Wat hebben een ijsvogel, klitbolletjes en een Namibische kever met elkaar gemeen? Naast dat het levende organismen zijn, hebben ze allemaal gediend als inspiratie voor creatieve menselijke technologieën om uitdagende problemen op te lossen.

De gladde snavel van de ijsvogel inspireerde het gestroomlijnde neusontwerp van hogesnelheidstreinen in Japan. Klitten inspireerden het klittenbandsysteem Velcro. En de rug van de Namibische kever inspireerde een waterverzamelingsinstallatie in de woestijn.

Dit is biomimicry. Het is een benadering van innovatie, gedefinieerd door het Biomimicry Institute als het zoeken naar: “duurzame oplossingen voor menselijke uitdagingen door na te bootsen wat de natuur al miljarden jaren doet: haar beproefde patronen en strategieën.” Er zijn veel oplossingen in de natuur — en we leren er steeds meer over.

Als onderzoeker in materiaalkunde en engineering heb ik gewerkt aan een verscheidenheid aan verschillende stoffen. Deze omvatten biomaterialen (implanteerbare keramiek, tandheelkundige keramiek en titaniumlegeringen) en een verscheidenheid aan verschillende coatingtechnologieën (thermische barrièrecoatings in turbine motoren, corrosiebestendige coatings en katalysatordragers).

Biomimicry heeft mijn teams geholpen oplossingen te ontwerpen die we anders waarschijnlijk niet hadden verkend. Inspiratie is gekomen van organismen zelf, hoe organismen materialen maken en hoe organismen samenwerken. Bijvoorbeeld, gebaseerd op structuren die waargenomen zijn op plantenbladeren, hebben we keramische coatings bij kamertemperatuur laten groeien om olie- en waterfilters op papier en op kopergaas te maken.

Zonder vliegende insecten, vogels en zwevende zaden zouden we in staat zijn geweest om vliegtuigen, zweefvliegtuigen, parachutes of helikopters te maken?

Bekijk een esdoornzaadje dat naar de grond draait of een paardenbloemzaadje dat door de lucht zweeft en ik weet zeker dat je meer vragen zult gaan stellen.

Mensen zijn over het algemeen nieuwsgierig en oplettend en we hebben veel innovaties gedaan door naar de natuurlijke wereld te kijken voor inspiratie. We streven ernaar om te begrijpen en vervolgens "kopiëren" we bestaande oplossingen. Het proces van biomimicry draait ook om nieuwsgierig en oplettend te zijn. We volgen een gedisciplineerd proces om vragen te stellen en antwoorden te zoeken door te kijken naar wat er al in de natuur aanwezig is.

We observeren eerst functies — wat doet het organisme? De functie kan eenvoudig of complex zijn: Een paardenbloemzaadje dat door de lucht zweeft, of chemische signalering in het lichaam om bot te laten groeien. We observeren hoe een organisme zo'n functie bereikt.

We bepalen vervolgens de mechanismen waarmee de functies worden vervuld — we komen bij de chemie en fysica van de mechanismen. De laatste fase is om de natuurlijke vorm, het proces of het ecosysteem te abstraheren voor een ander doel — om na te bootsen voor ons eigen gebruik.

Het loont om op te letten. In het verleden had ik een onderzoeksproject om nieuwe manieren te bedenken om gestructureerde katalysatoren te maken (coatings die chemische reacties beter mogelijk maken). Het team verwerkte metalen draadgaas — om keramische haarachtige structuren te produceren waarop we metallische nanodeeltjes moesten aanbrengen.

We konden het gaas fabriceren, maar de promovendus kwam op een dag naar me toe en zei dat er iets "raars" gebeurde. Hij kon de nanodeeltjes-voorlopersoplossing (het mengsel van chemicaliën dat helpt om het eindproduct te maken) niet laten natmaken op het behandelde draadgaas. Het draadgaas dreef op de watergebaseerde vloeistof.

We begrepen niet wat er aan de hand was, en daarom keken we naar de structuur onder de microscoop. We begrepen het nog steeds niet, en daarom keken we naar de natuur. Ik maakte een uitstapje naar onze kas op de campus, gewapend met een waterfles. De beheerder liet me een verscheidenheid aan planten zien die water op fascinerende manieren afstootten, en ik spoot water op ze om te zien wat er gebeurde.

