Het creëren van door de natuur geïnspireerde materialen: biomimicry en duurzame innovatie

Eeuwenlang kijken mensen al naar de natuur voor inspiratie. Van de ingewikkelde ontwerpen van zeeschelpen tot de sterkte van spinnenzijde, de natuurlijke wereld biedt een schat aan ingenieuze oplossingen voor complexe problemen. Vandaag de dag is deze fascinatie een revolutie in de materiaalkunde en -techniek aan het aanjagen, wat leidt tot het creëren van door de natuur geïnspireerde materialen door middel van een proces dat biomimicry wordt genoemd.

Wat is biomimicry?

Biomimicry, afgeleid van de Griekse woorden "bios" (leven) en "mimesis" (imiteren), is de praktijk van het leren van en vervolgens het nabootsen van de vormen, processen en ecosystemen van de natuur om duurzamere en efficiëntere ontwerpen te creëren. Het gaat niet alleen om het kopiëren van de esthetiek van de natuur; het gaat om het begrijpen van de onderliggende principes en deze toe te passen om menselijke uitdagingen op te lossen.

Beschouw het als 3,8 miljard jaar aan onderzoek en ontwikkeling van de natuur, nu toegankelijk voor ons. In plaats van te vertrouwen op energie-intensieve en vervuilende industriële processen, zoekt biomimicry naar elegante, efficiënte en milieuvriendelijke oplossingen die door de evolutie zijn bewezen.

Waarom door de natuur geïnspireerde materialen belangrijk zijn

De traditionele materialenindustrie vertrouwt vaak op niet-duurzame praktijken, wat bijdraagt aan vervuiling, uitputting van hulpbronnen en klimaatverandering. Door de natuur geïnspireerde materialen bieden een weg naar een duurzamere toekomst door:

• Het verminderen van de milieu-impact: Biomimicry bevordert gesloten-lussystemen, afvalminimalisatie en het gebruik van hernieuwbare hulpbronnen.
• Het verbeteren van de efficiëntie: De ontwerpen van de natuur zijn vaak zeer efficiënt in termen van energie- en hulpbronnengebruik.
• Het verbeteren van de functionaliteit: Door de natuur geïnspireerde materialen kunnen unieke eigenschappen bezitten, zoals zelfherstellend vermogen, verbeterde hechting en verbeterde structurele integriteit.
• Het bevorderen van duurzaamheid: Door te leren van de strategieën van de natuur voor aanpassing en veerkracht, kunnen we materialen en systemen creëren die beter zijn uitgerust om milieu-uitdagingen te weerstaan.

Voorbeelden van door de natuur geïnspireerde materialen

Het gebied van biomimicry is rijk aan inspirerende voorbeelden die het potentieel van door de natuur geïnspireerde materialen in verschillende industrieën aantonen. Hier zijn een paar opmerkelijke gevallen:

1. Klittenband: geïnspireerd door klitten

Een van de bekendste voorbeelden van biomimicry is klittenband, uitgevonden door de Zwitserse ingenieur George de Mestral in de jaren 40. Na terugkomst van een jachttocht onderzocht de Mestral de klitten die aan de vacht van zijn hond en zijn kleding waren blijven hangen. Onder een microscoop ontdekte hij dat de klitten bedekt waren met kleine haakjes die zich vastzetten aan de lussen in de stof. Deze waarneming leidde tot de creatie van klittenband, een eenvoudig maar effectief bevestigingssysteem dat nu wereldwijd wordt gebruikt.

2. Zelfreinigende oppervlakken: het lotuseffect

Het lotusblad heeft een opmerkelijk vermogen om schoon te blijven, zelfs in modderige omgevingen. Dit komt door zijn micro- en nanoschaal oppervlaktestructuren, die een superhydrofoob oppervlak creëren dat water en vuil afstoot. Dit "lotuseffect" heeft de ontwikkeling geïnspireerd van zelfreinigende verven, textiel en bouwmaterialen. Bedrijven als Sto SE & Co. KGaA (Duitsland) hebben gevelverven ontwikkeld die het oppervlak van het lotusblad nabootsen om vuil- en vervuiling te weerstaan, waardoor de onderhoudskosten worden verlaagd en de esthetiek van gebouwen wereldwijd wordt verbeterd.

