Что такое биомиметика: Что такое биомиметика? — все самое интересное на ПостНауке

Исследователи, например, изучали способность термитов поддерживать практически постоянную температуру и влажность в своих термитниках в Африке, несмотря на то, что внешняя температура колеблется от 1.От 5 до 40 ° C (от 35 до 104 ° F). Первоначально исследователи отсканировали термитник и создали трехмерные изображения его структуры, которые показали, что конструкция может повлиять на проектирование человеческого здания. Центр Истгейт, среднеэтажный офисный комплекс в Хараре, Зимбабве (освещенный в этом тематическом исследовании Института биомимикрии), остается прохладным без кондиционера и использует только 10% энергии обычного здания его размера.

Моделирование эхолокации у летучих мышей в темноте привело к созданию трости для слабовидящих.Исследования в Университете Лидса в Соединенном Королевстве привели к созданию UltraCane, продукта, который ранее производился, продавался и продавался Sound Foresight Ltd.

Джанин Бениус в своих книгах упоминает пауков, которые создают такой же прочный шелк, как кевлар, используемый в пуленепробиваемых жилетах. Инженеры могли бы использовать такой материал — если бы он имел достаточно длительную скорость разложения — для парашютных строп, тросов подвесного моста, искусственных связок для медицины и многих других целей. ^[7]

Другое исследование предложило клей из мидий, солнечные элементы, сделанные в виде листьев, ткань, имитирующую кожу акулы, сбор воды из тумана, как жук, и многое другое.Nature’s 100 Best — это сборник сотен лучших инноваций животных, растений и других организмов, которые были исследованы и изучены Институтом биомимикрии.

Технология отображения, основанная на отражающих свойствах некоторых морфо-бабочек, была коммерциализирована Qualcomm в 2007 году. Эта технология использует интерферометрическую модуляцию для отражения света, поэтому в каждом отдельном пикселе дисплея для глаза виден только желаемый цвет.

Биомимикрия может также предоставлять методологии и методы проектирования для оптимизации инженерных продуктов и систем.Примером может служить повторный вывод закона Мюррея, который в традиционной форме определял оптимальный диаметр кровеносных сосудов, чтобы предоставить простые уравнения для трубы или диаметра трубы, что дает минимальную массу инженерной системы. ^[8]

Новое инженерное приложение биомиметики находится в области структурной инженерии. Недавно исследователи из Швейцарского федерального технологического института (EPFL) включили биомиметические характеристики в адаптивный развертываемый мост тенсегрити [1]. Williams, Hugo R .; Траск, Ричард С., Уивер, Пол М. и Бонд, Ян П. (2008). «Сосудистые сети минимальной массы в многофункциональных материалах». Журнал Королевского общества Интерфейс 5 (18): 55–65. DOI: 10.1098 / rsif.2007.1022. PMID 17426011. PMC 2605499. http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/5/18/55.full.

Видео

Внешние ссылки

Дополнительная литература

• Томпсон Д. У. О росте и форме. Dover 1992 г. переиздание 1942 г. 2-е изд.(1-е изд., 1917).
• Фогель С. Кошачьи лапы и катапульты: механические миры природы и людей. Norton & co. 2000.
• Бенюс, Дж. М. (2001). Появился паук. Сьерра, 86 (4), 46-47.
• Харгроувз, К. Д. и Смит, М. Х. (2006). Инновации, вдохновленные природой Биомимикрия. Экос, (129), 27-28.
• Pyper, W. (2006). Подражание природе: рост промышленной экологии. Экос, (129), 22-26.
• Смит, Дж. (2007). Это естественно.Эколог, 37 (8), 52-55.
• Пассино, Кевин М. (2004). Биомимикрия для оптимизации, контроля и автоматизации. Springer
• Ринальди, Андреа (2007). «Естественно лучше. Наука и технологии ищут вдохновения в успешных проектах природы». Европейская организация молекулярной биологии 8 (11): 995–999. DOI: 10.1038 / sj.embor.7401107. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2247388/.

См. Также

Biomimetics — обзор | Темы ScienceDirect

6.10.4 Методы нанесения биомиметического покрытия CaP с помощью лазерной плазмы

Обычные методы нанесения покрытия CaP на основе биомиметики требуют нескольких этапов и длительного общего времени обработки (в большинстве случаев несколько дней) для завершения покрытия CaP. Недавно мы объединили начальную стадию модификации поверхности и последующую стадию роста CaP, используя лазерную плазменную обработку в перенасыщенном растворе CaP, и получили быстрое (в течение 30 минут), одноэтапное и специфичное для области покрытие CaP [24–29]. (Рис. 6.10.3).Этот процесс лазерно-плазменной биомиметики (LAB) был разработан на основе метода жидкофазной лазерной обработки для предварительного покрытия CaP, предложенного Pramatarova et al. [30] и Ли и др. [31]. В методе LAB несфокусированный импульсный лазерный луч наносекундной длительности Nd: YAG облучает подложку, погруженную в перенасыщенный раствор CaP, поддерживаемый при постоянной температуре раствора 25 ° C с помощью водяной бани (рис. 6.10.3, слева). В случае металлического титана облученная лазером область подложки покрывается CaP в течение 30 мин (рис.6.10.3, справа). Примечательно, что процесс LAB не требует ни предварительной модификации поверхности, ни последующего погружения в перенасыщенный раствор CaP; Покрытие CaP выполняется за один этап. Кроме того, регулируя область и положение облучения лазером, покрытие CaP для конкретной области может быть нанесено на заданное место. Эти возможности являются потенциальными преимуществами LAB-процесса по сравнению с обычными биомиметическими процессами.

Рисунок 6.10.3. Схема процесса LAB для покрытия CaP (, левая сторона, ) и SEM-изображения поверхностей необработанной и LAB-обработанной титановой подложки (, правая сторона, ).В процессе LAB субстрат, который погружен в перенасыщенный раствор CaP, облучается импульсным лазерным светом (слева). В процессе LAB CaP осаждается на облученной лазером области титановой подложки (, правая сторона, ).

