Gered door de natuur: het nabootsen van biologie levert nieuwe beschermende kleding op

  • Handschoen gebaseerd op snoekhuid beschermt tegen naaldenprikken
  • Kan een bescheiden schelpdier de ondergang van American Football voorkomen?
  • Genetisch gemodificeerde zijderupsen maken materiaal voor kogelvrij ondergoed

Doden of gedood worden, dat is de wet van de natuur. De evolutie heeft er lang over gedaan de klauwen, tanden, huid en schubben van alle levende wezens te perfectioneren. Van krokodillen tot krabben, de natuur zorgt voor indrukwekkende verdedigingsmechanismen en onderzoekers zijn benieuwd wat zij op materiaalkundig gebied van de natuur kunnen leren. Net als dieren in de natuur hebben mensen ook bescherming nodig. Soldaten, politieagenten, vuilnismannen en slagers, bijvoorbeeld, lopen allemaal risico op snij- en steekwonden. Zo dragen oestervissers van metalen ringetjes gemaakte handschoenen om te voorkomen dat zij zich bezeren als zij de harde schaal van een oester proberen te openen. Politieagenten dragen vaak handschoenen om zichzelf te beschermen tegen injectienaalden tijdens het fouilleren van verdachten. Ze hebben indien nodig, net als militairen, de beschikking over steek- en kogelwerende vesten. En wat dacht je van de ‘harnassen’ die American football- en hockeyspelers dragen?

De huidige ontwerpen kunnen echter enorm verbeterd worden. De beschermende kleding is vaak zwaar en warm en beperkt de dragers in hun bewegingen. Handschoenen beschermen weliswaar tegen snijwonden, maar meestal niet tegen de uiterst gevaarlijke kleine medische naalden. Met behulp van technologische en biologische kennis kunnen wetenschappers de techniek van de natuur afkijken.

Handschoen gebaseerd op snoekhuid beschermt tegen naaldenprikken

Alligatorsnoeken behoren tot de gemeenste zoetwatervissen die een visser aan de haak kan slaan. Ze hebben net als een alligator een bek vol tanden en hun lijf is bedekt met een laag ijzersterke, elkaar overlappende schubben. Dat natuurlijke, zeer adequate ‘harnas’ heeft de aandacht getrokken van François Barthelat, mechanisch ingenieur aan de McGill Universiteit. Samen met zijn team wil hij beschermende handschoenen maken die flexibel en tegelijk ondoordringbaar zijn voor naalden. Om te ontdekken wat een injectienaald kan tegenhouden hebben ze heel wat naalden in allerlei flexibele materialen gestoken. De bedoeling is een materiaal te vinden dat niet te doorboren is en tegelijk bewegingsvrijheid geeft. Het lukte hen niet om het stevige natuurlijke harnas van de alligatorsnoek met een naald te penetreren, wat de aanleiding was om serieus na te denken over de werking van dit schubbenharnas. Barthelats team realiseerde zich dat de vorm, dikte en positie van de schubben cruciaal zijn en verschillende testen bewijzen dat een ‘harnas’ dat het meest lijkt op de natuurlijke, beschermende laag van de alligator snoek de beste bescherming biedt. Kleinere schubben beschermen bovendien beter dan grotere, wat het ontwerpen van handschoenen makkelijker maakt.

Met Superior Glove als partner, ontwerpt Barthelat nu een laagje kleine keramische schubben dat wordt toegevoegd aan een Kevlar-laag om de veiligheid van het materiaal te optimaliseren. De nieuwe alligatorsnoek-handschoenen doorstaan alle veiligheidsproeven. Naar verwacht worden deze handschoenen de standaard voor verpleegkundigen, vuilnismannen en technici op de eerstehulpafdelingen – eigenlijk voor iedereen die met besmette naalden of andere scherpe voorwerpen in aanraking komt. “De natuur heeft er miljoenen jaren over gedaan om oplossingen voor ‘ontwerpproblemen’ te vinden”, zegt Barthelat. “Biologen, technici en ingenieurs hebben elkaar lange tijd genegeerd, maar dat verandert nu. Ze laten zich steeds meer door elkaar inspireren en praten vaker met elkaar dan ooit. Dat werkt heel stimulerend en maakt werken in dit veld zeer interessant.”

Kan een bescheiden schelpdier de ondergang van American Football voorkomen?

