Cápabőr és angolnapikkely: a jövő ruhái

Az egyik legjobb hőszigetelő anyagot a juhoktól, a tépőzárat a bogáncsos növényektől, az öntisztuló, vízlepergető ruhákat a lótusztól, a leghatékonyabb úszódresszeket a cápáktól, a legújabb páncélokat pedig a csigáktól, halaktól és pókoktól lestük el. Az élővilágban rengeteg olyan megoldás született az evolúció évmilliói folyamán, amelyekre az ember sokáig csak irigykedve tekintett. A mérnöki tudomány mára elérte az a szintet, hogy képessé vált lemásolni és felhasználni a természet találmányait.

A biomimikri vagy biomimetika (a görög bios = élet és mimézis = utánzás szóból) olyan tudományág, amely a biológiát és a mérnöki tudományt hivatott egyesíteni. Fő célja, hogy az élőlények felépítését és mechanizmusait gyakorlati szinten megvalósítsák mesterséges anyagokban, gépekben, mintegy lemásolva az evolúció által évmilliókig tökéletesített természetes szervezeteket. A tudományterület régebben elterjedt elnevezése a bionika volt, de újabban ezt kifejezést egyre inkább kisajátítja az orvostudomány, ahol a szervek vagy testrészek mechanikus változattal való cseréjét jelölik vele.

Bioanyagok

A biomimetika nagy részterületét alkotja az élő szervezetektől ellesett különféle célra felhasználható anyagok, a bioanyagok fejlesztése és előállítása. A bioanyagokat sokféle célra lehet alkalmazni. Cikkünkben a test védelmére, azaz a ruházkodásra, illetve a testfelület sérülésektől való megóvására használt bioanyagokkal foglalkozunk.

 

 

Janine Benyus, a biomimikri világhírű amerikai szakértőjének előadása (magyar felirattal)

Hőszigetelés

Az egyik legnagyszerűbb hőszigetelő anyagot gyakorlatilag változtatás nélkül vettük át a természetből. Ezt az anyagot a merino juh adja nekünk. A merino gyapjút az élet szinte minden területén fölhasználják a sporttól az űrhajózásig. A merino gyapjú különlegességét az adja, hogy sokkal vékonyabb szálakból áll, mint a közönséges gyapjú. A finomabb szálak több levegőt tudnak megtartani maguk között, így jobban szigetelnek, mint a tömöttebb anyagok. (Ezért is javasolják a szakemberek hidegben a réteges öltözködést, mert több vékony ruha között több szigetelő levegőréteg alakul ki, ami általában melegebben tart, mint egy vastag pulóver.) A merino gyapjú fölhasználásával készítik a sportruházati cégek a hőszigetelő alapréteget az összes olyan sporthoz (kerékpározás, túrázás, hegymászás stb.), ahol alapvető követelmény a test kihűlésének megakadályozása. Ilyen anyagokat használnak a sarkkutatók és az űrhajósok alapöltözékéhez is.

A világ legismertebb biomimetikai találmánya

Nincs ember, aki ne ismerné és használná az egyik legrégibb és legelterjedtebb természetből ellesett találmányt, a tépőzárat. A Velcro márkanéven is emlegetett rögzítő rendszert 1948-ban fedezte föl a svájci George de Mestral. Állítólag vadászni volt a kutyájával, és amikor hazatértek, alig tudta kiszedegetni az állat bundájából a sok bogáncsot és más ráakaszkodott termést. De Mestral mikroszkóp alatt megvizsgálta a tapadós terméseket, és fölfedezte, hogy azokon rengeteg, apró horgocskákban végződő tüske van. Ezek segítségével rögzülnek a kutya és más állatok bundájához. Rögtön meglátta a fölfedezésében rejlő lehetőséget, és nekilátott kidolgozni a tépőzárat. Poliamidból sikerült olyan kemény anyagot létrehoznia, amely előállításakor apró hurkokat képzett. Ezeket a hurkokat szövés közben fölvágva kész is volt a tépőzár kampós része. A fonalas rész elkészítése már nem okozott gondot, és 1951-ben Velcro néven szabadalmaztatta, majd saját gyárában gyártani kezdte a tépőzárat. A tépőzárat kezdetben ruházati cikkeken alkalmazták, de hamar kiderült, hogy más területeken is igen jól beválik. Legnagyobb sikerét akkor érte el, amikor a NASA használni kezdte a tépőzárszalagokat az űrhajósok ruházatán, jelentősen megkönnyítve az űrruha felvételét.

