Zes ingenieuze innovaties geïnspireerd door de natuur

  • Spindraad gerepliceerd door genetisch gemodificeerde micro-organismen
  • Snellere zwemkleding en nóg gestroomlijndere vliegtuigen – technologie geïnspireerd door haaienhuid
  • Woestijnkever uit Namibië laat zien hoe je vocht moet opvangen
  • Bacteriënbatterij – duurzame oplossing voor het opslaan van hernieuwbare energie
  • Met gekkovoeten-techniek kun je een glazen wand beklimmen
  • Hyper-waterafstotend materiaal geïnspireerd door vlindervleugels

Natuur en technologie zijn eigenlijk tegengestelde krachten. Er is echter een intrinsieke relatie tussen ecologie en technologie – wij maken immers deel uit van de natuur. Maar met de exponentiële technologische ontwikkelingen hebben onze conflicten met het ecosysteem ernstige vormen aangenomen. Gelukkig zijn er ook ontwikkelingen zoals generatief ontwerp en Biomimicry, waardoor we langzaam een keerpunt bereiken. We zijn steeds vaker op zoek naar technologische mogelijkheden die strategische afstemming met het ecosysteem mogelijk maken. Eén van deze technologieën is Biomimicry – het nabootsen van patronen en processen uit de natuur om duurzame oplossingen te vinden voor de uitdagingen waar de mensheid mee te maken heeft. Tal van technologische innovaties zijn voortgevloeid uit het imiteren van patronen in de natuur.

1. Spindraad gerepliceerd door genetisch gemodificeerde micro-organismen

Het zijden draad waar spinnen hun web mee maken is een natuurlijk supermateriaal. Sommige van deze zijdesoorten zijn sterker, flexibeler en lichter in gewicht dan staal en Kevlar. Met gerepliceerd spindraad kunnen we biologisch afbreekbare flessen, kogelvrije vesten en zelfs hanglijnen voor bruggen maken. Wetenschappers hebben jarenlang geprobeerd om spindraad na te maken maar het is nooit commercieel levensvatbaar geworden. Omdat de draden zo ragfijn en delicaat zijn, zouden er compleet nieuwe  weefmethoden ontwikkeld moeten worden om de draden tot stof te kunnen verwerken. Ook zou het alleen rendabel zijn als producten gemaakt van het duurzame en ijzersterke spindraad massaal geproduceerd zouden worden en dat is tot voor kort nog niet mogelijk geweest. Deze uitdaging lijkt nu echter  overwonnen  door initiatieven van Bolt Threads, een startup in Californië. Het team van Bolt is begonnen met het gebruik van zijdeproteïnen, gemaakt met genetisch gemodificeerd gistbrouwsel. Deze zijdeproteïnen kunnen hun vezelstructuur veranderen net zoals spinnen in de natuur loop-, kleef-, aanhechtings- of cocondraden produceren, al naargelang de situatie. De eerste productenlijn gemaakt van gemodificeerd spindraad van Bolt Threads zal voornamelijk bestaan ​​uit kleding. De stof is sterker dan nylon en fijner dan katoen. En het is duurzaam. Volgens het team van Bolt Threads is de kledinglijn slechts het begin. Als ze erin slagen om op grotere schaal te produceren zijn de mogelijkheden eindeloos.

2. Snellere zwemkleding en nóg gestroomlijndere vliegtuigen – technologie geïnspireerd door haaienhuid

Naast hun vlijmscherpe tanden, staan haaien ook bekend om hun ruwe huid die aanvoelt als schuurpapier. Haaienhuid is namelijk bedekt met tandachtige, voor het menselijk oog onzichtbare schubben die ‘dentikels’ heten. Het is al geruime tijd bekend dat haaien door deze speciale schubben extreem hoge snelheden en wendbaarheid kunnen bereiken. Dit komt omdat de dentikels het water dusdanig stroomlijnen dat de weerstand sterk afneemt. Wetenschappers hebben recent zeer realistische kunstmatige haaienhuid ontwikkeld waarmee zwemprestaties – met name die van zwemmende robots – verbeterd kunnen worden. Het team maakte een microscan van de huid van een kortvinmakreelhaai, waarmee een 3D-model van zo’n dentikel ontwikkeld werd. Het model werd vervolgens duizenden keren digitaal herhaald en met het resultaat konden ze uiteindelijk een gecomputeriseerde simulatie van de huid ontwikkelen.

In de daaropvolgende fase van het project werd de 3D-geprinte kunstmatige haaienhuid op beide zijden van een flexibel blad bevestigd om het flappen van een vissenvin te kunnen nabootsen. Het team ontdekte dat de zwemsnelheid door de haaienhuid met bijna 7 procent toenam, terwijl de energie die nodig was om te zwemmen met 6 afnam. Kunstmatige haaienhuid zou in principe perfect zijn om in zwemkleding te verwerken maar het is in dit stadium van de ontwikkeling nog te gecompliceerd om het materiaal op grote schaal te produceren. Nadat een zwempak van gesimuleerde haaienhuid een aantal jaren geleden werd geïntroduceerd, slaagden diverse topzwemmers erin om nieuwe wereldrecords te vestigen. Omdat men de ingenieuze materialen omstreden vond, werden de zwempakken tijdens wedstrijden al snel weer verboden. Wel wordt er onderzoek gedaan naar het gebruik van de gesimuleerde haaienhuid voor flexibele, visachtige onderwaterrobots en voor mogelijke toepassingen in de luchtvaart.

Microscopische afbeelding van kunstmatige haaienhuid
Een microscopische vergroting van haaienhuid – dentikels.

