Tarranauhasta luotijuniin, luonto on inspiroinut joitain ihmisen innovaatioiden vaikuttavimmista piirteistä. Tänä kesänä korealaisten tutkijoiden kehittämä rapujen kaltainen vedenalainen robotti etsii muinaisia esineitä Keltaisellamerellä. Droonit jäljittelevät lintujen ja mehiläisten lentoliikkeitä. Ja biomimeettinen tulevaisuutemme näyttää valoisalta.
Kourallinen tutkijoita on nyt kuuma uuden luomuksen: synteettisen ihon, kantapäällä.
Merieläimet käyttävät ihoaan navigoidakseen ja selviytyäkseen ympäristöstään. Kylmissä vesissä elävillä delfiineillä on paksu iho eristääkseen ruumiinsa ja pysyäkseen lämpiminä. Octopusten tikkarin vuorattu iho ei sisällä vain miljoonia hermoja, jotka auttavat heitä aistimaan ja tarttumaan saaliin, vaan se on upotettu myös ainutlaatuisilla väriä muuttavilla soluilla, jotka voivat tehdä ne näkymättömiksi petoeläimille. Korivalaiden rintaevät linjaavat ihot lisäävät eläimen kelluvuutta. Joten tutkijat näkevät potentiaalin.
3D-tulostusta ja tietokonemallinnustekniikkaa käyttämällä tutkijat kehittävät keinotekoista, mutta realistista merieläinten ihoa käytettäväksi kaikissa antimikrobisista ovenkahvoista vedenalaisiin robotteihin. Bostonin Harvardin yliopiston ihtiologi George Lauder ja hänen tiiminsä ovat kehittäneet ensimmäisen todellisen keinotekoisen hain ihon huippuluokan 3D-tulostimen avulla.
Aikaisemmat yritykset koskivat kumimuotteja ja kangasta, ja tutkijat kamppailivat materiaalien valmistuksessa sekä pehmeillä että kovilla komponenteilla. Hain ihon inspiroimat uimapuvut tekivät roiskeita vuoden 2008 olympialaisissa, mutta Lauderin tutkimusryhmä totesi, että Speedon Fastskin II -tyyppisten pukujen materiaali ei todella matkia hain ihoa tai vähentä vetovoimaa, koska siinä ei ole hampaita.
Hait voivat uida suurilla nopeuksilla valtameren vesien läpi pienten, hampaiden kaltaisten hammaskelmien ansiosta, jotka peittävät silkkisen ihonsa. "Se osoittautuu erittäin kriittiseksi piirteeksi hain ihon suorituskyvystä uinnin aikana", Lauder sanoo. Voitaisiin ajatella, että sileämpi iho on nopeampaa. Mutta hän lisää: "On todella hyvä olla karkea, jos sinulla on tietynlainen karkea pinta, kun haluat liikkua juoksevan ympäristön, veden tai ilman läpi mahdollisimman tehokkaasti."
Lauderin joukkue skannasi mikro-CT-skannerin avulla todellisen makohain ihon. Skannauksen perusteella he tekivät 3D-mallin ja lähettivät mallin 3D-tulostimeen, joka teki muovipolymeerimateriaalia pehmeällä pohjalla, joka on peitetty kovien hammas- hampaan kaltaisten rakenteiden kanssa. Lopputuotteella on hain ihon hiekkapaperi tunnelma. Laboratoriossa olevassa säiliössä tutkijat kokeilivat keinotekoista ihoa ja havaitsivat, että se lisäsi nopeutta 6, 6 prosenttia ja vähensi energiankulutusta 5, 9 prosenttia verrattuna sileään muoviseen ehoon ilman hampaita.
Korkeasti suurennettu kuva makohain pään hammaskuvioista. (Kuva: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver ja George Lauder) 
Hampaat hain päässä. (Kuva: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver ja George Lauder) Hain epiteet (Kuva: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver ja George Lauder) 
Dentikkelikuviot makohain rungossa (Kuva: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver ja George Lauder) "Jos voisit tehdä uimapuku, jolla on hain ihon hammasrakenteiden tai vaakojen rakenne joustavalla pinnalla, jota voit käyttää ja joka oli suhteellisen kuin koko kehon märkäpuku, se parantaisi todella uintisi suorituskykyä", Lauder sanoo. Mutta tämä uusi materiaali ei ole aivan valmis prime-aikaan. "Tällaisen rakenteen sisällyttäminen minkä tahansa tyyppiseen kankaaseen olisi tällä hetkellä erittäin haastavaa", hän lisää. Se on seuraavan vuosikymmenen feat.
