En innføring i bioinspirert design

Transkript

1 En innføring i bioinspirert design Mange hverdagslige ting har hentet inspirasjon fra naturen, men vil fremtidens øyepleieprodukter være bioinspirert av øyet? Dr. Peter Vukusic og Professor Joe Barr ser på noen vanlige eksempler på bioinspirert design og hvordan dette prinsippet kan brukes på kontaktlinser Innenfor biologien finnes det mange eksempler på svært funksjonell og tilpasset design som dyr eller planter drar nytte av i sin samhandling med hverandre og omgivelsene. Vitenskapen søker ofte inspirasjon fra naturen for å finne løsninger på teknologiske, biomedisinske eller industrielle utfordringer. Bioinspirert design, som noen ganger kalles biomimetisk design 1 har mange bruksområder innenfor hverdagslige produkter. En oppfinnelse som ofte brukes som eksempel, er borrelås (figur 1). Figur 1: Krok- og løkkestrukturen som understøtter borrelåsoverflatens klebende egenskaper, brukes ofte som eksempel på bioinspirert design Mekanismen bak borrelås ble oppdaget av den sveitsiske ingeniøren George de Mestral i Da han kom tilbake etter å ha gått tur i Alpene med hunden sin, la han merke til at det hadde samlet seg frø fra borreplanter i hundepelsen. Nærmere undersøkelser avslørte at frøene hadde mange små kroker ytterst på

2 beskyttelsespiggene. Med disse fikk frøene godt feste i løkkene som hadde dannet seg i dyrehårene. De Mestral så at det var mulig å holde sammen to syntetiske overflater ved å lage et tilsvarende kunstig system med kroker og løkker som kan festes til slike overflater. Oppfinnelsen hans ble til slutt patentert, og det ble satt i gang kommersiell produksjon. Siden dette har borrelås dekket en rekke funksjoner innenfor ulike bruksområder hjemme og innenfor vitenskap, industri og forsvar. Dyreanalogier I nyere tid har studier av biologi og natur avdekket potensialet for mange andre bioinspirerte produkter. Blant disse er gekkotape, en tape basert på samme prinsipp som gekkoen bruker for å klebe føttene godt fast til jevne overflater (figur 2). Gekkoer er kjent for sin enestående evne til å klatre. Dette gjør dem i stand til å løpe raskt langs de fleste overflatetyper, til og med vertikalt, og til å løsne de fastklebede føttene i løpet av millisekunder. Gekkoens klebing til overflaten er avhengig av mikroskopiske grenlignende fibre som dekker undersidene av føttene. Disse fibrene, som kalles seta (vises i bakgrunnen i figur 2), består av stivt, fjærlignende hydrofobt keratin og er selvrensende. Dette gjør det mulig å feste og løsne klebeflatene raskt, og de fungerer godt gjennom mange måneders konstant bruk der det ofte veksler mellom forskjellige grader av rene og skitne forhold. Figur 2: Firfislen G gekko med ett bein som henger fast på en glassplate (foran) og børstestrukturene på festeorganene (bak). (Bilder med tillatelse fra Stanislav Gorb. Copyright (2005) National Academy of Sciences, USA.)

3 Syntetiske overflater som er utformet for å fungere på denne måten, er i tidlige faser av utviklingen. Til nisjebruk vil gekkotape gi mye mer effektive og hensiktsmessige klebeegenskaper enn tradisjonell viskoelastisk polymerbasert tape. Planting av frø Selv om dyresystemet gir stort potensial for bioinspirasjon innenfor teknologi, industri og biomedisin, har planter også vært en verdifull inspirasjonskilde. Ett eksempel er bladet på lotusplanten, som har såkalt superhydrofobisitet, som ofte kalles lotuseffekten på grunn av de svært vannavstøtende bladene til lotusplanten (figur 3a). Figur 3a: Vann renner ned langs overflaten på dette lotusbladet (Nelumbo nucifera) på grunn av superhydrofobisitet. Når de små vanndråpene ruller over denne overflaten, samler de opp partikler av skitt og bakterier fra overflaten slik at overflaten blir renere. (Bilder med tillatelse fra Ralf Pfeifer.) Lotusbladet har protuberanser i mikroskala og hårlignende strukturer i nanoskala, kombinert med en voksaktig overflatesammensetning. Når en regndråpe faller på bladet, danner den en svært høy kontaktvinkel med overflaten, og dermed dannes det en sfærisk perle (figur 3b). Mindre enn 5 prosent av overflateområdet på disse perlene er i kontakt med bladet, og de ruller over overflaten når bladet vippes, godt hjulpet av overflatestruk-