Ik bekeek verschillende planten onder de microscoop en ontdekte dat suikerriet een vergelijkbare structuur had als de keramische coating.

Ik was verbaasd, en het was het begin van een nieuwe onderzoeksrichting voor mij; ik wilde uitzoeken hoe ik coatings kon maken om bladeren na te bootsen.

Hydrofobe (waterafstotende) coatings, gebaseerd op de structuren van de wassen die op bladoppervlakken worden gevonden, worden in veel toepassingen gebruikt — van verf (zoals het merk Lotusan) tot energieopwekking, waar efficiëntie kan worden gewonnen door de druppelvorming in condensors en ketels te beheersen. Door aandacht te besteden aan hoe de natuur zich gedraagt, en door in te zoomen op de chemische en fysische mechanismen, zijn we in staat om bio-geïnspireerde oplossingen te creëren uit andere materialen en voor verschillende toepassingen.

Op de middelbare school vertelde mijn vriend me over een botdefect in zijn been — een groot gat in zijn dijbeen. Hij was aan het rennen en zijn dijbeen brak, waarna hij instortte. Hij werd vijf centimeter korter wakker in het ziekenhuis. Waarom? Omdat 25 jaar geleden botdefecten niet zo gemakkelijk hersteld konden worden en het beschadigde weefsel operatief verwijderd moest worden. Er was niets botachtigs dat op de plaats van het beschadigde weefsel geplaatst kon worden om nieuw bot te laten groeien. Zijn perfect goede been moest ook verkort worden.

Vandaag de dag kunnen we dankzij biomimicry botweefsel herstellen en regenereren — een gebroken been hoeft niet per se te betekenen dat je ook kleiner wordt! Hoe kunnen we nu doen wat we vroeger niet konden? We hebben geleerd hoe het lichaam botweefsel laat groeien, en we zijn in staat geweest botgroei te stimuleren door de processen van de natuur na te bootsen.

We kunnen nu glas in een lab maken, het implanteren, en er zal nieuw bot op die plek groeien. Drie maanden later is er geen spoor van het glas meer. Het klinkt veel als het "Skele-Gro"-drankje uit de Harry Potter-serie, maar dan zonder de vieze smaak! Onze innovaties zijn door onszelf geïnspireerd – we zijn tenslotte ook onderdeel van de natuur.

Bioactief glas, een op calciumfosfaat gebaseerd siliciumglas dat materiaalresorptie en botgroei stimuleert, wordt vaak gebruikt in tandheelkundige toepassingen voor bottransplantaten. Het materiaal wordt in een botdefect geplaatst en na verloop van tijd, onder de spanningen en de biologische omgeving, corrodeert het glas en geeft het botscellen (osteoblasten) het signaal om zich te hechten en te prolifereren aan het oppervlak en nieuw bot te vormen. Het geïmplanteerde glas wordt volledig opgelost en vervangen door nieuw bot.

En wat betreft de toekomst? We zien en leren steeds meer over wat er in de natuurlijke wereld gebeurt door de tijd heen en door geavanceerde onderzoeksstudies, waardoor het moeilijk te voorspellen is wat we in de toekomst nog meer zullen leren. Echter, naarmate we meer leren, ontdekken we dat we grove vereenvoudigingen hebben gemaakt voor veel natuurlijke fenomenen — dus moeten we nieuwsgierig en oplettend blijven ten opzichte van de natuurlijke wereld en ons verdiepen in de details, zonder het volledige systeem uit het oog te verliezen.

En, aangezien mensen hersen-machine-interfaces nastreven, kunnen we misschien ook enkele andere fantasieën overwegen. Tsaheylu van de Na’vi in de film Avatar is “de band” tussen verschillende dieren — een manier om één te voelen met het vermogen om als één te handelen. Stel je voor dat we in plaats van de natuur na te bootsen, één met haar zouden kunnen worden. Ik vraag me af welke andere geheimen we zouden kunnen leren van de ijsvogel, klitpeulen en de Namibische kever.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het oorspronkelijke artikel.