تراوش ایده‌ها از نانو در حیات

اگر با واقعیت های فناوری نانو آشنا شویم، دیدگاه مان از نانو تغییر خواهد کرد و به آن علاقه مندتر هم می شویم. بیشتر ما اسم نانو را فقط از رسانه ها می شنویم؛ درست است که در شرکت ها و دانشگاه ها محققانی هستند که روی فناوری نانو کار می کنند و از نتایج آن بهره می برند، اما از نظر خیلی ها نانوفناوری پیچیده و دور از دسترس است. تقریباً خیلی از ما نانوساختارهای ساخته شده توسط انسان را به جز نمایشگاه های سالیانه در داخل ظروف و آن هم جز به صورت پودر یا پوشش در سطوح ندیده ایم، اما باید اذعان کرد که بسیاری از چیزهای منظمی که پیرامون ما در طبیعت وجود دارد و ما کمتر به آن دقت کرده ایم، از ساختارهای نانومتری برخوردارند و از آن کمک می گیرند. هدف این بخش آن است که بار دیگر به طبیعت و موجودات خلقت بنگریم و این بار دقیق تر و از طریق میکروسکوپ های الکترونی SEM که می توانند ابعاد نانومتری را نشان  دهند آن ها را بررسی کنیم. نانوبیومایمتیکز دانش جدیدی است که مربوط به ده تا بیست ساله اخیر است، چرا که میکروسکوپ های الکترونی کلید تصویر برداری از ابعاد ریز نانومتری در موجودات خلقت هستند. ابعادی که ظاهراً مدت ها کسی از آن هیچ سخنی نگفته است. بنابراین عمده بحث ما معرفی ناشنیده ها و یافته های نانومتری در خلقت و بعد نمایش تصاویر SEM زیادی از ساختارهای آنها است.

ابتدا سوال هایی مطرح می شود. چرا مارمولک ها، مورچه ها، مگس ها و عنکبوت ها می توانند روی دیوار یا حتی سقف راه بروند؟ نور کرم های شب تاب از کجا آمده است؟ علت تمیزی فوق العاده سطوح برگ ها در گیاهان چیست؟ علت رنگ های متنوع پرهای اردک یا طاووس یا سنگ های رنگی طبیعی چیست؟ چرا پوست گونه هایی از سوسک ها که جنس ثابتی از پروتئین دارد ظواهر زیبا و رنگین کمانی ایجاد می کند؟ علت تغییر رنگ آفتاب پرست ها چیست؟ چرا پروانه ها بال هایی درخشنده و برّاق دارند؟ ابعاد دقیق DNA چقدر است؟ پاسخ به این سوال ها و موارد مشابه زیادی از این قبیل، ما را با نانو در طبیعت بیشتر آشنا می کند، چرا که همه این اتفاقات با نانوساختارهای ویژه این مخلوقات در ارتباط است.

ایده توسعه هواپیماهای پرانرژی که امروز از این سوی جهان به سوی دیگر سفر می کنند، از پرواز پرندگان استخراج شده است. تفاوت های چشمگیری بین نسخه پرواز در پرندگان و شکل پرواز هواپیماها وجود دارد. هواپیماها بال هایشان را بالا و پایین نمی برند، به سبکی پرنده ها نیستند؛ و دم پرنده ها حالت عمودی دم هواپیماها را ندارند.

امروزه حوزه الهام از حیات به یکی از رویکردهای مهم تراوش ایده های نو در فناوری نانو تبدیل شده است. اگر چه تفاوت های بین نمونه طبیعی و نمونه مصنوعی ساخته شده توسط انسان بیشتر از شباهت های آنهاست؛ ولی نقطه مشترک اصلی در عملکردها است. عملکردها گاهی در ابعاد بزرگ دیده می شوند(مانند تقلید در شکل ظاهری یک سطح، مثل شکل بال یک پرنده، یا تقلید از شکل باله های والها در توربین ها)، گاهی در مقیاس های ریزتر مطرح می شود و گاهی به ابعاد مولکولی ارتباط دارد. در الهام از خلقت در فناوری نانو ساختارهایی نانومتری مورد توجه هستند که در ساختن عملکردهای ویژه، عامل اصلی و کلیدی بوده اند.

