strukturer i alle slags stoffer, " legger han til. Det er en bragd for det neste tiåret.
Et hudlignende materiale av hai kan også tjene som en forsvarslinje mot biologisk begroing, eller akkumulering av alger og barberkler på bunnen av skip. Mest urolig maling er giftig, slik at kunstig hudhud kan gi et miljøvennlig alternativ. I 2005 utviklet forskere i Tyskland et silikonmateriale, inspirert av haihud, som reduserte bunnkornoppløsningen med 67 prosent. Deretter, i 2008, tok ingeniør Anthony Brennan en lignende tilnærming, og skapte et materiale som ble kalt Sharklet som har en dentikkel-lignende struktur og forhindrer 85 prosent av normal algeheftet på glatte overflater. Sharklet har også blitt brukt på medisinsk utstyr og sykehusflater. På sykehus og til og med offentlige bad, kan bakterier lett spres fra person til person, så belegg av disse dørknottene og utstyret i et materiale som motstår bakterier kan redusere infeksjoner.
Forskere ved Duke University i North Carolina utviklet også et anti-begroingsmateriale som rykker eller rynker som dyrehud (i dette tilfellet kan en hest rykende ved berøring av en flue være den beste analogien) når stimulert. En annen gruppe ved Imperial College London prøver å lage et rørmateriale foret med mikroskopiske støt og kjemikalier som frastøter vann - inspirert av delfinhud.
Fra et designperspektiv kan haihud også brukes til å gjøre flyvinger mer energieffektive - en applikasjon som Lauder ser ut til å være nyttig i fremtiden. Å legge tannstikklignende strukturer til fly kan redusere dra. Langs lignende linjer har hval-brystfinner allerede inspirert helikopterfløy-design.
Den kanskje mest spennende bruken for disse materialene ligger imidlertid i utviklingsområdet for bioinspirerte undervannsroboter. "Vi kommer til å ha nye typer undervannsroboter som har fleksible bøyelegemer som beveger seg som en fisk, " sier Lauder. Flere batteridrevne fiskeroboter er i verk, og logisk kan det å tilføre fuskehark til dem øke hastigheten og energieffektiviteten. Lauder og teamet hans samarbeider med forskere ved Drexel University i Philadelphia om en fiskerobot. Siden har de utvidet hudmekanikkstudien til å se på forskjellige fiskearter, og se hvordan forskjellige former og mønstre påvirker svømming.
Med 3D-utskrift vil forskere kunne lære enda mer om hvordan tannpleie eller skalamønstre på en fisk påvirker svømmekrefter. “Du kan endre avstanden [på dentikler]; du kan lage dem dobbelt så langt fra hverandre. Du kan forskyve dem, få dem til å overlappe hverandre, få dem til ikke å overlappe hverandre, og gjøre mange endringer for å begynne å faktisk drille fra hverandre nøkkelfunksjonene i haihuden, sier Lauder. Disse eksperimentene vil hjelpe forskere med å perfeksjonere kunstige skinn.
"Dette er et raskt voksende felt for øyeblikket, " sier George Jeronimidis, ingeniør ved University of Reading i Storbritannia. "Vi begynner akkurat å forstå hvor integrert og funksjonell huden til marine skapninger er."
Jeronimidis 'laboratorium har utviklet kunstig blekkspruthud. Blekkspruthud har sitt eget sett med kompleksiteter: den er myk, fleksibel og fylt med millioner av sensoriske nevroner som hjelper organismen med å navigere i omgivelsene. Ingeniørens syntetiske versjon består av nylonfibre innebygd i silikongummi, som holder huden fleksibel, men rivefast. Den har til og med suckers, selv om disse er passive - en ekte blekksprut kan manipulere hver sucker individuelt.
Selv om det fremdeles er mye arbeid som skal gjøres, kan undervannsroboter i fremtiden ha fart på en hai eller en sensorisk intelligens fra en blekksprut. Og med sofistikert kunstig hud kunne de våge seg der mennesker ikke kan - fra å navigere i det grumsete vannet i oljesøl til å søke etter flyvrak til kanskje til og med å utforske havets dypeste dyp.