3. Sterke lijmen: geckopotenten

Gecko's kunnen moeiteloos muren en plafonds beklimmen dankzij de miljoenen kleine haartjes (setae) op hun voeten, die sterke van der Waals-krachten creëren met het oppervlak. Wetenschappers bestuderen dit fenomeen om nieuwe lijmen te ontwikkelen die sterk, herbruikbaar zijn en geen residu achterlaten. Onderzoeksteams over de hele wereld, waaronder die van de Universiteit van Californië, Berkeley (VS), werken aan door gecko's geïnspireerde lijmen voor toepassingen in de geneeskunde, robotica en productie. Deze lijmen zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om chirurgische tapes te creëren die zacht zijn voor de huid of om robots te ontwikkelen die muren kunnen beklimmen voor inspectie en onderhoud.

4. Lichtgewicht en sterke structuren: honingraat

De honingraatstructuur van bijenkorven is een wonder van techniek. Het is ongelooflijk lichtgewicht en toch opmerkelijk sterk, en biedt een efficiënte manier om honing op te slaan en het gewicht van de korf te dragen. Ingenieurs hebben de honingraatstructuur overgenomen in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder vliegtuigonderdelen, auto-onderdelen en bouwmaterialen. Bedrijven als EconCore (België) produceren bijvoorbeeld honingraatkernmaterialen voor sandwichpanelen die worden gebruikt in de transport- en bouwsector. De honingraatstructuur biedt een hoge sterkte-gewichtsverhouding, waardoor het brandstofverbruik in voertuigen wordt verminderd en de structurele prestaties van gebouwen worden verbeterd.

5. Duurzame verpakking: paddenstoelenverpakking

Traditionele verpakkingsmaterialen, zoals polystyreenschuim, zijn vaak niet-biologisch afbreekbaar en dragen bij aan milieuvervuiling. Paddenstoelenverpakking biedt een duurzaam alternatief. Het wordt gemaakt door mycelium (de wortelstructuur van paddenstoelen) te laten groeien rond landbouwafval, zoals hennep of zaagsel. Het mycelium bindt het afval aan elkaar en creëert een sterk en lichtgewicht materiaal dat in verschillende vormen kan worden gegoten. Zodra de verpakking niet meer nodig is, kan deze worden gecomposteerd, waardoor waardevolle voedingsstoffen terugkeren naar de bodem. Bedrijven als Ecovative Design (VS) lopen voorop bij het ontwikkelen en commercialiseren van paddenstoelenverpakkingsoplossingen voor een verscheidenheid aan industrieën, waaronder elektronica, meubels en voedselverpakkingen. Deze technologie vermindert de afhankelijkheid van op aardolie gebaseerde kunststoffen en bevordert een circulaire economie.

6. Drag Reduction: Sharkskin

Sharkskin is bedekt met kleine, tandachtige structuren, denticles genaamd, die de weerstand verminderen en haaien in staat stellen efficiënt door het water te zwemmen. Dit principe is toegepast om oppervlakken te ontwikkelen die de weerstand verminderen voor boten, vliegtuigen en zelfs zwemkleding. Bedrijven als Speedo (Australië) hebben in samenwerking met onderzoekers zwemkleding ontwikkeld die de structuur van haaienvel nabootsen om de weerstand te verminderen en de zwemprestaties te verbeteren. Deze zwemkleding is door atleten gebruikt om wereldrecords te verbreken in zwemwedstrijden.