نماد الهام از طبیعت در ساخت وسایل پرنده است. سال های زیادی از باقی ماندن ایده ی پرواز در ذهن ها و آرزوها می گذشت که لئوناردو داوینچی تلاش کرد رویکردی عُقلایی به پرواز داشته باشد و ساز و کارهای زیادی را برای پرواز طراحی کرد و اقداماتی عملی را نیز انجام داد. سال ها بعد از داوینچی، اتولیلیان پرواز پرندگان را با مهارت به تصویر کشید و توانست به حقیقت پرواز آنها پی ببرد. او فهمید شکل و ساختار بال ها علت اصلی پرواز است. بال های پرندگان طوری است که جریان چرخانی از هوا را دور خود ایجاد می کند (یک جریان گردابی). این جریان باعث می شود ، سرعت جریان هوا در بالای بال بیش از جریان هوا در پایین آن باشد. در نتیجه قسمت پایین بال پُر فشار تر از قسمت بالایی آن می شود و یک نیروی رو به بالا ایجاد می کند که به آن لیفت اطلاق می شود. این اتفاق کلید پرواز است.

بعد از اتو ارویل و ویلبر رایت، یک هواپیمای تک سرنشین در سال 1903 میلادی به پرواز درآمد. امروزه این داستان ها سپری شده و اکنون مدت ها است که پرواز به یک حقیقت روزمره تبدیل شده است و خطوط هوایی با کمترین اختلال، مسافران زیادی را در مسافت های طولانی جابجا می کنند. در دنیای امروز بهره برداری و ایده گرفتن از طبیعت به یک منش مهندسی و مسیری روشن تبدیل شده است که بیومایمتیکز یا بیومایمسری نام گرفته است.

تقلید از حیات یا بیومایمسری(Biomimicry)، کپی برداری از عملکرد یک ساختار زیستی با بازتولید تقریبی مشخصه اصلی آن است. واژه «بیومایمسری» در لغت نامه ها یک اسم مرکب است که از ترکیب دو واژه یونانی بیو به معنای حیات یا زندگی و مایمسری به معنای تقلید کردن و کپی کردن گرفته شده است. امروزه تقلید از حیات، علم و روش جدیدی است که بهترین ایده های طبیعی را مطالعه می کند و سپس این طراحی و فرایندها را برای رفع مسائل در ساخته های بشر استفاده می کند. هدف در ایده برداری از حیات باز تولید یک عملکرد (معادل Function در زبان انگلیسی) است، لزوماً خود ساختار نمی باشد.

همانطور که بیان شد بیومایمتیکز مخصوص هواپیماها و کشتی ها نیست و به سطوح نانومتری و میکرومتری هم مربوط می شود. مثلاً گروهی از دانشمندان برای ساخت مواد فوق سبک در دانشگاه فلوریدا روی قطعه ی فومی با ساختار نانومتری تحقیق کرده اند که از استخوان خاصی در پای اسب الگو گرفته شده است. امروزه تعداد موضوعاتی که در سطح نانومتری از حیات تقلید می کنند افزایش پیدا کرده و از این رو متخصصان و فعالان حوزه نانو، تحقیقات تقلید از حیات در نانوفناوری را آغاز کرده اند. کار در این حوزه باید با دقت و ظرافت بالاتری دنبال شود و هزینه های بالاتری دارد، اما نتایج آن بسیار تاثیرگذار و سودمندتر و با ثبات تر خواهد بود.

سمت و سوی فناوری های نهفته در حیات با یافته های بشری از زمین تا آسمان می باشد. چیزهای زنده، دنیایی متفاوت از شیمی و فیزیک محدودی که ما می دانیم دارند. مثلاً تکثیر مولکولی در حیات به وفور از آب استفاده می کند. مکانیزم های تولید انرژی در طبیعت و شیوه های استتار، شیوه های سیر در آسمان، نحوه انتقال پیام در طبیعت همگی موضوعات مهمی هستند که در نانو نیز مورد توجه قرار گرفته اند. یک نمونه خوب فرایند خودترمیمی پوست و بافت است که امروزه روی آن کارهای زیادی در فناوری نانو انجام می شود. این ایده از خوب شدن زخم ها و جوش خوردن شکستگی استخوان و امثال آن در حیوانات و قلمه و پیوند در گیاهان کپی برداری شده است.

