Erweiterte Realität (AR) in der bioinspirierten Materialwissenschaft

Der Körper ist ein chemisches Labor, das aus der Natur stammende Chemikalien verarbeitet und sie in Energie, Baustoffe, Abfall und verschiedene multifunktionale Strukturen umwandelt (Mann 1995). Natürliche Materialien wurden vom Menschen als Quellen für Nahrung, Kleidung, Komfort usw. erkannt, darunter unter anderem Fell, Leder, Honig, Wachs, Milch und Seide (Carlson et al. 2005). Obwohl einige der Lebewesen und Insekten, die Materialien produzieren, relativ klein sind, können sie Mengen an Materialien herstellen, die für den menschlichen Verbrauch in der Massenproduktion ausreichen (z. B. Honig, Seide und Wolle). Die Nutzung natürlicher Materialien lässt sich Tausende von Jahren zurückverfolgen. Seide, die zum Schutz des Kokons eines Seidenspinners erzeugt wird, besitzt hervorragende Eigenschaften wie Schönheit, Festigkeit und Haltbarkeit. Diese Vorteile wurden vom Menschen erkannt, und das Bedürfnis, sie in beliebiger Menge herzustellen, führte zur Produktion von künstlichen Versionen und Imitationen. Die faszinierenden Fähigkeiten natürlicher Materialien umfassen Selbstheilung, Selbstreplikation, Umkonfigurierbarkeit, chemisches Gleichgewicht und Multifunktionalität. Viele künstliche Materialien werden durch Erhitzen und unter Druck verarbeitet, was im Gegensatz zur Natur steht, die immer unter Umgebungsbedingungen arbeitet.

Die Herstellung von biotechnologisch erzeugten Materialien erzeugt ein Minimum an Abfall und Verschmutzung, wobei das Endprodukt meist biologisch abbaubar ist und von der Natur recycelt wird. Indem wir lernen, wie man solche Materialien verarbeitet, können wir unsere Materialauswahl erweitern und unsere Fähigkeit verbessern, recycelbare Materialien herzustellen, die die Umwelt besser schützen (Bar-Cohen, 2006).

Bioinspiration führt direkt zu einem Wissenschaftsbereich, der derzeit an Bedeutung und Interesse gewinnt: die Wissenschaft, insbesondere die Materialwissenschaft, der weichen Materie (Hamley IW, 2013). Die Materialwissenschaft entwickelte sich um „harte“ Strukturen (dauerhaft, in Form und Funktion festgelegt, widerstandsfähig gegen Beschädigungen). Die meisten biologischen Systeme (sogar Knochen bis zu einem gewissen Grad) sind „weich“, d. h. elastisch und leicht verformbar. Diese Art von Materie ist weit weniger erforscht als „harte“ Materie und bietet daher Chancen für Entdeckungen und Erfindungen, die sowohl in der Wissenschaft relativ unerforscht sind als auch unabhängig von und gleichzeitig relevant für die Biologie. Das Verständnis der vielen Arten, wie Organismen weiche Materie wie Muskeln, Sehnen, Bindegewebe, Membranen und Nerven nutzen, bietet eine enorme Bandbreite an inspirierenden Ideen für eine neue weiche Wissenschaft (Whitesides, 2015).

Hier einige Beispiele für biologische Materialien und ihre Eigenschaften:

Einer der besten „Fertigungsingenieure“ in der Biologie mit einer unglaublich effektiven Fähigkeit zur Materialproduktion ist die Spinne. Sie stellt ihr Netz aus einer sehr starken, unlöslichen, leichten, kontinuierlichen Faser her, und das resultierende Netz ist widerstandsfähig gegen Regen, Wind und Sonnenlicht. Es besteht aus sehr feinen Fasern, die kaum sichtbar sind, sodass es seine Funktion als Insektenfalle erfüllen kann. Die Spinne hat genügend Rohmaterial für ihre Seide, um das Netz über große Entfernungen im Verhältnis zu ihrem Körper zu spannen. Netze verschiedener Formen (einschließlich flacher) sind oft zwischen weit entfernten Bäumen zu sehen, und das Netz ist im Vergleich zur Größe der Spinne überraschend groß. Jüngste Fortschritte in der Nanotechnologie versprechen die Herstellung feiner, kontinuierlicher Fasern mit enormer Festigkeit. Zu diesem Zweck wurde ein Elektrospinnverfahren entwickelt (Dzenis 2004), das die Herstellung von Fasern mit einem Durchmesser von 2 µm aus Polymerlösungen oder -schmelzen in hohen elektrischen Feldern ermöglicht. Die resultierenden Nanofasern erwiesen sich als relativ gleichmäßig und erforderten keine aufwendige Reinigung.

^{Abbildung 3: Spinnennetz, Quelle: Jiatian & all, 2021}

Die Biene ist dafür bekannt, Honig aus dem Nektar, den sie von Blumen sammelt, herzustellen, aber sie produziert auch eine Wabe aus Wachs. Früher wurden Kerzen aus diesem Bienenwachs gefertigt, aber mit dem Aufkommen der Erdölindustrie werden Kerzen heute meist aus Paraffinwachs hergestellt (Bar-Cohen, 2006).