Öntisztuló, vízlepergető ruhák

Annak ellenére, hogy a lótusz növény zavaros folyókban és tavakban nő, a levele mindig tiszta. A levélnek ez az öntisztító képessége fölkeltette a kutatók figyelmét is. Első pillantásra azt hihetnénk, hogy a levél felszíne annyira sima, hogy nem tapad meg rajta semmilyen szennyeződés. Furcsa módon, éppen az ellenkezője igaz. Két német kutató, Wilhelm Barthlott és Cristoph Neinhuis az 1990-es években írták le az általuk lótuszeffektusnak nevezett jelenséget.

A lótusz levele távolról sem sima. Néhány mikrométer (a méter milliomod része) magas dudorokkal van teli, amelyeket 1 nanométeres (a méter milliárdod része) viaszkristályok borítanak. A viaszkristályok víztaszítók, ezért a vízcseppek leperegnek a levél felszínéről. A mikrométeres és a nanométeres nagyságrendű struktúrák különleges kombinációja rendkívüli mértékben csökkenti a felszín és a vízmolekulák érintkezési felületét, ami a tisztítási folyamat kulcsa. Ez magyarázza, hogy még egy enyhe zápor is tisztára mossa a leveleket.

A lótuszlevél felszíne (renderelt elektronmikroszkópos felvétel). A gömbök a szennyeződéseket lesodró vízcseppek

A lótusznak ez az öntisztuló képessége természetesen nem kerülte el a biomimetikával foglalkozó kutatók figyelmét sem. Mára több módon is felhasználják a lótuszeffektust. A BASF cég kifejlesztett egy nanorészecskéket alkalmazó vízlepergető sprayt. Az ebben lévő vízálló polimerek és viasz hatékonyan képes utánozni a lótuszeffektust. A sportszergyártó cégek pedig olyan korcsolyaruhákat gyártanak, amelyek felületi szerkezete a lótuszlevéléhez hasonló, és így szabadítja meg a ruhát az olvad jégtől és szennyeződéstől.

Cápabőrt utánzó úszódresszek

Az ember bőre bámulatos anyag. Vízálló, lélegző, önjavító, egy dologra viszont kevéssé alkalmas: úszásra. A víz nem áramlik simán a bőrfelszín mellett, jórész azért, mert a bőr (a vízfelvétel miatt) bizonyos vízben töltött idő után elkezd ráncosodni. A bőrből kinövő szőrszálak még jobban rontják az úszóteljesítményt.

A Speedo Fastskin nevű úszódressze (alul balra a dressz, jobbra a cápabőr nagyított képe)

A cápák úszáshoz alkalmazkodott bőre egészen más. A testfelületet apró, úgynevezett placoid pikkelyek borítják, amelyek tökéletes vízáramlást tesznek lehetővé. Ezt a tulajdonságot kihasználva kezdtek tervezni a Speedo sportszergyártó cég mérnökei olyan egész testet beborító, testhez simuló úszódresszeket, amelyeket parányi, V alakú csatornák borítanak, így a ruha felszíne nagyon hasonló a cápák pikkelyes bőréhez. A Speedo mérései szerint ezek a Fastskin ("gyorsbőr") nevű ruhák akár 3 százalékkal is felgyorsíthatják az úszókat. Természetesen a többi sportszergyártó cég is beszállt az úszók kegyeiért vívott harcba. Úgy tűnik azonban a cápadresszeknek hamarosan leáldozik, mert a FINA Nemzetközi Úszó Szövetség szigorú szabványokkal korlátozza a szuperruhák versenyeken való viseletét.