با اعتماد به ساختارهای برتر خلقت می توان مسائل مهم امروزه ی بشر را حل کرد. واقعیت این است که اغلب پاسخ های ساده، بهینه و متعالی در خلقت نهفته اند. از این رو جمله «زیست شناسی آینده مهندسی است» یک اصطلاح متداول در دانشکده های مهندسی شده است. خانم ژنین بنیوس اولین محقق و نویسنده کتاب بیومیمسری الهام و تقلید از طبیعت را داشتن سه جزء اصلی تعریف کرد: مدلی طبیعی (model)، یک معیار(measure) و مرشد (mentor) .

دیدگاه بنیوس مبتنی بر «تکامل» بیان کرده که سیستم های «طبیعی» به عنوان نوعی مرجع الهام گیری هستند، که بر اساس یک مطالعه فعالانه از آنچه طبیعت می خواهد، پیش بینی شده اند و روی این متمرکزند که طبیعت چه راهکارهایی را ارائه می دهد. طبیعت یک راهنما است، نه یک منبع بهره برداری. بنابراین ما به سراغ طبیعت می رویم تا به راهکارهای امکان پذیری برسیم. در دو تعریف دیگر تقلید از طبیعت بیواینسپایریشن و بیودیرایویشن اطلاق می شود. بیواینسپایریشن (الگوبرداری از طبیعت) عبارت است از مشاهده یک نقش کلیدی انجام شده توسط سیستم های طبیعی و الهام گرفتن برای تاثیر روی همان نقش در یک سیستم مصنوعی و بیودیرایویشن(استخراج از طبیعت) تلقیق بین مواد طبیعی و مصنوعی و عملکردهای آن ها است.

از نظر بنیوس قانون های پایه در چیزهای طبیعی وجود دارند که مفهوم تقلید از حیات را پشتیبانی می کنند، مثلاً حیات انرژی خود را از نور خورشید می گیرد. موجودات با حداقل مصرف مواد، فقط مقدار انرژی مورد نیازشان را مصرف می کنند. حیات شکل فیزیکی مناسبی را برای انجام کارهایش می گیرد و همه چیز را بازیافت می کند، با همکاری و همخوانی فوق العاده همراه است، پر از تنوع است و از قدرت محدودیت ها استفاده می کند.

روزنامه ی «های کانتری نیوز» نوشته است که با به کارگیری مدلی از سیستم های طبیعی می توانیم فناوری هایی را ایجاد کنیم که در آینده دارای ثباتی بالاتر و ماندگاری بیشتر هستند.

بنیوس در کتاب خود نمونه های جذابی از حیات آورده است. مرغ مگس(Hammingbird) با 3 گرم وزن می تواند خلیج مکزیک را طی کند. شاه پروانه با وزن ناچیز 2 الی 6 گرم، 3218 کیلومتر مهاجرت می کند. در این پرواز روزانه 128 کیلومتر طی می کند. نمونه دیگر، پرنده ای با نام آلباتراس سرگردان است که با عرض بال 3.66 متر، مسافتی بین 3600 تا 15000 کیلومتر را در یک بار سفر بی وقفه پرواز می کند. یک تلیله دم دراز 11500 کیلومتر را طی 9 روز از آلاسکا به نیوزلند طی می کند. این پرنده بدون هیچ توقفی برای غذا یا آب، 50 درصد از وزن بدنش را در سفر دور و درازش از دست می دهد. بدون محاسبه، قطعاً این مقدار پرواز با دانش امروزی ممکن نیست.

قابلیت سنجاقک ها در مانوردهی بالاتر است. لانه مورچگان از معماری بهینه ای برای تهویه و گرمایش استفاده کرده است. خفاش ها که انتقال دهنده فرکانس بالا هستند کارایی و حساسیت بالاتری از سیستم های راداری بشر دارند. جلبک ها از ترکیب مواد مختلف استفاده کرده اند و در اعماق اولیه اقیانوس ها نور ساطع می کنند. موجودات قطبی در سرمای شدید قطب یخ نمی زنند. سیستم پرها بسیار قدرتمند و توانمند است. غاز سر طلایی برای پرواز به ارتفاع 9144 متری می رود که از 8848 متر کوه اورست بالاتر است. در این ارتفاع تنها یک چهارم اکسیژن موجود در سطح دریا وجود دارد و دما به اندازه ای است که می تواند گوشت پرنده را منجمد کند.