Процесс LAB применим к полимерным [24,26], металлическим [27,28] и керамическим [25] подложкам, которые поглощают лазерный свет, как показано на рис. 6.10.3 и 6.10.4. Напротив, он неприменим к оптически прозрачным подложкам (например, полиэтилену) с недостаточным лазерным поглощением [26]. Эти результаты показывают, что поглощение лазера субстратами является важным требованием для осаждения CaP в процессе LAB. Для титановой подложки можно использовать ультрафиолетовое (УФ) ( λ = 355 нм), видимое ( λ = 532 нм) и ближнее инфракрасное ( λ = 1064 нм) длины волн излучения Nd: YAG-лазера. используется для покрытия CaP, потому что эта подложка поглощает волны в диапазоне от УФ до инфракрасной области [28].Свойства конечных покрытий из CaP (кристаллическая фаза, покрытие покрытия, толщина, морфология и т.д.) после процесса LAB зависели от типа подложки, длины волны лазера, плотности энергии и времени облучения [24,25,28]. Соответствующая регулировка условий облучения в процессе LAB важна для получения высококачественных покрытий из CaP для каждой подложки (материала). Примечательно, что более высокая плотность энергии не всегда увеличивает количество CaP в покрытии. Например, титановая подложка показала колоколообразную зависимость между флюенсом и количеством CaP, потому что чрезмерный флюенс вызвал серьезные деструктивные реакции на поверхности [28].

Рисунок 6.10.4. СЭМ-изображения поверхностей (облученная лазером область) подложек из EVOH с покрытием из CaP (, левая сторона, ) и спеченного гидроксиапатита (, правая сторона, ), которые были получены с помощью нашего процесса LAB. Микроструктурированный слой CaP покрыл облученную лазером область обеих подложек.

Мы исследовали поверхностные структурные изменения в титановой подложке во время процесса LAB и обнаружили, что модификации поверхности, опосредованные лазерной плазмой, наряду с нагревом поверхности, участвуют в осаждении CaP [28].Модификации поверхности исследовали с помощью контрольного эксперимента, в котором лазерное облучение проводилось в сверхчистой воде (перенасыщенный раствор CaP был заменен водой для оценки голой поверхности титана). Лазерное облучение вызвало микрошероховатость, окисление до рутила (наиболее стабильную фазу TiO ₂ ) и смачивание (от гидрофобного до гидрофильного) поверхности титана. Получающаяся в результате окисленная и микрошероховатая поверхность титана, богатая группами TiOH, должна обеспечивать поверхностные условия, благоприятные для осаждения CaP.Нагрев поверхности лазерным излучением был подтвержден в другом контрольном эксперименте, в котором процесс LAB проводился без водяной бани. В отсутствие водяной бани перенасыщенный раствор CaP демонстрировал зависящее от времени повышение температуры (с 25 ° C до 30–35 ° C через 30 мин) при лазерном облучении титановой подложки [28]. Это повышение температуры объясняется преобразованием энергии света в тепловую на поверхности титана, облученной лазером (сам раствор CaP имеет очень низкое поглощение света).Даже при регулировании температуры с помощью водяной бани нагретая поверхность титана должна нагревать раствор CaP в непосредственной близости от поверхности, тем самым ускоряя осаждение CaP за счет дальнейшего увеличения степени перенасыщения [32,33] и скорости массопереноса в перенасыщенном CaP. решение.

Мы продемонстрировали иммобилизацию биоактивных веществ на поверхности титана вместе с покрытием CaP с помощью LAB-процесса. Мы протестировали два биологически активных вещества: цинк (важный микроэлемент) и фибронектин (белок клеточной адгезии), оба из которых могут индуцировать специфические взаимодействия между клетками и материалом и улучшать регенерацию костей [34,35].Цинк (как ZnCl ₂ ) и фибронектин соответственно добавляли к перенасыщенному раствору CaP в различных концентрациях, и полученные растворы использовали в процессе LAB для титановой подложки. После процесса LAB не только CaP, но и эти биоактивные вещества — компоненты цинка или фибронектина (фибронектин и / или продукты его разложения) — присутствовали на поверхности титана. Количество компонентов цинка и фибронектина на поверхности титана можно было до некоторой степени контролировать путем модификации их начальных концентраций в перенасыщенном растворе CaP.Компоненты фибронектина на титановой поверхности, покрытой CaP, способствовали адгезии и распространению клеток (рис. 6.10.5), что позволяет предположить, что эта поверхность проявляет активность клеточной адгезии. Молекулярные / пептидные структуры компонентов фибронектина, их механизм поверхностной иммобилизации и их расположение на поверхности, покрытой CaP, не выяснены.

Рисунок 6.10.5. Клетки CHO-K1, прикрепленные к покрытой CaP титановой поверхности с (Fib (+)) ( правая сторона, ) и без (Fib (-)) ( левая сторона, ) фибронектиновыми компонентами.Адгезия и распространение клеток были облегчены на титановой подложке (Fib (+), , правая сторона, ), которая была приготовлена ​​с помощью нашего процесса LAB с использованием перенасыщенного раствора CaP с добавлением фибронектина.

Процесс LAB потенциально может привести к созданию инновационных ортопедических композитных материалов и методов лечения. Покрытия из CaP, полученные с помощью процесса LAB, состоят в основном из гидроксиапатита [26–28] и / или октакальцийфосфата [24,25], оба из которых обладают остеопроводимостью. Биологические свойства покрытий из СаР могут быть дополнительно улучшены или адаптированы путем добавления соответствующих биоактивных веществ, как ранее было продемонстрировано с цинком и фибронектином. LAB-процесс прост (одноэтапный), быстрый (<30 мин) и эффективный при нанесении покрытия из CaP на различные поверхности в зависимости от области.В этом процессе покрытие CaP завершается при нормальном давлении и температуре в высокобезопасных водных растворах (без органических растворителей и токсичных реагентов) с использованием импульсных лазеров, которые широко доступны в медицинских учреждениях общего профиля. Основываясь на этих фактах, процесс LAB может позволить легко наносить покрытия из CaP в медицинских учреждениях и дополнительно обеспечивать функционализацию поверхности ортопедических имплантатов по требованию в будущем. Например, для лечения остеопоротического перелома, вызванного дефицитом цинка, покрытие CaP с добавлением цинка может быть приготовлено на устройствах фиксации кости для ускорения заживления и снижения риска повторного перелома.Эти проблемы станут темой для будущих исследований.