American Football-spelers lopen door herhaalde klappen en onopgemerkte hersenschuddingen steeds vaker traumatisch hersenletsel op. Dat leidt in veel gevallen tot geheugenverlies of andere stoornissen. Spelers en fans zijn bang dat dit het einde van de sport kan betekenen. Markus Buehler, een materiaalkundig wetenschapper van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), experimenteert met beschermende kleding die ook geïnspireerd is door de natuur. Zijn ontdekkingen kunnen niet alleen levens, maar ook een van de meest populaire Amerikaanse sporten van de ondergang redden. Als je ooit hebt geprobeerd de schelp van een mossel of ander schelpdier te kraken, weet je hoe moeilijk dat is. Daarom is het zo verbazingwekkend dat ze eigenlijk van zachte materialen gemaakt zijn. Volgens Buehler zijn de eiwitten en kalkachtige mineralen die de schelpdieren voor hun schelp gebruiken op zichzelf oninteressant. “Het zijn bouwstenen die ingenieurs niet eens willen aanraken.” De natuur heeft de bescheiden zeewezens echter in staat gesteld van deze eenvoudige stoffen iets ongelooflijks te maken en Buehlers team wilde weten hoe. Ze kwamen erachter dat het niet zozeer de eiwitten en mineralen zijn die het materiaal sterk maken, maar de wijze waarop ze zijn gerangschikt. De schelp, of in dit geval het slakkenhuis, perst de gel-achtige eiwitten samen tussen twee harde lagen calciumcarbonaat. Vervolgens ontstaat er een materiaal – of eigenlijk een systeem – dat in staat is harde klappen te absorberen en de slak te beschermen. Op basis van dat voorbeeld slaagde het team erin een 3D-geprint composiet te maken dat de beschermingsfactor met 85 procent verhoogt. Hierdoor kunnen harde klappen worden geabsorbeerd zonder dat het materiaal breekt.

Hoewel het werk van Buehler door het Amerikaanse ministerie van defensie gefinancierd wordt, denkt Buehler dat dit nieuwe materiaal ook in de sport breed toepasbaar zal zijn. Popular Science meldt dat de huidige helmen, die zijn gemaakt van piepschuim en hard plastic, eigenlijk onvoldoende bescherming bieden. Buehlers door de natuur geïnspireerde materiaal kan helmen versterken zonder ze te verzwaren.

Op schelpen gebaseerd beschermend materiaal uit de 3D-printer
Op basis van dat voorbeeld slaagde het team erin een 3D-geprint composiet te maken dat de beschermingsfactor met 85 procent verhoogt.

Genetisch gemodificeerde zijderupsen maken materiaal voor kogelvrij ondergoed

Je weet misschien hoe sterk spinnenzijde is. Het is sterker dan staal en zelfs tien keer zo sterk als het Kevlar dat we gebruiken in kogelvrije/beschermende kleding. In tegenstelling tot de synthetische polymeren – die niet erg elastisch zijn, waardoor de moderne beschermende kleding niet lekker zit – is spinnenzijde wel zeer rekbaar. Het probleem is dat spinnen geen enorme hoeveelheden zijde kunnen maken. Bovendien kunnen deze kleine kannibalen niet bij elkaar zijn, wat zijdeproductie nogal lastig maakt. Kraig Biocraft Laboratories heeft daar echter een oplossing voor gevonden. Door zijderupsen met spinnengenen te modificeren kunnen zij nu een wonderbaarlijk nieuw materiaal produceren. De zijderupsen, die wel vreedzaam bij elkaar kunnen leven, produceren nu commercieel interessante hoeveelheden zijde, het supersterke ‘dragon silk’ of drakenzijde.

Het Amerikaanse leger wil dit materiaal gebruiken voor de bovenkleding van zijn militairen, maar onderzoekt eveneens de mogelijkheden om er kogelwerend ondergoed van te maken. Op het huidige strijdtoneel vormen geïmproviseerde explosieven namelijk een enorm gevaar. Ze ontploffen op de grond, vernielen de bestaande beschermende harnaspakken en verwonden soldaten. De hoop is dat dragon silk-ondergoed verwondingen kan voorkomen.

Om antwoorden te vinden op hun vragen, onderzochten wetenschappers in alle voorbeelden in dit artikel de natuur. Goed beschouwd is de evolutie niet veel minder dan een langdurige wapenwedloop waarin de ene verbetering de andere opvolgt. Het is logisch dat technici en onderzoekers door middel van het bestuderen van biologie aanwijzingen willen vinden hoe ze mensen het beste kunnen beschermen.

 

Gratis e-books voor 13 sectoren.

De wereld verandert in snel tempo en dat heeft grote impact op all sectoren. Daarom hebben we voor maar liefst 13 sectoren een compact e-book ontwikkeld. Daarin vind je de laatste trends op een rij, onderbouwd met interessante statistieken.
Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Trendwatcher, futurist en internationaal topspreker Richard Van Hooijdonk neemt je mee naar een inspirerende toekomst die leven, werken en ondernemen drastisch gaat veranderen.

Alle Lezingen