7. Wateroogst: Namib-woestijnkever

De Namib-woestijnkever overleeft in de dorre Namib-woestijn door water uit mist te verzamelen. De hobbelige rug van de kever is bedekt met hydrofiele (wateraantrekkende) en hydrofobe (waterafstotende) gebieden. Water condenseert op de hydrofiele gebieden en rolt vervolgens in de mond van de kever. Dit mechanisme heeft de ontwikkeling geïnspireerd van mistoogstsystemen die schoon drinkwater kunnen leveren in droge gebieden. Onderzoekers en organisaties over de hele wereld, waaronder die in Marokko en Chili, implementeren mistoogstprojecten op basis van de strategie van de Namib-woestijnkever om duurzame waterbronnen te bieden voor gemeenschappen in waterarme gebieden. Deze projecten omvatten de constructie van grote netten die de rug van de kever nabootsen om water uit mist te verzamelen, wat een betrouwbare bron van drinkwater biedt voor drinkwater en irrigatie.

Het proces van het creëren van door de natuur geïnspireerde materialen

Het creëren van door de natuur geïnspireerde materialen omvat doorgaans de volgende stappen:

1. Identificeer een probleem: Definieer de uitdaging die moet worden aangepakt. Dit kan van alles zijn, van het verbeteren van de sterkte van een materiaal tot het verminderen van de milieu-impact ervan.
2. Biologisch onderzoek: Onderzoek en analyseer natuurlijke systemen die al vergelijkbare problemen hebben opgelost. Dit omvat het bestuderen van de vormen, processen en ecosystemen van relevante organismen of natuurlijke fenomenen.
3. Abstractie: Extraheer de belangrijkste principes en mechanismen die ten grondslag liggen aan de natuurlijke oplossing. Deze stap omvat het vertalen van de biologische inzichten in technische principes.
4. Nabootsing: Pas de geabstraheerde principes toe om een nieuw materiaal of systeem te ontwerpen en te creëren. Dit kan het gebruik van computermodellering, materiaalkunde en techniektechnieken omvatten om de natuurlijke oplossing na te bootsen.
5. Evaluatie: Test en evalueer de prestaties van het nieuwe materiaal of systeem. Deze stap omvat het vergelijken van de prestaties met bestaande oplossingen en het identificeren van verbeterpunten.

Uitdagingen en kansen

Hoewel het potentieel van door de natuur geïnspireerde materialen enorm is, zijn er ook uitdagingen te overwinnen:

• Complexiteit: De ontwerpen van de natuur kunnen ongelooflijk complex zijn, waardoor het moeilijk is om ze volledig te begrijpen en na te bootsen.
• Schaalbaarheid: Het opschalen van de productie van door de natuur geïnspireerde materialen kan een uitdaging zijn en vereist nieuwe productieprocessen en infrastructuur.
• Kosten: De kosten van de productie van door de natuur geïnspireerde materialen kunnen, in ieder geval in eerste instantie, hoger zijn dan die van traditionele materialen.
• Beschikbaarheid van materialen: Het verkrijgen van de benodigde grondstoffen, met name biobased materialen, op een duurzame manier kan een uitdaging zijn.

De kansen wegen echter ruimschoots op tegen de uitdagingen. Naarmate de technologie vordert en ons begrip van de natuur verdiept, kunnen we verwachten dat er een groeiend aantal door de natuur geïnspireerde materialen op de markt komt. Deze materialen hebben het potentieel om industrieën te transformeren, onze ecologische voetafdruk te verminderen en een duurzamere toekomst te creëren.

De toekomst van door de natuur geïnspireerde materialen

Het gebied van door de natuur geïnspireerde materialen evolueert snel, gedreven door de vooruitgang in de materiaalkunde, nanotechnologie en biotechnologie. Enkele van de belangrijkste trends die de toekomst van dit gebied vormgeven, zijn:

1. Nanomaterialen en nanotechnologie

Nanotechnologie speelt een cruciale rol bij het creëren van door de natuur geïnspireerde materialen door wetenschappers in staat te stellen materie op atomair en moleculair niveau te manipuleren. Dit maakt de creatie mogelijk van materialen met op maat gemaakte eigenschappen, zoals verbeterde sterkte, geleidbaarheid en reactiviteit. Onderzoekers gebruiken bijvoorbeeld nanotechnologie om kunstmatige spinnenzijde te creëren met uitzonderlijke sterkte en elasticiteit, evenals zelfherstellende polymeren die schade op de nanoschaal kunnen herstellen.