Биомиметика — обзор | ScienceDirect Topics

«Биомиметический подход»

Термин биомимикрия, введенный в научный язык в 1982 году, относится к «новой науке, которая изучает модели природы, а затем имитирует или черпает вдохновение из естественных замыслов и процессов для решения человеческих проблем». Такая новая тенденция в материаловедении предлагает рассматривать природу как «модель и наставника» и подчеркивает устойчивость как одну из основных целей (Benyus, 1997).Действительно, материалы, встречающиеся в природе, сочетают в себе множество вдохновляющих свойств, таких как изысканность, миниатюризация, иерархическая организация, гибридизация, устойчивость и адаптируемость. Иными словами, при использовании классического подхода к проектированию некоторые свойства оказываются исключительными, например, прочность и ударная вязкость, когда прочные материалы являются хрупкими, а прочные материалы относительно непрочными. Однако природные материалы со сложной и иерархической морфологией и структурой от нано- до макромасштабов являются одновременно прочными и жесткими.Как правило, в природных материалах используются очень простые химические компоненты, но такие молекулярные строительные блоки организованы в сложные структуры, которые обеспечивают исключительные механические свойства: кость, перламутр, зубы и древесина — отличные примеры материалов, устойчивых к повреждениям (Wegst et al ., 2014 ). Исключительная устойчивость к переломам костей обусловлена ​​сложными механизмами деформации и упрочнения, которые действуют в различных масштабах, то есть от наноразмерной структуры белковых молекул до макроскопической иерархической архитектуры (Launey et al ., 2010). В последнее время одним из наиболее успешных подходов к проектированию и разработке биоматериалов для регенеративной медицины является биомиметический подход, который представляет собой попытку имитировать все характеристики нативной ткани / органа. Более конкретно, идея, воплощенная в концепции «биомиметики», заключается в том, что физико-химические и морфологические характеристики имплантированных биоматериалов должны сами по себе быть сигналами, способными стимулировать хемотаксис и колонизацию клеток аутологичными клетками, которые работают для ремоделирования исходной ткани / орган.Таким образом, человеческое тело можно рассматривать как естественный биореактор, способный направлять соответствующую регенерацию тканей, начиная с биомиметического каркаса, без искусственного добавления клеток или других биологических факторов, а просто вызывая аутологичные клетки и сохраняя физиологическое равновесие и гомеостаз, благодаря воспроизведение биологических сигналов окружающей среды. В практике регенерации тканей / органов использование каркасов необходимо, особенно когда дело доходит до регенерации больших костных дефектов, поскольку клеткам нужен биоактивный и биорезорбируемый мостик, чтобы запустить каскад ремоделирования, ведущий к полной регенерации недостающей ткани и избегая плохих повреждений. клинические исходы, такие как феномен несоединения.

С этой целью нанокристаллические фосфаты кальция (CaP), демонстрирующие множественные ионные замещения (например, Mg ²⁺ , CO ₃ ²⁻, Sr ²⁺ ), хорошо известны как лучшие в своем классе материалы для костной регенерации и широко исследовались в последнее десятилетие. В отличие от стехиометрического гидроксиапатита (HA), который состоит только из Ca, PO ₄ и OH, биологический HA включает в свою решетку несколько ионов, присутствующих в физиологической среде, посредством ионного замещения или межузельной адсорбции (см.рис.1). Такое включение допинговых ионов представляет собой динамический процесс, изменяющийся в зависимости от возраста и физиологического состояния людей; он изменяет несколько структурных и физико-химических параметров ГК, таких как ретикулярная постоянная, морфология и размер кристаллов, кристалличность, термическая стабильность и растворимость, и, таким образом, решающим образом влияет на биоактивность фазы (Sprio et al ., 2008; Iafisco et al . , 2014а).

Рис. 1. Схема синтеза и состав биомиметического гидроксиапатита.

Среди легирующих ионов ионы CO ₃ ²⁻ могут занимать два разных узла решетки апатита. В-замещение происходит в участке PO ₄ ^3-, влияя на полярность поверхности и, таким образом, улучшая адгезию остеобластов и типично для молодых и незрелых костей; Напротив, карбонизация в участке А относится к частичному замещению ОН ^—, которое увеличивает стабильность минеральной фазы и фактически более типично для зрелой костной ткани.Включение ионов Mg ²⁺ влияет на биодоступность ГК, уменьшая кристалличность и способствуя зарождению новых ядер апатита. Замещение кальция ионами Sr ²⁺ в значительной степени изучено благодаря его способности восстанавливать баланс метаболизма костной ткани, что важно для лечения остеопоротических переломов костей. Некоторые положительные результаты по эффективности местного высвобождения стронция были получены в недавних исследованиях с использованием титановых имплантатов, функционализированных стронцием или покрытых стронцием-замещенной ГК.(Ли и др. , 2010). Комбинированное замещение кальция ионами Fe ²⁺ и Fe ³⁺ недавно было изучено, чтобы наделить HA уникальной суперпарамагнитной способностью и создать новую биосовместимую и биорезорбируемую нанофазу FeHA, характеризующуюся множественной функциональностью и высокой безопасностью (Sprio et al. al ., 2008; Tampieri et al ., 2012). В частности, FeHA демонстрирует высокую намагниченность во внешних статических магнитных полях, несмотря на очень низкие количества вторичных оксидов железа, поэтому он также может проявлять отличную биосовместимость и биорезорбируемость (Panseri et al ., 2012; Panseri et al ., 2016).

Такая биоактивная керамика химически нестабильна в физиологической среде, они способны обмениваться биоактивными ионами с окружающей средой и инструктировать клетки для выполнения определенных задач, так что их можно рассматривать как «неорганические метаболические фазы». Производство биомиметических, биоактивных CaPs было выполнено с использованием нескольких методов (Sprio et al ., 2008; Iafisco et al ., 2014b), но конечный продукт представляет собой мелкодисперсный порошок, который впоследствии необходимо обрабатывать формованием. и методы спекания для получения трехмерных пористых устройств.Фактически, каркас должен иметь взаимосвязанную многомасштабную пористость: большие поры (200–400 мкм) для обеспечения колонизации клеток и диффузную нано-микропористость для обмена питательными веществами и продуктами жизнедеятельности. Более того, такие особенности должны быть связаны с адекватными механическими характеристиками, выдерживающими физиологические механические силы. Тем не менее, традиционные подходы к обработке материалов не позволяют точно контролировать изменения кристаллов и состава, особенно во время процесса высокотемпературной консолидации, так что происходит необратимый рост кристаллов и изменение биоактивных химических составов и кристаллических структур, что приводит к снижению биоактивности материала. и способность к обучению клеток (Tampieri et al ., 2003). Изготовление био-функциональной трехмерной керамики, сохраняющей биоактивный химический состав и наноструктуру, создает серьезные проблемы. Фактически, текущая обработка для консолидации неорганических материалов с соответствующими механическими характеристиками требует использования обработок спеканием, которые обычно разрушают биоактивные метастабильные фазы и, в случае HA, вызывают вытеснение легирующих ионов и процесс перекристаллизации.