Páncélok

Az emberek ősidőktől fogva háborúznak egymással, ezért már nagyon régóta próbálják ellesni az élővilágból a hatékony védekező eszközöket. Ennek egyik kezdetleges módja volt például a bőrpáncélok és bőrpajzsok alkalmazása. A mai biomimetika ennél sokkal hatékonyabb megoldásokat igyekszik átvenni a természetből.

Vértezet fülcsigából

A fülcsigák kagylóhéjukhoz egy erősen rendezett, téglaszerűen mozaik szerkezetet hoznak létre, mely elméletileg a legerősebb mozaikelrendezés a világon. Marc A. Meyers a Kaliforniai Egyetem kutatója szerint ezek a "csempék" kalcium-karbonátból vagyis mészkőből állnak, melyeket alul és felül egy vékony proteinréteg borít.

A fülcsigák héjának rétegezett szerkezete arra ösztönözte a kutatócsoportot, hogy kifejlesszenek egy teljesen új szintetikus anyagot, a puhatestűeket használva vezetőként. Az így készült vért nem állítja ugyan meg az AK47-es gépkarabély lövedékét, ám a puhatestűek házépítésének megfigyelése segít Meyers csapatának és a többi kutatónak pillesúlyú, és hatékony testpáncélt kifejleszteni katonák, rendőrség és hasonló területeken dolgozó emberek számára.

Háromrétegű páncél

Amerikai kutatók ezen a héten számoltak be egy egészen különleges csigahéjról az Amerikai Tudományos Akadémia folyóiratában (PNAS). Christine Ortiz és munkatársai az Indiai-óceán egyik mélytengeri füstölgője közelében talált Crysomallon squamiferum puhatestű vasban gazdag héját tanulmányozták. A kutatók elkészítették a három rétegből álló héj számítógépes modelljét.

Crysomallon squamiferum csiga

Az állat természetes védőrendszerének szimulációjával földerítették, hogyan védi meg magát a csiga a ragadozóktól, miközben megtartja mozgásképességét és testfolyamatainak szabályozását. Az elemzés azt mutatta, hogy a réteges elrendeződés az egyes rétegek egyedi szerkezetével kombinálva véd a behatolástól, javítja az energiaeloszlást és ellenáll a hajlításnak. A kutatók szerint a természetes páncél jó kiindulási modellként szolgálhat a mérnökök számára az embereket védő újfajta anyagok kidolgozásához.

Hajlékony testpáncél

A Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) mérnökei egy "élő kövület", a "dinoszauruszangolna" (Polypterus senegalus) nevű hal pikkelyes páncéljának emberi felhasználásán dolgoznak. Az angolna egymást átfedő, páncélos pikkelylemezei először szétszórják a támadás energiáját, majd megvédik a behatolástól az alattuk lévő lágy szöveteket, végül a támadás közvetlen környezetében lévő lemezekre koncentrálják az esetleges károsodást.

Az angolnát négy rétegű páncélos pikkelyréteg borítja, mindegyik körülbelül 500 mikrométer vastag. A MIT kutatói úgy vélik, hogy a bőrlemezek különféle összetevő anyagai, geometriája és eltérő vastagsága együttesen járul hozzá a páncél hatékonyságához. A MIT kutatói szerint ez a felépítés kiválóan alkalmas lenne egy hatékony, egyúttal hajlékony emberi testpáncél kifejlesztéséhez. Hasonló páncél (az úgynevezett Dragon Skin, azaz Sárkánybőr) már létezik a valóságban is. A halpikkelyeket itt kerámialemezek helyettesítik, de érdemes kísérletezni a természetes anyagokkal is.

Pókfonál, a jövő anyaga

A pókfonál a világ legerősebb természetes anyaga. Ötször akkora súlyt képes megtartani, mint a hasonló vastagságú acélszál, háromszor annyira nyúlékony (azaz szívósabb), mint a világ jelenleg gyártott legerősebb fonala a Kevlar, amelyből - többek közt - a golyóálló mellények készülnek. Ezért a kutatók mindent megtesznek, hogy megfejtsék a kémiai és fizikai szerkezetét, illetve megvalósítsák az ipari mennyiségű gyártását. Részsikereket már elértek, de a "nagyüzemi" pókfonálgyártás - ami forradalmasíthatna sok iparágat - egyelőre még várat magára.