2. Geavanceerde productietechnieken

Geavanceerde productietechnieken, zoals 3D-printen en biofabricage, maken de creatie mogelijk van complexe en ingewikkelde structuren geïnspireerd door de natuur. 3D-printen maakt de precieze fabricage mogelijk van materialen met complexe geometrieën, terwijl biofabricage levende cellen gebruikt om functionele materialen te creëren. Deze technieken openen nieuwe mogelijkheden voor het creëren van door de natuur geïnspireerde materialen met ongekende functionaliteit en prestaties.

3. Duurzame en hernieuwbare bronnen

Het gebruik van duurzame en hernieuwbare bronnen wordt steeds belangrijker bij de ontwikkeling van door de natuur geïnspireerde materialen. Onderzoekers onderzoeken het gebruik van biobased polymeren, zoals cellulose en chitine, als bouwstenen voor nieuwe materialen. Deze materialen zijn biologisch afbreekbaar, hernieuwbaar en kunnen worden verkregen uit landbouwafval, waardoor we minder afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen.

4. Kunstmatige intelligentie en machine learning

Kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning (ML) worden gebruikt om de ontdekking en het ontwerp van door de natuur geïnspireerde materialen te versnellen. AI- en ML-algoritmen kunnen enorme hoeveelheden gegevens over natuurlijke systemen analyseren en patronen en principes identificeren die kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te ontwerpen. Deze technologieën kunnen ook worden gebruikt om de productieprocessen van door de natuur geïnspireerde materialen te optimaliseren, waardoor de kosten worden verlaagd en de efficiëntie wordt verbeterd.

5. Interdisciplinaire samenwerking

De ontwikkeling van door de natuur geïnspireerde materialen vereist interdisciplinaire samenwerking tussen biologen, materiaalwetenschappers, ingenieurs en ontwerpers. Door expertise uit verschillende gebieden samen te brengen, kunnen we een dieper inzicht krijgen in natuurlijke systemen en die kennis vertalen in innovatieve materialen en technologieën.

Bruikbare inzichten: hoe u betrokken kunt raken

Geïnteresseerd in het verkennen van de wereld van door de natuur geïnspireerde materialen? Hier zijn enkele bruikbare stappen die u kunt nemen:

• Informeer uzelf: Lees boeken, artikelen en onderzoekspapers over biomimicry en door de natuur geïnspireerd design. Organisaties zoals het Biomimicry Institute bieden resources en trainingsprogramma's.
• Woon workshops en conferenties bij: Neem deel aan workshops en conferenties gericht op biomimicry en duurzame innovatie om te leren van experts en te netwerken met gelijkgestemde individuen.
• Ondersteun onderzoek en ontwikkeling: Investeer in bedrijven en onderzoeksinstituten die door de natuur geïnspireerde materialen ontwikkelen.
• Integreer biomimicry-principes in uw werk: Of u nu een ontwerper, ingenieur of ondernemer bent, bedenk hoe biomimicry-principes kunnen worden toegepast op uw projecten en producten.
• Bevorder duurzame praktijken: Pleit voor de invoering van duurzame praktijken in uw gemeenschap en industrie.

Conclusie

Door de natuur geïnspireerde materialen bieden een enorme belofte voor het creëren van een duurzamere en veerkrachtiger toekomst. Door te leren van de vindingrijkheid van de natuur, kunnen we innovatieve materialen ontwikkelen die niet alleen functioneel en efficiënt zijn, maar ook milieuvriendelijk. Naarmate het veld zich blijft ontwikkelen, kunnen we verwachten dat een groeiend aantal door de natuur geïnspireerde oplossingen industrieën transformeert en het leven van mensen over de hele wereld verbetert. De reis van ontdekking en innovatie in door de natuur geïnspireerde materialen is nog maar net begonnen, en de mogelijkheden zijn onbeperkt. Het omarmen van biomimicry gaat niet alleen over het creëren van nieuwe materialen; het gaat over het bevorderen van een diepere band met de natuurlijke wereld en het erkennen van haar diepe wijsheid en potentieel.