В попытке сохранить соответствующие физико-химические и биологические свойства синтетической биоактивной ГК, когда она получена в виде трехмерных каркасов, в предыдущих исследованиях изучались различные природные технологии либо снизу вверх, либо сверху вниз.В первом случае применение процесса биоминерализации представляет собой трансляцию естественного нанотехнологического процесса, ответственного за формирование естественных костей и зубов, когда биоорганические макромолекулы собираются в сложную трехмерную архитектуру и запускают гетерогенное зародышеобразование апатита. нано-фаза. При проведении лабораторных процедур минерализация искусственно собранных природных полимеров приводит к образованию гибридных композитов, обладающих высоким сходством с природной минерализованной тканью и превосходными биологическими характеристиками.Такой процесс может быть воспроизведен, используя способность молекул коллагена собираться в фибриллы и более толстые волокна за счет изменения pH, что в настоящее время индуцирует образование ядер HA на границе раздела при температуре тела (рис. 2). Процесс биоминерализации активирует многоуровневые механизмы контроля благодаря информации, хранящейся в сложной структуре макромолекулы коллагена; в частности, активируются химические, структурные и морфологические механизмы, которые контролируют наноразмеры и ориентацию кристаллов зародышевой минеральной фазы, что может поддерживать высокий уровень нестабильности и способность к динамическому ионному обмену.В частности, во время самосборки коллагеновых волокон молекулы тропоколлагена оставляют регулярный массив промежутков размером 40 нм внутри каждой периодической единицы, и такие зоны называются зонами отверстий. Минеральная фаза твердых тканей предпочтительно зарождается именно в этих местах и ​​растет под контролем, осуществляемого взаимодействием с неколлагеновыми кислотными макромолекулами, присутствующими в зонах дырок и связывающими карбоксилатные группы и ионы Ca ²⁺ минеральной фазы. В частности, рост апатитоподобных зародышей ограничен очень тонкими ламелями (длина 45 нм, ширина 20 нм и толщина ~ 2–3 нм) с определенной ориентацией кристаллов, как показал рентгеноструктурный анализ в плоской камере (см. Инжир.2). Очень узкое отражение с повышенной интенсивностью, соответствующее плоскости [002], относится к преимущественному росту гексагональной решетки апатита вдоль ее оси c , что способствует обнажению грани ab . Предыдущие исследования показали, что белки, такие как остеокальцин и остеопонтин, присутствующие во внеклеточном матриксе и активные в процессе формирования и ремоделирования костей, химически аффинны с плоскостью ab гидроксиапатита (Mann, 2001). Следовательно, похоже, что процесс биоминерализации может генерировать гибридные конструкции ГК / коллаген, имитирующие физико-химические характеристики незрелой костной ткани от макро до субнаноуровня, в качестве инструктивного руководства для регенерации кости.

Рис. 2. (слева) Схема биоминерализации коллагеновых волокон; (справа) Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновская дифракция биоминерализованных коллагеновых волокон.

Полученные гибридные гели можно обрабатывать сублимационной сушкой или литьем сублимацией, создавая таким образом каркасы с высоким составом и структурным сходством с естественной костной тканью, а также дифференцированные структуры, напоминающие сложные анатомические области, такие как костно-хрящевые и пародонтальные (Sprio et al ., 2014).Конечным продуктом такого процесса является волокнистая пористая конструкция, способная упруго деформироваться в жидкой среде, демонстрируя, таким образом, замечательную приспособляемость к любым дефектам костной ткани, но в то же время неспособность сохранять свой первоначальный объем под действием сжимающих сил, так что ее использование пока ограничиваются ненесущими дефектами. Биоминерализация — одна из первых попыток использовать уникальные особенности биологических процессов для изготовления каркасов, сохраняющих физико-химические и архитектурные особенности, типичные для природных тканей (Sprio et al ., 2016; Мюррей и др. , 2012). В этом отношении следующие параграфы иллюстрируют некоторые примеры биомиметических гибридных каркасов, предназначенных для регенерации многофункциональных анатомических областей, таких как суставной сустав и пародонт, то есть каркасов, приготовленных поэтапно для одновременной регенерации различных тканей, характеризующихся увеличивающейся степенью минерализации.

прогнозирование будущего науки, техники и медицины

Область биомиметики

Индустриализация и добыча ресурсов сильно повлияли на природу; однако биомиметики могут помочь избежать этой закономерности.Биомиметика выходит за рамки простого использования природных свойств как основы для инноваций в новых продуктах. Такие продукты могут быть разработаны для использования в общей промышленности, а также для обеспечения удобства человека в областях химии, биологии, архитектуры, инженерии, медицины и биомедицинской инженерии (). Такие симбиотические отношения играют решающую роль в сосуществовании человека с природой, и степень их применения может быть безграничной. Поэтому очень важно понимать эти области и примеры для каждой из них. ^{1 , 3}

Область применения в биомиметике.

История биомиметики и методов исследования

История биомиметики

Биомиметика, которую легко найти в повседневной жизни и часто используют без нашего ведома, представляет собой обширную область с долгой историей. От ножей и топоров, вдохновленных зубными структурами ныне вымерших животных, до самых прочных и передовых углеродных наноматериалов — биоинженерия всегда развивалась вместе с историей человечества.

