Van klittenband tot bullet-treinen, de natuur heeft een aantal van de meest indrukwekkende prestaties van menselijke innovatie geïnspireerd. Deze zomer zal een krabachtige onderwaterrobot, ontwikkeld door Koreaanse wetenschappers, op zoek gaan naar oude artefacten in de Gele Zee. Drones bootsen de vliegbewegingen van vogels en bijen na. En onze biomimetische toekomst ziet er rooskleurig uit.
Een handjevol onderzoekers staat nu aan de vooravond van een nieuwe creatie: synthetische huid.
Zeedieren gebruiken hun huid om te helpen navigeren en hun omgeving te overleven. Dolfijnen die in koud water leven, hebben eigenlijk een dikke huid om hun lichaam te isoleren en warm te blijven. De sukkelachtige huid van Octopuses bevat niet alleen miljoenen zenuwen die hen helpen prooien te herkennen en te grijpen, maar het is ook ingebed met unieke kleurveranderende cellen die ze onzichtbaar kunnen maken voor roofdieren. De huidbobbels langs de borstvinnen van de bultrug vergroten het drijfvermogen van het dier. Wetenschappers zien dus potentieel.
Met behulp van 3D-printen en computermodelleringstechnologie ontwikkelen onderzoekers kunstmatige maar realistische zeehuiden voor gebruik in alles, van antimicrobiële deurgrepen tot onderwaterrobots. George Lauder, een ichtyoloog aan de Harvard University in Boston, en zijn team hebben de eerste echte kunstmatige haaienhuid ontwikkeld met behulp van een 3D-printer van topkwaliteit.
Eerdere pogingen hadden betrekking op rubberen matrijzen en stof, en onderzoekers hadden moeite om materiaal te maken met zowel zachte als harde componenten. Op haaienhuid geïnspireerde zwemkleding maakte een plons op de Olympische Spelen van 2008, maar het onderzoeksteam van Lauder ontdekte eigenlijk dat het materiaal in pakken zoals Speedo's Fastskin II de haaienhuid niet echt nabootst of de luchtweerstand vermindert, omdat het geen denticles bevat.
Haaien kunnen met hoge snelheden door oceaanwater zwemmen dankzij kleine, tandachtige denticles die hun zijdezachte huid bedekken. "Dat blijkt een zeer kritisch kenmerk van de prestaties van haaienhuid tijdens het zwemmen, " zegt Lauder. Je zou denken dat een gladdere huid beter is voor snelheid. Maar hij voegt eraan toe: "Het is eigenlijk goed om ruw te zijn, om een bepaald ruw oppervlak te hebben als je zo efficiënt mogelijk door een vloeiende omgeving, water of lucht wilt bewegen."
Met behulp van een micro-CT-scanner scant het team van Lauder de werkelijke huid van de mako-haai. Van de scan maakten ze een 3D-model en stuurden het model naar een 3D-printer, die een kunststof polymeermateriaal maakte met een zachte basis bedekt met harde denticle-achtige structuren. Het eindproduct heeft het gevoel van sandpapery van haaienhuid. In een tank in hun laboratorium testten de onderzoekers de kunstmatige huid en ontdekten dat deze de snelheid met 6, 6 procent verhoogde en het energieverbruik met 5, 9 procent verminderde in vergelijking met een gladde plastic vin zonder denticles.
Een sterk vergroot beeld van de denticelpatronen op het hoofd van een makohaai. (Afbeelding: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver en George Lauder) 
De denticles op het hoofd van een haai. (Afbeelding: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver en George Lauder) Haaivinnen denticles (Afbeelding: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver en George Lauder) 
Denticle-patronen op de slurf van een mako-haai (Afbeelding: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver en George Lauder) "Als je een zwempak zou kunnen maken met de structuur van haaienhuid denticles of schubben op een flexibel oppervlak dat je zou kunnen dragen en dat vergelijkbaar was met een wetsuit over het hele lichaam, zou het je zwemprestaties echt verbeteren, " zegt Lauder. Maar dit nieuwe materiaal is nog niet helemaal klaar voor prime time. "Het zou op dit moment heel, heel uitdagend zijn om dit soort structuur in elke stof op te nemen, " voegt hij eraan toe. Het is een prestatie voor het volgende decennium.
