‘We moeten de natuur beter leren begrijpen om zo duurzame innovaties voor de mens te realiseren’

‘Kunnen we een biomimetische spiderman maken, die wél degelijk muren en vensters omhoog kan klimmen?’ Over die vraag buigt bioloog Dominique Adriaens zich voor zijn college voor de Universiteit van Vlaanderen.

Heeft u er ooit wel eens in het geniep van gedroomd om een superheld te zijn? Wie niet? Ze zijn er ook in alle kleuren en geuren, in het leven geroepen via strips en films, met allerlei spectaculaire eigenschappen die tot ieders verbeelding spreken. Intrigerend is dat de ogenschijnlijk ‘bovennatuurlijke krachten’ dikwijls gerealiseerd worden dankzij ‘normaal’ wetenschappelijk onderzoek en (bio-)technologische innovatie (denk maar aan Iron Man of Captain America). Men kan zich terecht afvragen in hoeverre dit allemaal wel pure sciencefiction is. Hebben we hier deels niet te maken met science faction?

We moeten de natuur beter leren begrijpen om zo duurzame innovaties voor de mens te realiseren.

Neem nu het verhaal van Spider-Man: een scholier krijgt genetisch materiaal ingespoten door een genetisch gemanipuleerde spin, en ontwikkelt daardoor enkele typische eigenschappen van spinnen. Zo produceert hij spinsel (weliswaar niet via uitsteekseltjes (spintepels) aan zijn achtereind zoals een spin; dit zou scenografisch nogal een uitdaging zijn) en ontwikkelt hij getande haartjes op de vinger- en teentoppen. Uiteraard hebben de schrijvers van het verhaal (Stan Lee en Steve Ditko) de mosterd gehaald bij de natuur, namelijk wat spinnen doen in de natuur. Alleen hebben ze de natuurlijke aspecten wat aangepast en ‘vertaald’ naar een versie die toepasbaar zou kunnen zijn op een mens.

Belangrijk is hier het ‘vertalen’, want het gaat hier niet om een letterlijk kopiëren van eigenschappen van spinnen op de mens. Zo gebruiken spinnen immers geen spinsel om zich al slingerend te verplaatsen van de ene plaats naar de andere (toch niet op de manier zoals Spider-Man; kleine spinnen kunnen zich wel laten meevoeren door de wind via een zeer lange spindraad). Ook werken de haartjes op de vingers en tenen van Spider-Man niet zoals die bij spinnen, laat staan dat Spider-Man er zelfs mee aan een muur of venster zou kunnen blijven hangen.

Het vertalen van biologische systemen en processen uit de natuur naar systemen en processen om allerlei technische uitdagingen in de maatschappij aan te gaan, is een wetenschappelijke discipline op zich: biomimetica (soms ook wel ‘biomimicrie’ genoemd). Centraal is hier dus het ‘vertalen’, wat in een aantal stappen gebeurt. Eerst probeert men de onderliggende mechanismen te achterhalen die alles doen werken in de natuur. Dan zal men daaruit de belangrijkste onderdelen distilleren en die vertalen naar iets dat technisch realiseerbaar is. Het letterlijk nabootsen uit de natuur kan ook, maar levert niet altijd de beste oplossing op voor specifieke technische of maatschappelijke problemen. Dit is ook logisch: organismen zijn niet geëvolueerd als resultaat van miljoenen jaren aan natuurlijke selectie om enkel die ene functie optimaal te kunnen uitoefenen. Nee, organismen zijn een zo goed mogelijke compromis van álle functies die ze moeten uitoefenen om te overleven, zich voort te planten en gezonde nakomelingen op de wereld te zetten.