Работа Леонардо да Винчи (1452–1519) является фундаментальным примером биомимикрии. Он сконструировал «летательный аппарат», вдохновленный птицей. ⁴ На Дальнем Востоке генерал И Сун-син построил черепаший корабль, военный корабль, созданный по образцу черепахи, для борьбы с японскими налетчиками во время вторжений. ⁵ Братья Райт (1867–1948) обратили внимание на крылья орлов и создали самолет с двигателем, который впервые преуспел в полете человека в 1903 году. В течение следующего столетия самолет стал быстрее, стабильнее и лучше. аэродинамический. ^{6 , 7} Шмитт был первым, кто ввел термин «биомиметика» в 1957 году, и он объявил поворотным моментом для биологии и технологий. ⁸ Джек Стил из НАСА, придумавший слово «бионика» в 1960 году, также был первым, кто использовал слово «биомиметика» в своей статье в 1969 году, что привело к добавлению этого термина в словарь в 1974 году. В 1997 году Джанин М. Бенюс опубликовала свою книгу « Биомимикрия », в которой подчеркивается, что биомимикрия ведет путь к новой эре технологического развития, принимая уроки природы в качестве основы для продуктов, а не просто используя ее в качестве сырья (). ¹ Джанин Бенюс и другие сделали шаг вперед, чтобы организовать социальное предприятие под названием Biomimicry 3.8, чтобы делиться идеями и концепциями биомимикрии и биомиметики, а также связывать междисциплинарных исследователей, ученых, художников, инженеров, бизнес-лидеров и заинтересованных лиц.

Таксономия биомимикрии, классифицирующая исследовательские интересы биомиметики.

Примечание: Переиздано с разрешения Springer Science and Business Media, из книги «Биологически вдохновленный дизайн: вычислительные методы и инструменты», Гоэль А.К., МакАдамс Д.А., Стоун РБ, редакторы, © Springer-Verlag London 2014; разрешение передано через Copyright Clearance Center, Inc. ¹¹

Методы исследования биомиметики

Базовый метод исследования биомиметики состоит из шести этапов, которые можно использовать для применения биомиметики в дизайне, продуктах, услугах и сельском хозяйстве. ²

Подобно липкому веществу в лапах гекконов, ^{3 , 9 , 10} следует исследовать функциональные возможности биологически вдохновленного дизайна, а не просто применять дизайн в том виде, в каком он используется организмом.Хотя открытие или объединение инновационных технологий имеет решающее значение для увеличения прибыли, простая креативная дизайнерская идея может обеспечить большее удобство для жизни человека.

Должны быть установлены функция организма, принципы, в соответствии с которыми эта функция достигается, и взаимосвязь между ними. Знания и применение различных материалов необходимо накапливать посредством исследований и составления базы данных. Связь между структурой и функцией обычно определяется структурой поверхности, которую можно наблюдать с помощью сканирующей электронной микроскопии.Эти тонкие структуры играют важную роль в организме и считаются первым шагом на пути к биомиметике. Американские исследователи используют таксономию биомимикрии в качестве практической базы данных ().

Самая большая проблема, с которой сталкивается биомиметика, — это определить, как нано- и микроструктуры функционируют в их отношениях с организмом и окружающей средой, особенно если они еще не полностью исследованы. ² Поиск существенных примеров посредством интеграции биологии, естествознания и материаловедения является следующим шагом в биомиметических исследованиях.

Выявление различных механизмов функциональной и экологической адаптации организмов и их энергосберегающей конструкции — следующий рубеж исследований. ² Успешным примером этого является антибликовое покрытие, созданное на основе структуры 200 нм, отражающей видимые световые лучи из глаза бабочки. ^{2 , 12 , 13} Природа новых биомиметических материалов заключается в обнаружении иерархических структур и соответствующих им функций для преобразования их во что-то, что мы можем использовать.

Сочетание недавно открытых материалов с исследованиями в области биомиметики будет ключом к пониманию их применения и ограничений. ² Прежде всего необходимо понять морфологическое и функциональное использование нового материала, а также плюсы и минусы биомиметиков, а также выяснить результаты их сочетания. На этих направлениях ведутся активные исследования, но добиться прогресса в этих областях на самом деле сложно.

Определенная структура и функция биологического материала становятся источником инноваций для разработки нового материала, возможно, обеспечивая связи с другими материалами. ² Структура и функции уже известных материалов проходят испытания и оценки, которые помогают им трансформироваться и превращаться в новые материалы. Объединив их с современными достижениями в медицине, химии и нанотехнологиях, мы можем найти новые полезности, которые могут принести пользу человеческой жизни.

Примеры биомиметики в промышленности

Липучка

Название «липучка», обычная застежка на липучке, происходит от французских слов «бархат», «велюр», и «крючок», «вязание крючком». ¹⁴ В начале 1940-х годов швейцарский инженер Джордж де Мастраль заметил тенденцию плода жатки ( Xanthium strumarium ) прилипать к шерсти собаки и использовал микроскоп, чтобы наблюдать за крючками на плодах, которые прикрепляются к шерсти животных. Он обнаружил, что эллиптический плод длиной 1 см имел плотно расположенные крючковидные выступы. Они цеплялись за одежду людей или шерсть животных, позволяя семенам широко разлетаться. Вдохновленный этим жерновом, де Мастраль использовал нейлон для создания застежек на липучках.Для усиления адгезионных способностей липучка состоит из полосы с круглыми петлями и полосы с крючками в виде заусенцев. Благодаря небольшой площади поверхности липучка имеет исключительную адгезионную прочность и широко используется в качестве простой и практичной замены пуговицам или крючкам в одежде и обуви. ^{14 — 18}

Самолет

Появление самолетов осуществило вековую мечту человечества о полетах, но это также было новаторским видом транспорта. Базовая конструкция крыльев самолетов состоит из изогнутых поверхностей разного размера в верхней и нижней части крыла, которые создают гидродинамические силы, объясняемые эффектом Бернулли.Благодаря этой гидродинамической конструкции скорость воздушного потока выше в верхней части крыльев и медленнее в нижней части крыльев. Более высокое давление снизу крыльев и скорость самолета позволяют 100-тонному самолету летать. Это был принцип, который привел братьев Райт к успеху в их первом полете, но он также явился результатом многолетних биомиметических исследований структуры и дизайна крыльев и перьев птиц. Помимо отдельных птиц, стая диких гусей летает в форме буквы V, создавая восходящий воздушный поток, позволяя тем, кто летит сзади, летать с меньшими усилиями. ^{19 , 20} Французская авиационная компания AIRBUS использует эти принципы при разработке своих самолетов. Кроме того, птицы, летающие на короткие и большие расстояния, имеют разные перья и формы. Эти идеи были использованы при проектировании самолетов, которые должны преодолевать все меньшие и большие расстояния по-разному. ^{21 , 22}

Автомобили

За последнее десятилетие автомобильный дизайн не только повлиял на внешний вид автомобилей, но и повлиял на их функции. ^{23 — 25} Экономичные и энергоэффективные аспекты биомиметики были приняты в автомобилях, что продемонстрировано на прототипе бионического концептуального автомобиля DaimlerChrysler ().