4 turene og av luft som er fanget under perlen. Dette fører til at de samler opp og fjerner skitt og bakterier fra bladoverflaten 2. Eksempler på bruksområder som er inspirert av denne effekten, er blant annet aerosol-basert spraylakk til bruk i arkitektur, som gjør yttervegger vannavstøtende og selvrensende og eksterne glassoverflater strukturerte for å gi en selvrensende effekt. Figur 3b: Vanndråper på en treoverflate behandlet med BASFs Lotus-spray, som har gjort overflaten ekstremt vannavstøtende (superhydrofobisk). (Bilder med tillatelse fra BASF.) Lys og farge Bruk av bioinspirasjon ved design og utvikling av bruksområder for optiske funksjoner har utviklet seg kraftig i løpet av det siste tiåret. Mange biologiske systemer har utviklet distinkte metoder for å manipulere propagering av lys og farge. Fotonikk bygger på prinsippene som kan brukes til kraftig manipulasjon av elektromagnetisk stråling når den interagerer med periodiske variasjoner i refraktiv indeks 3. Enkle systemer, for eksempel rillene på en CD-plate eller antireflekterende belegg på brilleglass er hverdagslige eksempler på dette fenomenet. I disse eksemplene observeres spektralfarger på grunn av den diffraktive effekten på CD-platens riller, mens det observeres farget refleksjon fra linser på grunn av interferens i belegget med flere lag. Denne formen for fargegenerering er forskjellig fra den som dannes ved lysab-

5 sorpsjon i pigmenter eller farger. Sistnevnte dannes av kromoforer pigmenter som selektivt absorberer noen bølgelengder, samtidig som de sprer andre mens fotoniske systemer manipulerer lyset direkte gjennom koherent spredning og gjør at noen bølgelengdebånd kan overføres via systemet mens andre hindres. De båndene som hindres i å bli overført, reflekteres og utgjør eller bidrar til fargeutseendet på systemet. Vanlige eksempler på dette er de blå fjærene på en påfugl eller sølvskjellene på noen fisker. Hos visse dyre- og plantearter er fotonisk basert fargeutseende svært høyt utviklet. Vi har for eksempel de strålende blå selvlysende fargene på Morphosommerfugler (figur 4a). De intense fargene og den iøynefallende skjønnheten til disse artene skyldes en rekke koherente spredningsstrukturer med mange lag, som dekker skjellene på vingene. Den lagdannede strukturen og ryggene gir kraftig irisering og forbedrer i tillegg vinkelsynet til dyret 4. Figur 4a: Den svært iøynefallende blåfargen til Morpho-sommerfugler (M rhetenor avbildet her) oppstår på grunn av koherent spredning av lys i periodiske elementer av nano- og mikronstørrelse på og inne i sommerfuglens vingeskjell. Kosmetikk til forfalskninger Kosmetikkdesign har hentet inspirasjon fra Morpho og andre sommerfugler. L Oreal har særlig vært en pioner innenfor bruk av biooptikk som inspirasjon i

6 kosmetikkindustrien. Ved å etterligne måten som lys og farger blir manipulert på i skjellene til Morpho-sommerfuglen, men ved å bruke inerte syntetiske materialer til å danne en rekke periodiske mikro- og nanostrukturer, har L Oreal forbedret estetikken i de kosmetiske produktene ved å bruke et design inspirert av naturen (figur 4b). Figur 4b: L Oreal har brukt inspirasjon fra biologiske fotoniske systemer for å designe en fotonisk basert kosmetikkserie. (Bilder med tillatelse fra L Oreal.) Mange dyrearters visuelle utseende består av optiske egenskaper som er åpenbart iøynefallende for menneskeøyne, og andre optiske egenskaper som er skjult slik at de er usynlige for menneskeøyne. Dette har gitt direkte bioinspirasjon på andre uvanlige bruksområder - utstyr for å avdekke forfalskninger. Selv om mye av det kommersielle utviklingsarbeidet på dette området fremdeles er svært hemmelig, kan patentsøk avsløre noe informasjon. Papilio palinurus ser grønn ut for mennesker, men vingeskjellene består av områder i mikronstørrelse med gule og blå fargesentre side om side 5. Menneskeøyet kan ikke oppfatte slike små enkeltstående fargesenterområder, og derfor oppstår det additive fargeblandingsprosesser som skaper inntrykk av en helt grønn vinge. I en syntetisk analogi oppstår potensialet for en skjult sikkerhetsfunksjon ut fra