Hain ihomainen materiaali voi toimia myös suojalinjana biokestävyyttä vastaan tai levien ja merirokkojen kertymistä vastaan alusten pohjalle. Suurin osa likaantumisenestoaineista on myrkyllistä, joten keinotekoinen hain iho voisi tarjota ympäristöystävällisen vaihtoehdon. Vuonna 2005 Saksan tutkijat kehittivät hain ihon innoittamana silikonimateriaalia, joka vähensi sinisorsan asettumista 67 prosentilla. Sitten, vuonna 2008, insinööri Anthony Brennan otti samanlaisen lähestymistavan, luomalla Sharklet -nimisen materiaalin, jolla on hampaanmuotoinen rakenne ja joka estää 85 prosenttia levien normaalista tarttumisesta sileille pinnoille. Sharklet on myös levitetty lääketieteellisiin laitteisiin ja sairaalan pintoihin. Sairaaloissa ja jopa julkisissa kylpyhuoneissa bakteerit voivat levitä helposti ihmisestä toiseen, joten näiden ovien nupien ja laitteiden peittäminen bakteereja kestävällä materiaalilla voi vähentää infektioita.
Pohjois-Carolinan Duke-yliopiston tutkijat kehittivät myös anti-fouling-materiaalia, joka kutisee tai rypistyy kuten eläimen iho (tässä tapauksessa hevosen nykiminen kärpäsen painalluksella saattaa olla paras analogia) stimulaation aikana. Toinen ryhmä Lontoon Imperial Collegessa yrittää luoda putkimateriaalia, joka on vuorattu mikroskooppisilla kuopilla ja kemikaaleilla, jotka hylkivät veden - delfiinien ihon innoittamana.
Suunnittelun kannalta hain ihoa voitaisiin käyttää myös lentokoneiden siipien energiatehokkuuden parantamiseen - sovellus, jonka Lauder näkee osoittautuvan hyödylliseksi tulevaisuudessa. Hammasrakon kaltaisten rakenteiden lisääminen lentokoneisiin voisi vähentää vetämistä. Samankaltaisilla linjoilla valaan rintaevät ovat jo inspiroineet helikopterin siipisuunnittelua.
Ehkä jännittävin käyttö näille materiaaleille on kuitenkin bio-inspiroitujen vedenalaisten robottien kehityskenttä. "Meillä on uudentyyppisiä vedenalaisia robotteja, joissa on joustavat taivutuskappaleet, jotka liikkuvat kuin kala", Lauder sanoo. Useita akkukäyttöisiä kalarobotteja on töissä, ja loogisesti, että hainhain lisääminen niihin voisi lisätä nopeutta ja energiatehokkuutta. Lauder ja hänen tiiminsä tekevät yhteistyötä Philadelphian Drexel-yliopiston tutkijoiden kanssa kalarobotilla. Sittemmin he ovat laajentaneet ihomekaniikan tutkimustaan tutkia myös erilaisia kalalajeja ja nähdä kuinka erilaiset asteikon muodot ja kuviot vaikuttavat uintiin.
3D-tulostuksen avulla tutkijat voivat oppia vielä enemmän siitä, kuinka kalan hammas- tai mittakaavat vaikuttavat uimavoimiin. ”Voit muuttaa etäisyyttä [hammasrakoihin]; voit tehdä niistä kahdesti etäisyydellä toisistaan. Voit hajauttaa ne, tehdä niistä päällekkäisiä, tehdä niistä ei päällekkäisiä ja tehdä paljon muutoksia, jotta alkaa itse asiassa pilata hain ihon tärkeimmät piirteet ”, Lauder sanoo. Nämä kokeet auttavat tutkijoita parantamaan keinotekoisia nahoja.
"Tämä on tällä hetkellä nopeasti kasvava kenttä", sanoo Ison-Britannian Readingin yliopiston insinööri George Jeronimidis. "Olemme vasta alkamassa ymmärtämään, kuinka merieläinten integroitu ja toimiva iho on."
Jeronimidisin laboratoriossa on kehitetty keinotekoinen mustekala. Octopus-iholla on omat monimutkaisuutensa: se on pehmeä, joustava ja täynnä miljoonia aistineuroneja, jotka auttavat organismia navigoimaan ympäristössään. Suunnittelijan synteettinen versio koostuu silikonikumiin upotetusta nailonkuidusta, joka pitää ihon joustavana mutta repäisykestävänä. Siinä on jopa tiktuja, vaikka nämä ovatkin passiivisia - todellinen mustekala voi manipuloida kutakin tikkaria erikseen.
Vaikka tehtävää on vielä paljon, vedenalaisille roboteille voidaan tulevaisuudessa myöntää hain nopeus tai mustekalan aistien älykkyys. Ja hienostuneella keinotekoisella iholla ne voisivat lähteä sinne, missä ihmiset eivät voi - navigoinnista öljyvuotojen hämärillä vesillä etsimään lentokoneiden hylyjä tai jopa tutkia valtameren syvimpiä syvyyksiä.