Прототип бионического автомобиля DaimlerChrysler ( D ), вдохновленный коробчатой ​​рыбой ( A ), структурой скелета иглобрюха, адаптированной для проектирования транспортных средств ( C ) и схемами роста деревьев ( B ).

Примечание: Переиздано с разрешения Springer Science and Business Media, Bannasch RB.Руководство по технологиям. Springer, 2009: 178–183, © Copyright 2009; разрешение передано через Copyright Clearance Center, Inc. ²⁸

Внешний вид этого автомобиля основан на форме прямоугольника (), что делает его устойчивым и аэродинамичным. Базовая конструкция этого автомобиля состоит из большого внешнего вида и маленьких колес, а конструкция была оценена с помощью компьютерного моделирования для достижения минимальной концентрации напряжений. Этот автомобиль имеет средний расход топлива 70 миль / галлон (23 км / л) и максимальную скорость 190 км / ч, что делает его более экономичным по сравнению с любым существующим автомобилем (). ^{26 , 27}

Передняя часть японского сверхскоростного поезда была вдохновлена ​​клювом зимородка, так что звуковая стрела при выходе поезда из туннеля и сопротивление воздуха могут быть минимизированы, а ускорение и энергоэффективность могут быть увеличены . ^{29 , 30} Эта идея была взята из наблюдения, что зимородок ныряет перпендикулярно поверхности воды во время охоты, вызывая минимальное разбрызгивание. Поскольку он имитировал округлую структуру клюва зимородка, Синкансэн также стал известен как сверхскоростной пассажирский экспресс.Другой пример — SkinzWraps, фильм, вдохновленный микровыступами на коже акулы для отпугивания микробов (). Использование SkinzWraps в автомобилях уменьшило загрязнение автомобилей и повысило топливную экономичность на 18–20%. Его также применяли к купальникам, улучшая результаты для спортсменов. ^{4 , 31}

СЭМ-изображения, иллюстрирующие изменение формы дермальных зубцов на поверхности тела Scyliorhinus canicula .

Примечание: © IOP Publishing.Воспроизведено с разрешения Sullivan T, Regan F. Характеристика, репликация и тестирование дермальных зубчиков Scyliorhinus canicula на предмет физических механизмов предотвращения биообрастания. Биоинспирация и биомиметика . 2011; 6 (4): 046001, DOI: 10.1088 / 1748-3182 / 6/4/046001. Все права защищены. ³²

Сокращение: SEM, сканирующая электронная микроскопия.

Архитектура

Биомимикрия имеет самую долгую историю применения в архитектуре.Предыдущие биомиметические технологии используются по сей день и будут развиваться дальше. Наиболее ярким примером биомиметической архитектуры является гнездо термитов высотой 6 м на африканских лугах. Эти гнезда построены из почвы, коры деревьев, песка и слюны термитов, но они тверже бетона. ^{32 — 34}

Термиты чрезвычайно чувствительны к теплу, поскольку они живут группами более 2 миллионов человек. Даже когда внешняя температура достигает 40 ° C, в гнездах поддерживается внутренняя температура 30 ° C.Хотя кажется, что термиты разработали эту систему только из-за своей чувствительности к внешним раздражителям, она более эффективна в поддержании температуры, чем любые системы вентиляции, обогрева и охлаждения, созданные человеком. ³⁵

Майк Пирс из Зимбабве обратил внимание на эти характеристики гнезд термитов и построил Eastgate Center, первое в мире полностью естественное охлаждающее сооружение в столице Зимбабве Хараре (). В крыше и нижних этажах этого здания есть отверстия для естественной вентиляции, как в гнезде термитов.Горячий воздух выходит через крышу, а приток холодного воздуха снизу проветривает здание. Следовательно, уровень энергопотребления этого здания составляет <10%, а внутренняя температура 24 ° C поддерживается даже при внешней температуре выше 38 ° C. ^{35 — 37}

Здание Eastgate в Хараре, Зимбабве, адаптируя дизайн гнезд термитов.

Примечания: Построенное здание по проекту гнезда термитов ( A ) и внутренней структуры и воздушного потока гнезда термитов ( B ).© John Wiley and Sons 2010. Воспроизведено с разрешения John Wiley and Sons из французского JR, Ahmed BM. Проблема биомиметического дизайна для углеродно-нейтральных зданий с использованием термитной инженерии. Наука о насекомых . 2010. 17 (2): 154–162. ³⁷

Кроме того, Театр Эспланада (Michael Wilford & Partners, DP Architects) в Сингапуре имеет уникальный внешний вид, напоминающий глаза мухи или поверхность плода дуриана. Более 2000 алюминиевых выступов покрывают внешние стеклянные стены, каждая из которых создает тень для каждой стеклянной стены театра «Эспланада» в форме оранжереи.В результате театр имеет уникальный внешний вид, но при этом очень практичный. ³⁸

Антибликовые покрытия

Арефлексия — это явление, наблюдаемое в глазах моли, которые отражают все длины волн света за пределами видимого спектра и блокируют их. Выступы на глазах бабочек, расположенные с интервалом в 200 нм, поглощают большую часть видимых световых лучей, поскольку они короче, чем большинство длин волн света. Преломление световых лучей, попадающих в глаза, увеличивается, значительно уменьшая отражение.Это позволяет мотыльку избегать хищников и видеть добычу в темноте. Эта технология используется не только в военных целях, но и для светодиодов солнечных элементов. ¹²

Высокопрочные углеродные нанотрубки

Мидии нелегко отделяются от камней даже при ударе мощной волной, поскольку они обладают высокой адгезионной прочностью, которая является следствием бисси. Подушка из виссона радиусом 2 мм способна поднимать вес до 12,5 кг. Адсорбционная способность бисси выше, чем у любого природного клея.Структура бисси состоит из сшивки коллагеновых волокон и белка, известного как Mefp-1, который более прочен, чем любое волокно (). ^{39 — 41}

( A ) Состав бисси в мидиях. ( B ) Химическая структура белка стопы мидий, богатого допа (mfp).

