Επαυξημένη Πραγματικότητα (AR) στην Επιστήμη Βιο-Εμπνευσμένων Υλικών

Το σώμα είναι ένα χημικό εργαστήριο που επεξεργάζεται χημικές ουσίες προερχόμενες από τη φύση και τις μετατρέπει σε ενέργεια, δομικά υλικά, απόβλητα και διάφορες πολυλειτουργικές δομές (Mann 1995). Τα φυσικά υλικά έχουν αναγνωριστεί από τον άνθρωπο ως πηγές τροφής, ένδυσης, άνεσης κ.ά., συμπεριλαμβανομένων, ενδεικτικά, της γούνας, του δέρματος, του μελιού, του κεριού, του γάλακτος και του μεταξιού (Carlson et al. 2005). Αν και ορισμένα από τα πλάσματα και τα έντομα που παράγουν υλικά είναι σχετικά μικρά, μπορούν να παράγουν ποσότητες υλικών επαρκείς για την ανθρώπινη κατανάλωση σε μαζική παραγωγή (π.χ. μέλι, μετάξι και μαλλί). Η χρήση φυσικών υλικών μπορεί να ανιχνευθεί χιλιάδες χρόνια πίσω. Το μετάξι, που παράγεται για την προστασία του κουκουλιού του μεταξοσκώληκα, έχει εξαιρετικές ιδιότητες όπως ομορφιά, αντοχή και διάρκεια. Αυτά τα οφέλη αναγνωρίστηκαν από τον άνθρωπο και η ανάγκη να παραχθούν σε οποιαδήποτε επιθυμητή ποσότητα οδήγησε στην παραγωγή τεχνητών εκδόσεων και απομιμήσεων. Οι συναρπαστικές δυνατότητες των φυσικών υλικών περιλαμβάνουν αυτοΐαση, αυτοαναπαραγωγή, επαναδιαμόρφωση, χημική ισορροπία και πολυλειτουργικότητα. Πολλά τεχνητά υλικά επεξεργάζονται με θέρμανση και υπό πίεση, κάτι που αντιβαίνει στη φύση, η οποία λειτουργεί πάντα υπό συνθήκες περιβάλλοντος.

Η παραγωγή βιοκατασκευασμένων υλικών δημιουργεί ελάχιστα απόβλητα και ρύπανση, με το αποτέλεσμα να είναι κυρίως βιοδιασπώμενο και να ανακυκλώνεται από τη φύση. Μαθαίνοντας πώς να επεξεργαζόμαστε τέτοια υλικά, μπορούμε να αυξήσουμε τις επιλογές μας και να βελτιώσουμε την ικανότητά μας να παράγουμε ανακυκλώσιμα υλικά που προστατεύουν καλύτερα το περιβάλλον (Bar-Cohen, 2006).

Η βιοέμπνευση οδηγεί άμεσα σε έναν τομέα της επιστήμης που σήμερα αυξάνει τη σημασία και το ενδιαφέρον: την επιστήμη, και ειδικότερα την επιστήμη των υλικών, της μαλακής ύλης (Hamley IW, 2013). Η επιστήμη των υλικών αναπτύχθηκε γύρω από «σκληρές» δομές (ανθεκτικές, σταθερές στη μορφή και λειτουργία, ανθεκτικές στη φθορά). Τα περισσότερα βιολογικά συστήματα (ακόμη και τα οστά σε κάποιο βαθμό) είναι «μαλακά», δηλαδή ελαστικά και εύκολα παραμορφώσιμα. Αυτός ο τύπος ύλης είναι πολύ λιγότερο εξερευνημένος από τη «σκληρή» ύλη και επομένως προσφέρει ευκαιρίες για ανακαλύψεις και εφευρέσεις που είναι σχετικά ανεξερεύνητες (στην επιστήμη) και ταυτόχρονα ανεξάρτητες από τη βιολογία και σχετικές με αυτήν. Η κατανόηση των πολλών τρόπων με τους οποίους οι οργανισμοί χρησιμοποιούν μαλακή ύλη όπως μύες, τένοντες, συνδετικούς ιστούς, μεμβράνες και νεύρα προσφέρει μια τεράστια γκάμα εμπνευσμένων ιδεών για νέα επιστήμη της μαλακής ύλης (Whitesides, 2015).

Υπάρχουν μερικά παραδείγματα βιολογικών υλικών και των χαρακτηριστικών τους:

Η αράχνη, ένας από τους καλύτερους «μηχανικούς παραγωγής» στη βιολογία με απίστευτα αποτελεσματική ικανότητα παραγωγής υλικών, είναι η αράχνη. Κατασκευάζει τον ιστό της από μια πολύ ισχυρή, αδιάλυτη, ελαφριά συνεχή ίνα, και ο ιστός που προκύπτει είναι ανθεκτικός στη βροχή, τον άνεμο και το ηλιακό φως. Αποτελείται από πολύ λεπτές ίνες που είναι σχεδόν αόρατες, ώστε να μπορεί να εκπληρώσει τη λειτουργία της ως παγίδα εντόμων. Η αράχνη διαθέτει αρκετές πρώτες ύλες για το μετάξι της ώστε να τεντώσει τον ιστό σε μεγάλες αποστάσεις σε σχέση με το σώμα της. Ιστοί διαφόρων σχημάτων (συμπεριλαμβανομένων των επίπεδων) συχνά βλέπουμε να υφαίνονται μεταξύ μακρινών δέντρων, και ο ιστός είναι εκπληκτικά μεγάλος σε σύγκριση με το μέγεθος της αράχνης. Πρόσφατες εξελίξεις στη νανοτεχνολογία υπόσχονται την παραγωγή λεπτών, συνεχών ινών με τεράστια αντοχή. Για το σκοπό αυτό, έχει αναπτυχθεί μια διαδικασία ηλεκτροσπινάρισματος (Dzenis 2004) που επιτρέπει την παραγωγή ινών με διάμετρο 2 µm από διαλύματα ή τήγματα πολυμερών σε υψηλά ηλεκτρικά πεδία. Οι παραγόμενες νανοΐνες αποδείχθηκαν σχετικά ομοιόμορφες και δεν απαιτούσαν εκτεταμένο καθαρισμό.

^{Σχήμα 3: Ιστός αράχνης, πηγή: Jiatian & all, 2021}