Bioloogiliste materjalide struktuuride keerukus muudab nende uurimise traditsiooniliste meetoditega sageli keeruliseks. Liitreaalsus (AR) pakub transformatiivset lähenemist bioloogiliste materjalide visualiseerimiseks, analüüsimiseks ja nendega katsetamiseks, võimaldades:

Luua interaktiivseid 3D-mudeleid bioloogilistest struktuuridest, nagu ämblikusiidikiud, meekärje paigutused ja pehmete kudede tugiraamid.

Lubada reaalajas materjalide simulatsioone, võimaldades kasutajatel muuta selliseid parameetreid nagu tugevus, elastsus ja biolagunevus, et uurida nende mõju.

Kihistada AR-ga täiustatud mikroskoopiat, aidates õpilastel uurida nano- ja mikroskaalas bioloogilisi struktuure (Bacca jt, 2014).

Arendada AR-põhiseid materjalide testimise rakendusi, et simuleerida bioinspireeritud materjalide mehaanilist pinget, vastupidavust ja isetervenemise omadusi (Billinghurst jt, 2015).

Inimkeha on keemialabor, mis töötleb loodusest pärit kemikaale ja muudab need energiaks, ehitusmaterjalideks, jäätmeteks ja mitmesugusteks multifunktsionaalseteks struktuurideks (Mann 1995). Looduslikke materjale on inimesed tunnustanud toidu, rõivaste, mugavuse jms allikatena, sealhulgas näiteks karusnahk, nahk, mesi, vaha, piim ja siid (Carlson jt 2005). Kuigi mõned materjale tootvad loomad ja putukad on suhteliselt väikesed, suudavad nad toota inimtarbimiseks piisavas koguses materjale masstootmise korras (nt mesi, siid ja vill). Looduslike materjalide kasutamine ulatub tuhandete aastate taha. Siid, mida toodetakse siidiussimuti kookoni kaitsmiseks, omab suurepäraseid omadusi, nagu ilu, tugevus ja vastupidavus. Inimesed tunnustasid neid eeliseid ning vajadus neid soovitud koguses toota viis tehislike versioonide ja imitatsioonide loomiseni. Looduslike materjalide põnevad võimed hõlmavad isetervenemist, isepaljunemist, ümberkonfigureeritavust, keemilist tasakaalu ja multifunktsionaalsust. Paljusid tehislikke materjale töödeldakse kuumutamise ja surve all, mis on vastupidine loodusele, mis toimib alati ümbritseva keskkonna tingimustes.

Bio-toodetud materjalide tootmine tekitab minimaalselt jäätmeid ja saastet, lõpptulemusena on need enamasti biolagunevad ja loodus suudab need taaskasutada. Õppides, kuidas selliseid materjale töödelda, saame suurendada oma materjalivalikut ja parandada võimet toota taaskasutatavaid materjale, mis paremini kaitsevad keskkonda (Bar-Cohen, 2006).

Bioinspiratsioon viib otse teadusvaldkonda, mis on praegu kiiresti kasvav nii tähtsuselt kui ka huvi poolest: pehme aine teadus, eriti materjaliteadus (Hamley IW, 2013). Materjaliteadus arenes välja "kõvade" struktuuride ümber (vastupidavad, kindla kuju ja funktsiooniga, kahjustustele vastupidavad). Enamik bioloogilisi süsteeme (isegi luud teatud määral) on "pehmed", st elastsed ja kergesti deformeeritavad. Seda tüüpi ainet on palju vähem uuritud kui "kõva" ainet, mistõttu pakub see võimalusi avastusteks ja leiutisteks, mis on teaduses suhteliselt uurimata ning samal ajal nii bioloogiast sõltumatud kui ka bioloogias olulised. Arusaamine paljudest viisidest, kuidas organismid kasutavad pehmet ainet, nagu lihased, kõõlused, sidekoed, membraanid ja närvid, pakub tohutut hulka inspireerivaid ideid uue pehme teaduse jaoks (Whitesides, 2015).

Siin on mõned näited bioloogilistest materjalidest ja nende omadustest:

  • Ämblikuvõrgu tugevad kiud

Üks parimaid "tootmisinsenere" bioloogias, kellel on uskumatult tõhus võime materjale toota, on ämblik. Ta valmistab oma võrgu väga tugevast, lahustumatust, kergest pidevast kiust ning saadud võrk on vastupidav vihmale, tuulele ja päikesevalgusele. See koosneb väga peentest kiududest, mis on vaevu nähtavad, et täita oma funktsiooni putukate püüdjana. Ämblikul on piisavalt toorainet oma siidi jaoks, et venitada võrku suurtel kaugustel võrreldes oma kehaga. Erineva kujuga (sh lamedad) võrke nähakse sageli kootuna kaugete puude vahele ning võrk on ämbliku suurusega võrreldes üllatavalt suur. Hiljutised edusammud nanotehnoloogias lubavad toota peeneid, pidevaid kiude tohutu tugevusega. Selleks on välja töötatud elektrospinnimisprotsess (Dzenis 2004), mis võimaldab toota kiude läbimõõduga 2 µm polümeersete lahuste või sulamite baasil kõrgetes elektriväljades. Saadud nanokiud osutusid suhteliselt ühtlasteks ega vajanud ulatuslikku puhastamist.

Joonis 3: Ämblikuvõrk, allikas: Jiatian & jt, 2021

AR rakendused ämblikusiidi uurimisel

3D AR simulatsioonid ämblikusiidi struktuuridest võivad näidata molekulaarseid interaktsioone, mis vastutavad selle tugevuse ja paindlikkuse eest.
AR-põhised tõmbekatsete simulatsioonid võimaldavad õpilastel katsetada erinevate biopolümeeri modifikatsioonidega, et parandada kunstsiidi tootmist.

  • Mesilane kui mitme materjali tootja

Mesilane on tuntud selle poolest, et teeb õietolmust mett, kuid ta toodab ka vaha, millest ehitab meekärje. Küünlaid valmistati varem sellest mesilasvahast, kuid naftatööstuse tulekuga tehakse küünlaid nüüd enamasti parafiinvahast (Bar-Cohen, 2006).

AR rakendused meekärje inseneerias

Virtuaalsed AR testimisvahendid võimaldavad õpilastel muuta meekärje raku mõõtmeid ja jälgida reaalajas kandevõime muutusi. Võrdlevad AR-mudelid saavad kihistada looduslikke meek