Примечание: Воспроизведено с разрешения Annual Review of Materials Research, Vol 41, © Annual Reviews, http://www.annualreviews.org, Lee BP, Messersmith PB, Israelachvili JN, Waite JH.Клеи и покрытия в стиле мидий. Годовой обзор материаловедения . 2011; 41: 99. ⁴⁰

Культивированные волокна углеродных нанотрубок (УНТ) и сшитые макромолекулярные адгезивы, действующие как коллаген и белок Mefp-1, соответственно, привели к разработке высокопрочных УНТ. Это привело к инновационной разработке высокопрочных УНТ со значительным уменьшением толщины со 100 нм до 17,1 нм при увеличении прочности в три раза. Свойства бисси также привели к их использованию в современной медицине для создания новых способов зашивания ран и их использования в хирургии. ^{42 , 43}

Самовосстанавливающаяся труба подачи клея для бетона

Текущие исследования в области самовосстанавливающегося бетона сосредоточены на различных областях труб подачи клея, включении волокон для обеспечения присущих адгезионных свойств и создания формы. сплавы с эффектом памяти и разрыхлители. ⁴⁴ Совсем недавно был достигнут прогресс в области самовосстановления бетона с помощью наноконструкционных материалов ^{45 — 47} (). В этом случае технология биоминерализации используется для придания бетону способности к самовосстановлению. Sporosarcina pasteurii использует воду, ионы кальция и углекислый газ (CO ₂ ) в своем метаболизме и создает карбонат кальция (CaCO ₃ ) посредством кальцификации. Этот карбонат кальция заполняет зазор в бетоне. Кроме того, цементный комплекс дополнен волокном, которое имеет более высокий модуль упругости и коэффициент формы, чтобы улучшить натяжение и метаморфоз. ⁴⁸

Изображения процесса заживления трещин в контрольных образцах раствора до ( A и B ) и после 100 дней заживления ( C и D ).

Примечание: перепечатано с Виктора V, Йонкерс Х.М. Количественная оценка заживления трещин в самовосстанавливающемся бетоне на основе новых бактерий. Cem. Concr. Состав . 2011; 33 (7): 763–770, с разрешения Elsevier. ⁴⁶

Роботы

Биомиметическая технология в настоящее время используется в различных областях, таких как дизайн, сельское хозяйство, химия, медицина и материаловедение. Он также был включен в исследования робототехники, положив начало новой области биомиметической робототехники. ^{49 , 50} Имитируются двигательные механизмы животных и насекомых, что существенно влияет на подвижность машины, ранее ограниченную колесами. В 1998 году доктор Роберт Фулл исследовал механизмы ног таракана, чтобы создать RHex () с роботизированными ногами и ступнями, которые преодолевают ограничение колес. ⁵¹ В Университете Карнеги-Меллона доктор Хауи Чозет разрабатывает роботизированные руки, которые используют механизмы костей и суставов змеи () и хобота слона. ⁵² Кроме того, доктор Роберт Фулл и доктор Фон Фиринг разработали iRobot, чувствительный к давлению и, следовательно, способный к эффективной сухой адгезии, вдохновленный микроволосами на подошвах геккона ^{3 , 9}

Изображение RHex .

Примечания: Воспроизведено с разрешения Altendorfer R, Moore N, Komsuoglu H, et al. RHex: биологически вдохновленный бегун на гексаподах. Автономные роботы . 2001; 11 (3): 207–213, с любезного разрешения Springer Science and Business Media. ⁵²

Изображение роботов-змей.

Примечание: © 2007 IEEE. Воспроизведено с разрешения Wright C, Johnson A, Peck A, et al. Дизайн модульного робота-змейки. Документ представлен по адресу: Intelligent Robots and Systems, 2007. IROS 2007. Международная конференция IEEE / RSJ, 2007 г. ⁵³

Текущий размер рынка биомиметики

В Европе, Японии и США биомиметика признана технологией будущего, и растет интерес и финансирование.В частности, такие глобальные компании, как Ford, General Electric, Herman Miller, HP, IBM и Nike, сотрудничают с учеными и разрабатывают лаборатории для изучения новых технологий.

В период с 2005 по 2008 год объем рынка продуктов и строительных проектов, в которых применялись биомиметики, оценивался выше 1,5 миллиарда долларов. К 2025 году отраслевые аналитики прогнозируют, что объем рынка продуктов и услуг в области биомимикрии вырастет до 1 триллиона долларов. Ожидается, что только в США он будет иметь рынок с оборотом 35 миллиардов долларов и более чем 1.6 миллионов новых рабочих мест. ^{2 , 53 , 54}

Настоящее и будущее биомиметики

При содействии сосуществованию природы и человека экономические, экологические и социальные аспекты биомимикрии становятся все более востребованными и все более востребованными. сфера применения. Развитые страны активно инвестируют в исследования, чтобы заложить основы для будущих инноваций и разработок в области биомимикрии. ²

После того, как Джанин М. Бенюс создала консалтинговые компании Biomimicry Institute и Biomimicry Guild, она создала веб-сайт Asknature.org для использования в качестве платформы для продвижения биомиметических технологий в США. Кроме того, Управление энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк (NYSERDA) предписывает использование биомимикрии для решения различных проблем в области энергетики.

Двадцать восемь исследовательских центров, изучающих биомиметику, объединились для создания BIOKON в Германии. При поддержке Федерального министерства образования и исследований Германии в настоящее время осуществляется 35 проектов, связанных с биомиметическими продуктами и технологиями. В Великобритании действует Сеть биомиметики для устойчивого развития промышленности (BIONIS), которая связывает предприятия с университетами.Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий реализует Century Center of Excellence, программу для выпускников, посвященную биомиметике , монодзукури (производство биомиметиков) и новым видам использования биотических ресурсов в области сельского хозяйства в Японии.