Gekko’s

U stelt zich uiteraard nu de vraag: kunnen we dan geen biomimetische spiderman maken, die wél degelijk muren en vensters omhoog kan klimmen? Wel, dat kan (en meerderen hebben de denkoefening al gemaakt). Alleen mogen we ons dan niet enkel richten tot wat spinnen kunnen. Als we naar de natuur kijken, zijn verschillende soorten aanhechtingsstructuren meerdere keren onafhankelijk van elkaar ontstaan, zowel in het dieren- als het plantenrijk (denk bijvoorbeeld aan klimop). Als we op zoek gaan naar die dieren die het best presteren in de functie ‘aanhechting op allerlei oppervlaktes’, dan komen we als snel uit bij de gekko’s: kleine hagedisachtigen die er in slagen om heel snel over verticale muren en vensters te lopen, zelfs ondersteboven.

Wil men een gekko-geïnspireerde spiderman maken, dan is de eerste stap begrijpen hoe de aanhechting in de natuur werkt. Gekko’s hebben namelijk aan de onderkant van hun vingers en tenen miljoenen microscopisch kleine haartjes (30 tot 130 micrometer lang – 1 micrometer is één duizendste van een millimeter), die aan hun uiteinde vertakt zijn in 100 tot 1000 spateltjes (die zijn slechts 0,2 tot 0,3 micrometer groot). Als een gekko zijn ‘handen’ en ‘voeten’ op een substraat zet (met substraat bedoelt men een oppervlak dat bestaat uit één of andere materie), dan kunnen die talrijke en fijne haartjes in grote aantallen zeer dicht contact maken met die materie. Het contact is zelfs zo dicht dat bepaalde aantrekkingskrachten tussen de atomen in de haartjes en die in het substraat beginnen te werken: de van der Waals krachten.

Héél interessant aan dit systeem is dat die krachten altijd aanwezig zijn, en géén enkele energie vragen van de gekko: ze zijn er gewoon. Ook weet men dat wanneer dit gebeurt in een vochtige lucht, er bovendien zogenaamde capillaire krachten actief zijn (aantrekkingskrachten tussen watermoleculen en moleculen in de haartjes). Als men alle krachten voor elk van die haartjes optelt (er eventjes van uit gaande dat alle haartjes tegelijk vasthangen, wat uiteraard in werkelijkheid nooit het geval zal zijn), dan zou een doorsnee gekko een totale aanhechtingskracht produceren die toelaat om tot 67 keer zijn eigen lichaamsgewicht te dragen.

De volgende stap is dan de eigenschappen van die aanhechtingsstructuren nabootsen, en te vertalen naar iets technisch maakbaar. Meerdere onderzoeksgroepen hebben verschillende productie-technieken gebruikt om de kleefstructuren van gekko’s na te bootsen en de aanhechtingskracht te optimaliseren. Zo werd dit jaar nog een herbruikbare plakband ontwikkeld, gebaseerd op gekko’s (GeckSkin^TM genaamd). Anderen probeerden via simulaties na te gaan hoe groot het oppervlak van de aanhechtingsstructuren zou moeten zijn om mogelijk te maken dat een mens zijn eigen gewicht kan dragen. Mochten we bijvoorbeeld ‘kleefschoenen’ maken op basis van gekko-structuren, dan zou een mens van 80 kg een schoenmaat 145 moeten hebben om te kunnen blijven hangen. Maar dat de natuur niet noodzakelijk de beste oplossing biedt, is ook hier van toepassing: mochten we handschoenen en schoenen maken die bezet zijn met nog fijnere structuurtjes (zoals bijvoorbeeld koolstof-nanobuisjes), dan zou de aantrekkingskracht nog eens 200 keer groter zijn dan bij gekko’s.

Het zou ondertussen overduidelijk moeten zijn dat de huidige manier van het ‘opgebruiken’ van de natuur voor menselijke noden zijn grenzen begint te bereiken. Toch slaagt de natuur er zelf wél in om gedurende miljarden jaren alles te recycleren, en wat afbraak voor het ene organisme is, wordt bouwstoffen en energie voor een ander. Misschien moeten we iets meer inspanning doen om te leren begrijpen hoe de natuur werkt, om zo duurzame ontwikkelingen en innovaties voor de mens te kunnen realiseren. Pas dan zouden we superhelden zijn.