مارمولک ها و آفتاب پرست ها و اختاپوس ها و ماهی های مرکب رنگ و طرح بدنشان را عوض می کنند و شبیه به محیط می کنند. زنبورها، لاکپشت ها و پرندگان بدون نقشه با علائم مغناطیسی مهاجرت می کنند. وال ها و پنگوئن ها بدون ابزار تنفسی مدت ها زیر آب و در اعماق پر فشار می مانند. رشته DNA همه اطلاعات را در تمامی موجودات ذخیره می کند و گیاهان سالانه 300 میلیارد تن قند را از طریق فرایند فوتوسنتز تولید می کنند.

اگر تمام داشته های مهندسی یک دریاچه باشد، آنچه در حیات نهفته است یک دریا است و از این رو بنیوس نتیجه جا افتادن این رویکرد را رشد سریعتر تکنولوژی می داند.

ولی در یک دسته بندی کلی، سرفصل های جذاب زیر در الهام از طبیعت مطرح شده است:

1- مواد هوشمند (صدف دریایی یا آبالون با استحکام مکانیکی بالاتر از مواد پیشرفته سرامیکی، استخوان و ساختار متخلخل درون آن، قابلیت پرش کک تا 80 برابر طول خود و پرش رنجره قورباغه ای تا 142 برابر طول 5 میلیمتری خود به واسطه رزیلین)

2- طراحی و معماری در گیاهان ( استفاده از فیبرهای نوری در اسفنج های اعماق اقیانوس برای تولید نور، سلولهای خورشیدی، سطوح خودتمیز شونده، ارسال علائم برای شکار حشرات و تله انداختن حشرات)

3- گیربکس ها و موتورهای جت در طبیعت (تنظیم سرعت با گیربکس های طبیعی آنی در مگس ها، پیشرانش جت در ماهی مرکب ها با موتوری که کیسه ای منقبض شونده را برای خروج سریع آب استفاده می کند، پرتاب با انفجار سریع حباب آب در برخی باکتری ها، سیستم های تغییر عمق، تحمل فشار در صدف ناتیلوس و در دلفین ها و وال ها، وال کوویر طی 85 دقیقه تا عمق 1899 متری آب می رود و وال بلینویل تا عمق 1250 متری می رسد. سیل فیلی هم می تواند 2 ساعت در عمق 1524 متری آب بماند).

شکل 1: تصویر صدف ناتیلوس

4- استفاده از امواج و ارتعاشات (استفاده خفاش از امواجی صوتی که 3 برابر حساس تر از معادل ساخته شده توسط انسان است، ارسال 1200 فرکانس در ثانیه از بخش ملون در سر دلفین و تخمین سرعت، جابجایی، و ابعاد اشیا با پاسخ دریافتی، ارسال امواج الکتریکی در آب گل آلود و شناسایی مسیر در ماهی دماغ فیلی، تشکیل دو سوم بدن ماهی برقی از 5000 تا 6000 صفحات دیسکی شکل که جریان 550 ولت/2 آمپر ایجاد می کنند و هر خطری را تا 2 متری ماهی دور می کنند، قدرت محاسبه 400 میلیاردیم ثانیه ای از طریق ایجاد میدان الکتریکی توسط ماهی چاقوشیشه ای که از یک سوپر کامپیوتر بالاتر است).5- موجودات زنده و فنون پرواز ( استفاده از شکل و ساختار بال و منقار پرندگان برای اهداف مختلف هوانوردی، الهام از بال های دندانه دار جغد به عنوان ساکت ترین پرنده شب برای پهپادها، کشتی ها و ترن های سریع برای کاهش نویز، الهام از فلامینگو در هواپیمای کنکورد، منقار کینگ فیشر در ترن های سریع برای رفع مشکل هوای فشرده برای عبور ترن های فوق سریع از تونل ها و کاهش 15 درصدی برق مصرفی، ساخت نانوپرنده ها NAV و میکروپرنده ها MAV برای اهداف جاسوسی متاثر از مرغ مگس)

شکل 2 : دندانه دار بودن پرهای جغد که ساکت ترین پرواز را انجام می دهد.