3. Woestijnkever uit Namibië laat zien hoe je vocht moet opvangen

In de Namibië-woestijn, aan de zuidwest kust van Afrika, regent het bijna nooit. Het is een van de droogste woestijnen ter wereld. ’s Nachts koelt het echter sterk af en ontstaat er mist. De evolutie heeft bij de woestijnkever gezorgd voor een ingenieus patroon van hydrofobe en hydrofiele vlakken. Het hydrofiele materiaal onttrekt de waterdamp uit de lucht waarna de waterafstotende puntjes op het schild van de kever de damp omzetten in druppels. Het kevertje doet vervolgens een handstand, waarna de druppels naar zijn bek rollen. Met technologie ontleend aan de techniek van de woestijnkever ontwikkelde designer Pak Kitae de ingenieuze biomimetische ‘Dew Bank bottle’. De stalen veldfles bootst de vorm, de hoek en het oppervlak van de vleugels van de woestijnkever na waardoor het proces waarmee de kever water verzamelt gerepliceerd wordt. Als je de fles ’s nachts buiten laat staan verandert de warme lucht van overdag in condensatie op het koude stalen oppervlak. Dit zorgt ’s morgens voor een glas schoon drinkwater, zelfs in de droogste klimaten.

Lees ook: Hector de Robot Insect

4. Bacteriënbatterij – duurzame oplossing voor het opslaan van hernieuwbare energie

fossiele brandstoffen terug te dringen en onze koolstofvoetafdruk te verlagen, winnen hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie gestaag terrein. Deze energie moet ook opgeslagen worden maar dat is vanwege problemen met veiligheid en de hoge kosten van de lithium-ion batterijen nogal een uitdaging. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Wageningen ontwikkelde een duurzamere oplossing voor het opslaan van hernieuwbare energie. Het team combineerde twee afzonderlijke microbiële energiesystemen – het ene systeem gebruikt bacteriën om elektriciteit om te zetten in acetaat, terwijl het andere systeem acetaat weer omzet in elektriciteit. Gekoppeld aan een chemische tegen-elektrode werd de bacteriënbatterij zestien uur lang opgeladen en kon hij vervolgens vier uur lang stabiel energie leveren. Als deze bacteriënbatterij verder ontwikkeld en geoptimaliseerd wordt kan hij makkelijk concurreren met de huidige lithium-ion batterijen en hernieuwbare energie veiliger en goedkoper opslaan.

5. Met gekkovoeten-techniek kun je een glazen wand beklimmen

Met behulp van honderdduizenden voethaartjes, elk vertakt in honderden nog kleinere, lepelvormige uitsteeksels, klimmen gekko’s met gemak tegen muren op. De vanderwaalskracht – de aantrekkingskracht tussen moleculen van het oppervlak en die van de haartjes – zorgt ervoor dat de gekko blijft plakken. Een team van onderzoekers van Stanford University ontwikkelde een set ‘pads’ (hand- en voetsteunen) op basis van de gekkovoeten – de voethaartjes van de gekko nagebootst met duizenden kleine silliconendeeltjes, samengebonden in kleine tegeltjes. Met behulp van deze pads klom een 70-kilo wegende PHD-student tegen een glazen wand op. Deze technologie maakt onbeperkte toepassingen mogelijk in verschillende industrieën, en kan leiden tot een vermindering van schadelijke chemische lijmstoffen. Het onderzoeksteam werkt ook samen met het Jet Propulsion Lab van NASA om de techniek te verfijnen voor gebruik in klimmende robots en grijpers die zonnepanelen en ruimtepuin kunnen vastpakken. Natuurlijk werd het experiment met de student gedaan op een zeer schoon en glad oppervlak. Wetenschappers zullen dan ook nog moeten aantonen of deze technologie ook op stoffige en vochtige oppervlakten werkt.

6. Hyper-waterafstotend materiaal geïnspireerd door vlindervleugels

Een team van MIT ingenieurs heeft het meest effectieve waterafstotende materiaal ooit ontwikkeld. Het ontwerp is geïnspireerd door de minuscule ribbels op de vleugels van de Morphovlinder. Deze asymmetrische richels zorgen ervoor dat waterdruppels opsplitsen in kleine deeltjes, waarna ze van het oppervlak worden geslingerd. Het op deze vlindervleugels geïnspireerde materiaal is zo effectief dat waterdruppels zelfs bij extreem koude temperaturen onmiddellijk van het oppervlak stuiteren, nog voordat ze de kans krijgen om te bevriezen. Naast voor de hand liggende toepassingen zoals waterbestendige kleding, is deze silliconenstructuur ook veelbelovend als coating op schepen (minder weerstand), bij medische instrumenten (betere hygiëne) en op auto’s en vliegtuigen zodat die schoner en ijsvrij blijven.

Conclusie

Steeds meer nieuwe technologische innovaties laten zich inspireren door ecologische processen en organismen in de natuur. Biomimicry en generatief ontwerp weerspiegelen de cyclus van de evolutie en worden steeds populairder. Omdat zoveel van onze technologische innovaties gebaseerd zijn op wat we in de natuur zien moeten ecologisch onderzoek en initiatieven omtrent het behoud van onze dier- en plantensoorten ook bovenaan onze prioriteitenlijst staan. Ons leven hangt ervan af.

Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Trendwatcher, futurist en internationaal topspreker Richard Van Hooijdonk neemt je mee naar een inspirerende toekomst die leven, werken en ondernemen drastisch gaat veranderen.

Alle Lezingen