Een haaienhuidachtig materiaal kan ook dienen als een verdedigingslinie tegen biofouling of de ophoping van algen en zeepokken op de bodem van schepen. De meeste aangroeiwerende verf is giftig, dus kunstmatige haaienhuid kan een milieuvriendelijk alternatief bieden. In 2005 ontwikkelden onderzoekers in Duitsland een siliconenmateriaal, geïnspireerd op de haaienhuid, dat de nederzetting van zeepokken met 67 procent verminderde. Toen, in 2008, nam ingenieur Anthony Brennan een vergelijkbare aanpak, het creëren van een materiaal genaamd Sharklet met een denticle-achtige textuur en voorkomt 85 procent van de normale algenhechting op gladde oppervlakken. Sharklet is ook toegepast op medische hulpmiddelen en ziekenhuisoppervlakken. In ziekenhuizen en zelfs openbare badkamers kunnen bacteriën zich gemakkelijk van persoon tot persoon verspreiden, dus het coaten van deze deurknoppen en apparatuur in een materiaal dat bacteriën weerstaat, kan infecties verminderen.
Onderzoekers van de Duke University in North Carolina ontwikkelden ook een anti-fouling materiaal dat trilt of rimpelt zoals dierenhuid (in dit geval kan een paard dat trilt bij de aanraking van een vlieg de beste analogie is) wanneer gestimuleerd. Een andere groep aan het Imperial College London probeert een buismateriaal te maken bekleed met microscopisch kleine hobbels en chemicaliën die water afstoten - geïnspireerd door de dolfijnenhuid.
Vanuit een ontwerpperspectief kan haaienhuid ook worden gebruikt om vliegtuigvleugels energie-efficiënter te maken - een toepassing die Lauder in de toekomst nuttig lijkt te vinden. Het toevoegen van denticle-achtige structuren aan vliegtuigen kan de luchtweerstand verminderen. Langs dezelfde lijnen hebben walvis borstvinnen al helikoptervleugelontwerpen geïnspireerd.
Misschien wel het meest opwindende gebruik voor deze materialen ligt echter in het zich ontwikkelende veld van bio-geïnspireerde onderwaterrobots. "We hebben nieuwe soorten onderwaterrobots met flexibele buiglichamen die bewegen als een vis", zegt Lauder. Verschillende vis-aangedreven visrobots zijn in de maak, en logischerwijs kan het toevoegen van faux shark skin aan hen de snelheid en energie-efficiëntie verhogen. Lauder en zijn team werken samen met onderzoekers van de Drexel University in Philadelphia aan een visrobot. Sindsdien hebben ze hun onderzoek naar huidmechanica uitgebreid om ook over verschillende vissoorten te kijken en te zien hoe verschillende schaalvormen en -patronen het zwemmen beïnvloeden.
Met 3D-printen kunnen wetenschappers nog meer leren over hoe denticle- of schaalpatronen op een vis invloed hebben op zwemkrachten. “U kunt de afstand [van denticles] veranderen; je kunt ze twee keer zo uit elkaar plaatsen. Je kunt ze spreiden, ze laten overlappen, ze niet laten overlappen, en veel wijzigingen aanbrengen om de belangrijkste kenmerken van haaienhuid daadwerkelijk uit elkaar te halen, ”zegt Lauder. Deze experimenten helpen wetenschappers bij het perfectioneren van kunstmatige huiden.
"Dit is een snelgroeiend veld op dit moment", zegt George Jeronimidis, een ingenieur aan de Universiteit van Reading in het VK. "We beginnen net te begrijpen hoe geïntegreerd en functioneel de huid van zeedieren is."
Het laboratorium van Jeronimidis heeft een kunstmatige octopushuid ontwikkeld. Octopushuid heeft zijn eigen complexiteit: het is zacht, flexibel en gevuld met miljoenen sensorische neuronen die het organisme helpen zijn omgeving te navigeren. De synthetische versie van de ingenieur bestaat uit nylonvezels ingebed in siliconenrubber, die de huid flexibel maar scheurbestendig houden. Het heeft zelfs sukkels, hoewel deze passief zijn - een echte octopus kan elke sukkel individueel manipuleren.
Hoewel er nog veel werk te doen is, zouden onderwaterrobots in de toekomst de snelheid van een haai of de sensorische intelligentie van een octopus kunnen krijgen. En met een verfijnde kunstmatige huid kunnen ze zich wagen waar mensen niet kunnen - van het navigeren door de duistere wateren van olievlekken tot het zoeken naar vliegtuigwrakstukken of misschien zelfs het verkennen van de diepste diepten van de oceaan.