7 måten en av de to enkeltfargene reflekteres på (figur 6). De blå fargesenterkomponentene alene danner en dobbel reflektering av lys som faller inn fra de skrånende sidene på hver flerlagsstruktur. Dette fører til at refleksjonen av blåfargen blir polarisert og gir den en egenskap som ikke finnes i den reflekterte gule komponenten. For avdekking av forfalskninger gir syntetiske strukturelle variasjoner på dette biologiske systemet store fordeler, og dette er for tiden under utvikling for å kunne produsere det siste innenfor valutarelaterte bruksområder, for eksempel OVD Kinegram-produktet som vises i figur 5b. Figur 5a og 5b: Den kraftige grønnfargen på vingene til Papilio palinurus er et resultat av additiv fargeblanding, som oppstår gjennom mikroskopiske fargesentre plassert side ved side som samtidig reflekterer strukturelle farger, gult og blått (venstre), fra samme enkeltstående fotoniske nanostruktur. Slike egenskaper kan danne grunnlag for avanserte logoer som kan bidra til å forhindre forfalskninger på valuta (høyre). Etterligning av det naturlige øyet Bioinspirerte konsepter kan spille en viktig rolle ved utvikling av medisinsk utstyr som gir enestående produkter for pasientene. Innenfor oftalmi prøver akkomodative intraokulære linser å etterligne den naturlige krystallinske linsen så godt som mulig. De beveger seg inne i øyet slik at pasientene ser like klart på kort, middels og lang avstand. B+L Crystalens HD er en intraokulær linse med forbedret akkommodativ optikk som gir pasientene det beste fra begge verdener ved å forbedre dybdefokuset, og den er designet på samme måte som den naturlige linsen. Den hverdagslige måten Crystalens fungerer på - måten den faktisk beveger seg i øyet - er så nær du kan komme den naturlige linsen (figur 6).

8 På kontaktlinseområdet har vitenskapen allerede brukt bioinspirasjon på kontaktlinsematerialer for å etterligne egenskapene for den okulære overflaten, og kommet frem til øyedråpeoppskrifter som motvirker okulær dehydrering ut fra forståelse og etterligning av fysiologien i øyet. Avstand Middels Nært B+L Crystalens HD - forbedret akkommodativ optikk (IOL), designet som naturlige linser. Forståelse for menneskets tårefilm og tårekomponenter kan også inspirere til oppfinnelse av nye design som gir optimale løsninger for kontaktlinsebrukere. Tårefilmen inneholder for eksempel proteiner og lipider som er svært viktige for å beskytte og smøre hornhinnen og conjuctiva. Proteiner som lysozym og laktoferrin beskytter øyet mot infeksjoner på en naturlig måte, basert på de antimikrobielle egenskapene de har. Lipokalin i tårer er et protein som bindes til lipider, og det er kjent for å forhindre uttørking av hornhinneoverflaten. Teknologier som etteraper øyet ved å beskytte strukturen og funksjonen til lipokalin i tårer, kan opprettholde homeostase, noe som er viktig å ta hensyn til ved bioinspirasjon. Fremtiden Å gi kundene en enda bedre opplevelse ved kontaktlinsebruk er en av de viktigste oppgavene for produsenter og leverandører av kontaktlinser og linsepleieprodukter. Innenfor markedsføring, forskning og utvikling og produksjon letes det

9 konstant etter måter å komme frem til nye design på, for å dekke dette viktige kundebehovet. Naturen og menneskekroppen er fantastiske databaser fulle av ideer og konsepter som det er mulig å låne fra. Bioinspirasjon leder oss i nye retninger som ikke er produkter av våre egne begrensede erfaringer, men av millioner av år med evolusjon i naturen. Bioinspirerte materialer og behandlinger er allerede på vei inn i alle helsepleiesegmenter, blant annet øyepleie. Bioinspirerte bruksområder kan gi synskorrigering med kontaktlinser samtidig som bruksopplevelsen er identisk til naturlige forhold. Hvis polymerene som brukes til å lage kontaktlinser ble utvunnet naturlig, eller hvis linsene er designet slik at tåreflyten mellom linsen og hornhinneoverflaten etterligner biologien i øyet, ville kundene sette linsene på øyet og snart glemme at de bruker linser. De ville kunne bruke linsen hele dagen i alle slags miljøer, og likevel ikke føle irritasjon eller ubehag. Etter som øyevitenskapen avdekker mer kunnskap om øyet og hvordan det vedlikeholder seg selv, vil det komme flere produkter basert på dette mirakuløse organet. Og når det skjer, kan vi hevde at bioinspirasjon for kontaktlinsebrukere har vært vellykket. Referanser 1. Sanchez C, Arribart H og Guille MMG. Biomimetism and bioinspiration as tools for the design of innovative materials and systems. Nature Materials 2005; 4: Barthlott W og Neinhuis C. The lotus-effect: nature s model for self cleaning surfaces. International Textile Bulletin (2001);1: Vukusic P og Sambles JR. Photonic structures in biology. Nature 2003; 424: Vukusic P, Sambles JR, Lawrence CR og Wootton RJ. Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proc Roy Soc Lond B 1999;266: Vukusic P, Sambles JR og Lawrence CR. Structural colour: colour mixing in the wing scales of a butterfly. Nature 2000;404: 457. Dr. Peter Vukusic er Associate Professor på School of Physics ved universitetet i Exeter. Professor Joe Barr er Vice President for globale kliniske og medisinske spørsmål og profesjonelle tjenester (synspleie) hos Bausch + Lomb. Først publisert i Optician 9. april 2010