شکل 3 : کینگفیشر

6- شیوه های یادگیری از حیوانات(شیارهای U شکل پوست کوسه در ابعاد فوق ریز که درگ که پارامتر مهمی در شنا است را کم می کند و با این تکنیک درگ در لباس های حرفه ای شنا 8 درصد کم شده است، سیستم تشخیص حرارتی در مارها که در سیستم های ضد موشکی مد نظر قرار گرفته است، تطبیق رنگ آفتاب پرست ها و ساخت لباس هایی که می توانند با انعکاس نور تغییر رنگ را انجام دهند؛ افزایش بازده ی جاذب های خورشیدی و پنل های خورشیدی در ایستگاه های فضایی با الهام از سطوح ضد انعکاس در چشم مگس ها و شب پره ها، جمع آوری آب در پشت سوسک ها، تولید نور با 100 درصد بازده ی نور در کرم شب تاب، رنگ های نانوساختار در پر طاووس که پروتئین کراتین با پیگمنت قهوه ای ملانین را در بر دارد).

شکل 4 : حیات علاوه بر پیگمنت های رنگی با ساختارهای نانومتری رنگ می سازد.

7- برتری اندام ها بر فناوری (قدرت بینایی با تمام قابلیت ها در فوکوس، ثبت و تشخیص در فضایی محدود، دستگاه قلب با میانگین 70 تا 80 سال عمر با نوسان 70 تا 80 تپش در دقیقه، سیستم ایمنی بدن در مقابله با ویروس ها، سیستم شنوایی مگس ارمیا اکراسیا که انقلابی در ادوات شنوایی ایجاد کرده است، قدرت جسمانی سوسک های کرگدنی آنقدر بالاست که با جثه کوچک خود تا 850 برابر وزنشان را بلند می کنند، قوی ترین مرد جهان حسین رضازاده است که در بهترین رکورد خود توانسته تا 2.5 برابر وزن خود را بلند کند، مورچه 10 تا 20 برابر وزن خود را برمی دارد، زنبور قادر به جابجایی 24 برابر وزن خود است، دارکوب ها به خاطر ضربه های پیاپی به تنه درخت معروف هستند. دارکوب حدود 20 بار در ثانیه و تا 12000 بار در روز به تنه درخت نوک می زند. نیروی ضربه ای چیزی حدود 1200 برابر وزن سر این پرنده است. استخوان اسفنجی جمجمه نازک دارکوب از آسیب به مغز پرنده جلوگیری می کند.8- بیومایمتیکز و معماری (ساختارهای صدف ها در طراحی شیروانی ها و سازه های موقت، سازه های نازک 3 میکرومتری 1000 قسمتی سنجاقک؛ گیاهان شناور روی آب که وزن بالایی را تحمل می کنند، استخوان ها، کپی از رادیولاریا و دیاتوم های دریایی در طراحی سازه ها گنبدی، طراحی ضد زلزله در کندوها، تقلید از معماری لانه عنکبوت در معماری استادیوم المپیک مونیخ، باغ وحش مونیخ، فرودگاه جده و استادیوم رقابت های ملی سیدنی)9- ربات ها و کپی برداری از چیزهای زنده (پاهای مارمولک ، مارها، سیستم تعادل در گوش، تحمل شرایط سخت بیابان ها در خرچنگ ها، استفاده از آنتن های بویایی در خرچنگ).10- فناوری در حیات ( حس نور در گیاهان، سیستم عایقی در اردک ها، موهای توخالی در خرس های قطبی برای هدایت نور به بدن، نوک شفاف برگ گل فنستراریا در صحرای آفریقای جنوبی که به خاطر از دست دادن رطوبت و ایمنی از حیوانات کاملاً درون خاک است و نور از نوک آن به گیاه می رسد؛ شیوه گرمارسانی به پاها در پرندگان قطبی، استفاده از سوییچ الکتریکی در گیاهان حشره خوار؛ الهام از رادولا در تیغه های حفاری. رادولا در زبان حلزون چیزی شبیه به دندان های تیز است و به حلزون کمک می کند تا در خاک و حتی سنگ ها نفوذ کرده و آنها را سوراخ کند، پوشش میلین روی عصب ها که هر جا حضور ندارد پیام آزاد می شود، راه های زیر زمینی که راسوها و موش های صحرایی می سازند و الهام برای ساخت مترو است، بازوهای 6 محوره رباتیکی با الگو از خرطوم فیل).