Большинство прошлых биомиметических материалов было разработано в Европе, а функциональные имитаторы в основном возникли из наноразмерных или микромасштабных частей насекомых и растений. В последние годы, благодаря развитию нанотехнологий, новая волна биомиметики распространяется на имитацию животных.Европа находится в центре развития, а США и Япония активно участвуют в исследованиях. В авангарде биомиметических исследований развиваются нанотехнологии, и они активно развиваются за счет использования электронных микроскопов, подобных сканирующей электронной микроскопии, которые позволяют нам наблюдать и анализировать структуру, функции и физические свойства природных организмов. С помощью этих инструментов нанотехнологии инженеры-биомиметики могут исследовать в масштабе отдельных клеток, особенно клеточные органеллы и взаимодействия между клетками.Биомиметический анализ сообществ клеточных органелл и их структур даст нам представление о том, как разработать наноразмерные конструкции, которые могут вести себя или функционировать так же, как и клеточные конструкции. ⁵⁵

Доктор Стивен Манн из Бристольского университета предположил, что биологические и наноразмерные явления имеют схожее поведение и функции. ⁵⁵ Например, фосфолипиды являются одной из основных составляющих клетки, и экстрагированные из них молекулы спонтанно самоорганизуются в воде с образованием везикул или липосом.Скорость самосборки солюбилизированных фосфолипидов зависит от размера и формы молекул. Биомиметическое исследование физико-химических свойств фосфолипидов помогло разработать самособирающиеся наночастицы и наноструктуры для доставки лекарств, протоклетки имитирующие клеточные органеллы и структуры. Протоклетка имеет разделенную на части микроархитектуру, украшенную сборкой конъюгатов белок-полимерная наноструктура, используемых для инкапсуляции или селективного проникновения биомолекул, синтеза белка и ферментативной активности. ⁵⁶ Как показано в этих примерах, помимо включения дизайна биомиметики в нанотехнологии, применение биомиметики в биомедицинской инженерии может значительно повлиять и создать огромную ценность для человеческого общества в будущем.

Биомиметика в биомедицинской инженерии

Благодаря разработкам, созданным на основе организмов, биомиметика облегчила и улучшила жизнь человека с помощью множества удобных продуктов. В будущем биомиметика будет иметь большее влияние благодаря сочетанию медицины, науки и биомедицинской инженерии для лечения заболеваний, физических недостатков и ран.Особенно многообещающими областями являются регенеративная медицина и тканевая инженерия. Принципы и функции биомиметиков, которые могут быть применены в биомедицинской инженерии, получены из многих источников, включая то, как ящерица регенерирует свой хвост, а рога регенерирует свои рога каждый год, адгезионные, плегматические и регенеративные свойства паутины, а также адгезия лейкоцитов. / миграция в воспалении.

Примером может служить биосовместимая медицинская повязка, которую можно сделать совместимой с тканями человека и интегрировать с повсеместной системой здравоохранения (U-health) для получения отчетов в реальном времени о подробном статусе выздоровления или заболевания.Биосовместимые недолговечные медицинские повязки или ленты могут использоваться для обнаружения сигналов, что позволяет нам отслеживать сердечные приступы или инфаркт миокарда, которые невозможно контролировать или обнаружить с помощью современных медицинских устройств. Такая повязка также будет совместима с нашей кожей и приведет к меньшему количеству побочных эффектов и меньшему раздражению, несмотря на лучшее прикрепление. Как упоминалось ранее, такая функция происходит от волосяного покрова ног геккона. ⁵⁷

Биомиметика нового поколения сочетает в себе биологию с другими технологиями для решения проблем.В частности, нанотехнология становится ключевой дисциплиной, которая будет использоваться, чтобы помочь понять материал и его структуры наряду с ускорением развития вторичной структуры белков. Функционализированные белком наночастицы, функционализированные пептидами наночастицы золота и функционализированные углеводами наночастицы — это области нанотехнологии, которые находят применение в биомиметике. ⁵⁸ Кроме того, биомиметические подходы могут открыть новые многообещающие области. Различные гибридные композиты, вдохновленные природой, были изготовлены и использованы в качестве шаблона, который может регулировать биологические процессы в тканевой инженерии.Структурные биоматериалы, такие как кости или перламутр, построены и организованы иерархически. Чтобы прояснить структурную сложность этих биоматериалов, исследования продемонстрировали развитие морфологических структур неорганических-органических гибридных материалов, имитирующих биологические и структурные образования, такие как образование спикул губки или перламутровая (кирпичная и строительная) структура моллюсков. ⁵⁹

Многофункциональные волокнистые каркасы были разработаны как архитектура нативных тканей, которые имеют высокий потенциал для регенерации кости.Одна группа недавно провела испытания нановолокон в качестве каркаса из поли-D, L-лактид- co -триметиленкарбоната (PLMC). Свойства биомоделированных нановолокон поли-D, L-лактид- co -триметиленкарбоната показали повышенную эффективность и действенность в качестве материалов каркаса для восстановления и регенерации тканей. ⁶⁰

Интеграция биомиметики в биомедицинскую инженерию способствует развитию технологий во многих направлениях. Безболезненные иглы для шприцев, разработанные Университетом Кансай (Осака, Япония), являются одним из примеров сочетания биомиметики с биоинженерией для разработки нового материала для улучшения медицинских операций.Эта группа смоделировала структуру ротового аппарата комаров, которые способны извлекать кровь из животного-хозяина с наименьшим раздражением нервов. Такие иглы используются для помощи диабетикам или во время операций, чтобы помочь пациентам преодолеть страх перед иглами. Они используют биоразлагаемый полимер, полимолочную кислоту, что делает иглы более безопасными и практичными, чем традиционные иглы из микрокремния. Такие иглы можно вводить под определенным углом с определенной чувствительностью, что обеспечивает безболезненное введение. Безболезненные иглы — отличный пример значительного вклада в развитие биомиметики и биомедицинской инженерии. ^{61 , 62}

Из-за неоднородной природы клеточного микросреды были изучены биомиметические аналитические платформы, передающие сложные модели окружающей среды in vivo, чтобы исследовать характеристики клеток и их микросреды. ⁶³ Создавая микросреду (например, микролунки), исследователи имитировали межклеточные взаимодействия в лимфатических узлах или других тканях, где два типа клеток динамически взаимодействуют по иммунологическим сигналам.По мере того, как биомиметические микросреды становятся все более сложными и сложными, исследователи, готовящие биомиметические клеточные среды, будут просвещены и найдут решения для загадочных взаимоотношений между клетками и прилегающей к ним микросредой.

определение биомиметики по The Free Dictionary