Biologinių medžiagų struktūrų sudėtingumas dažnai apsunkina jų tyrimą tradiciniais metodais. Papildyta realybė (AR) suteikia transformuojantį požiūrį į biologinių medžiagų vizualizavimą, analizę ir eksperimentavimą, leidžiant:

Kurti interaktyvius 3D biologinių struktūrų modelius, tokius kaip voratinklio siūlai, korių išdėstymai ir minkštųjų audinių karkasai.

Leisti realaus laiko medžiagų simuliacijas, leidžiančias vartotojams keisti tokius parametrus kaip stiprumas, elastingumas ir biologiškas suyrimas bei tirti jų poveikį.

Uždėti AR sustiprintą mikroskopiją, padedančią studentams tyrinėti nano- ir mikro-mastelio biologines struktūras (Bacca ir kt., 2014).

Kurti AR pagrindu veikiančias medžiagų testavimo programėles, skirtas simuliuoti bioįkvėptų medžiagų mechaninį atsparumą, ilgaamžiškumą ir saviregeneracijos savybes (Billinghurst ir kt., 2015).

Kūnas yra cheminė laboratorija, kuri apdoroja iš gamtos gautas chemines medžiagas ir paverčia jas energija, statybinėmis medžiagomis, atliekomis ir įvairiomis daugiafunkcėmis struktūromis (Mann 1995). Natūralios medžiagos žmonių buvo pripažintos kaip maisto, drabužių, komforto ir pan. šaltiniai, įskaitant kailį, odą, medų, vašką, pieną ir šilką (Carlson ir kt. 2005). Nors kai kurie gyvūnai ir vabzdžiai, gaminantys medžiagas, yra gana maži, jie gali pagaminti pakankamai medžiagų masinei žmonių vartojimo gamybai (pvz., medus, šilkas ir vilna). Natūralių medžiagų naudojimas siekia tūkstančius metų gražiai. Šilkas, kuris gaminamas apsaugoti šilkverpio kokoną, turi puikių savybių, tokių kaip grožis, stiprumas ir ilgaamžiškumas. Šias naudas žmonės įvertino, o poreikis gaminti jas bet kokiais kiekiais paskatino žmogaus sukurtų versijų ir imitacijų atsiradimą. Įspūdingos natūralių medžiagų savybės apima saviregeneraciją, savireplikaciją, persikonfigūravimą, cheminį balansą ir daugiafunkciškumą. Daugelis žmogaus sukurtų medžiagų apdorojamos kaitinant ir spaudžiant, o gamta visada veikia aplinkos sąlygomis.

Bio-gamintų medžiagų gamyba sukuria minimalias atliekas ir taršą, o rezultatas dažniausiai yra biologiškai suyrantis ir gamtos perdirbamas. Išmokę apdoroti tokias medžiagas, galime išplėsti medžiagų pasirinkimą ir pagerinti gebėjimą gaminti perdirbamas medžiagas, kurios geriau saugo aplinką (Bar-Cohen, 2006).

Bioįkvėpimas tiesiogiai veda į mokslo sritį, kuri šiuo metu sparčiai auga ir įgauna vis didesnę reikšmę: tai minkštosios medžiagos mokslas, ypač medžiagų mokslas (Hamley IW, 2013). Medžiagų mokslas vystėsi apie „kietas“ struktūras (patvarias, pastovios formos ir funkcijos, atsparias pažeidimams). Dauguma biologinių sistemų (net kaulai iš dalies) yra „minkštos“, t. y. elastingos ir lengvai deformuojamos. Ši medžiagų rūšis yra daug mažiau ištirta nei „kietos“ medžiagos, todėl siūlo galimybių atradimams ir išradimams, kurie yra gana neištirti (moksle) ir tuo pačiu metu nepriklausomi nuo analogiškos biologijos, bet svarbūs biologijai. Supratimas, kaip organizmai naudoja minkštąsias medžiagas, tokias kaip raumenys, sausgyslės, jungiamieji audiniai, membranos ir nervai, suteikia daugybę idėjų naujam minkštųjų medžiagų mokslui (Whitesides, 2015).

Keletas biologinių medžiagų ir jų specifikacijų pavyzdžių:

  • Voro tinklo stiprūs siūlai

Voras – vienas geriausių „gamybos inžinierių“ biologijoje, iš restų gebantis gaminti medžiagas. Jis savo tinklą pina iš labai stipraus, netirpaus, lengvo, nenutrūkstamo siūlo, o pats tinklas atsparus lietui, vėjui ir saulės šviesai. Jį sudaro labai ploni siūlai, vos matomi akiai, kad galėtų atlikti savo funkciją kaip vabzdžių gaudyklė. Voras turi pakankamai žaliavos savo šilkui, kad galėtų ištempti tinklą dideliais atstumais, lyginant su savo kūnu. Į alkanus medžius dažnai galima pamatyti išaustus įvairių formų (įskaitant plokščius) tinklus, kurie stebėtinai dideli, palyginti su paties voro dydžiu. Naujausi nanotechnologijų pasiekimai žada labai plonų, nenutrūkstamų ir itin stiprių siūlų gamybą. Tam buvo sukurtas elektroverpimo procesas (Dzenis 2004), leidžiantis gaminti 2 µm skersmens siūlus iš polimerų tirpalų ar lydalų stipriuose elektriniuose laukuose. Gautos nanosiūlai pasirodė esą gana vienodi ir nereikalavo sudėtingo valymo.

3 pav.: Voro tinklas, šaltinis: Jiatian & kt., 2021

AR taikymas voro šilko tyrimuose

3D AR simuliacijos voro šilko struktūrose gali pademonstruoti molekulines sąveikas, atsakingas už jo stiprumą ir lankstumą.
AR pagrindu veikiantys tempimo bandymų simuliatoriai leidžia studentams eksperimentuoti su įvairiais biopolimerų modifikavimais, siekiant pagerinti dirbtinio šilko gamybą.

  • Bitė – kelių medžiagų gamintoja

Bitė žinoma kaip medaus gamintoja iš žiedų nektaro, tačiau ji taip pat gamina korius iš vaško. Iš šio bičių vaško anksčiau buvo gaminamos žvakės, tačiau atsiradus naftos pramonei, žvakės dabar dažniausiai gaminamos iš parafino vaško