مهندسی الگوبرداری از طبیعت

استفان گوندرسن، دانشمندی از مؤسسه‌ی پژوهشی دانشگاه دیتون، در پی آن بود که نشان دهد که چگونه حشره‌ی سیاه و بزرگی به نام سوسک سیاه می‌تواند از قندها و پروتئین‌ها برای ساخت قاب سیاه یا صدف بیرونی خود بهره بگیرد، که با وجود سبکی، پایدار و سخت بوده و در برابر آسیب‌دیدگی، مقاوم است.
کریستوفر وینی پژوهشگری از دانشگاه واشینگتن، بر روی عنکبوت‌ها کار کرد و دریافت که چگونه این حشرات می‌توانند مولکول‌های پروتئینی محلول در آب را به نخ‌های ابریشمی نامحلول که محکم‌تر از کیولار (ماده‌ای که در ساخت جلیقه‌های ضد گلوله از آن بهره‌گیری می‌شود) هستند، تبدیل نماید. ایهان آکاسی از دانشگاه پرینستون و مهمت ساریکایا از دانشگاه واشینگتن به دنبال آن بودند تا روشن کنند که چگونه صدف‌ها می‌توانند مواد گچی موجود در آب دریا را متبلور کرده و از آن در ساخت صدف بدن خود کمک بگیرند. این گوش ماهی‌ها دو برابر نسبت به بهترین نوع سرامیک‌های موجود استواری دارند.
در جای دیگر، دانشمندان در باره‌ی مواد طبیعی دیگری نیز کار کرده‌اند: دندان‌های موش که می‌تواند قوطی‌های فلزی را سوراخ کند، پوست گردو و نارگیل که در برابر شکستگی و تَرَک خوردگی ایستادگی می‌کنند، شاخ کرگدن با ویژگی بازسازی، و چسب‌های بسیار نیرومند که نرم‌تنان می‌سازند تا خود را به کف دریا بچسبانند، همگی نمونه‌هایی از این مواد طبیعی به شمار می‌روند. هدف پژوهشگران، بازگشایی یکی از رازهای سر به مهر آفرینش است: این که چگونه جان‌داران می‌توانند اجزاء ساختمانی ساده را به موادی تبدیل نمایند که نسبت به بهترین ترکیباتی که با استفاده از پیش‌رفته‌ترین شیوه‌ها و فنون ساخته می‌شوند، مزیت دارند.
این موضوعات، بخشی از گستره‌ی نوینی از پژوهش‌هایی است که دانش تقلید زیستی یا دانش تقلید از جان‌داران نام گرفته است (یعنی بررسی ساختمان و عمل مواد بدن جان‌داران به عنوان الگویی برای طراحی و ساخت مواد). دانش تقلید زیستی، توجه پژوهشگران رشته‌های گوناگون مانند علوم مواد، زیست‌شناسی مولکولی، مهندسی زیست شیمی، و حتی ریاضیات و فیزیک را به خود جلب کرده است و همه‌ی آن‌ها در دقت شگفت‌آور، شکوه، و هوشمندی دستگاه‌های زیست شناختی جان‌داران انگشت تحیر به دندان گرفته‌اند. این دانشمندان به درس‌های گذشته‌ی طبیعت رجوع کرده و از آن برای ساخت مواد در آینده الهام می‌گیرند.
قاب تنومند سوسک از داخل کردن فیبر در ماتریس پروتئین ساخته می‌شود.
میشل هارون، مدیر سابق برنامه‌ی زیست شناسی مولکولی از اداره‌ی پژوهش دریایی، بیان داشت: «طبیعت، دشواری‌های پیچیده‌ی بسیاری را در طی بیلیون‌ها سال پژوهش و پیش‌‌رفت و تکامل حل کرده است و به راه حل‌های شگفت‌آوری نیز رسیده است.» اداره‌ی مزبور تاکنون میلیادها تومان برای انجام این گونه پژوهش‌ها سرمایه‌گذاری کرده است. اکنون نظر بر این است که به دنبال ساختمان‌هایی بگردیم که طبیعت می‌خواسته است با آن‌ها مواد تازه‌ای را بسازد. اگر روش طبیعت را پی‌گیری کنیم، حتی به نتایجی می‌رسیم که بیش‌تر از ساخت مواد جدیدی باشد که خواص بهتری را دارا هستند. پژوهشگران معتقدند که این علم ما را به سوی ترکیباتی راهنمایی می‌کند که نه تنها از لحاظ فنی برترند بلکه به لحاظ زیست محیطی نیز بهترند. برای نمونه، الیاف مصنوعی مانند کیولار در ظروفی از اسید سولفوریک جوشان با فشار بالا، تهیه می‌شوند. هزینه‌ی تأمین انرژی این مرحله بسیار هنگفت است و موادی که در تهیه‌ی آن به کار می‌روند برای کار کردن خطرناک بوده و از آن گذشته نابود کردن آن‌ها نیز دشوار است. از سوی دیگر، الیاف عنکبوت از مواد خام بازیافته در طبیعت، با دما و فشار متعارف، تهیه شده و از آب به جای اسید سولفوریک به عنوان حلال استفاده می‌شود.

«همه‌ی انواع گرفتاری‌ها، در فرایند تولید مواد وجود دارد.» این گفته‌ی وینی، دانشمند مواد، بود. او ادامه داد «در طی کار با تار عنکبوت، برعکس کیولار، شما آلودگی محیط زیست ندارید و در هر وضعی می‌توانید این کار را انجام دهید. از آن گذشته، برخلاف کیولار، تار عنکبوت قابل تجزیه است و طبیعت آلوده نمی‌شود.»

با یادگیری درس‌هایی از فرایندهای زیست‌شناسی، احتمالات شگفت‌انگیز دیگری مطرح می‌شود. استفان گوندرسن گفت: «کم‌تر در طبیعت، کاری تنها برای یک منظور واحد انجام می‌گیرد. این کلید اصلی است.» او زمانی را به تصور می‌آورد که این امکان وجود داشته باشد تا موادی مصنوعی تولید شوند که به عنوان مثال، نه تنها تقلید خوبی از ویژگی‌های طبیعی قاب پشتک سوسک‌ها باشند، بلکه بتوانند پیرامون خود را حس کرده و با آن سازگاری پیدا کنند. او این پرسش را مطرح کرد: «درباره‌ی بال هواپیما، هنگامی که آسیب می‌بیند و می‌تواند خودش خود را بازسازی کند چه می‌توان گفت؟» «هم‌اکنون سبز شدنِ دوباره‌ی بال شکسته‌ی هواپیما، جایش در داستان‌های علمی تخیلی است، اما به این جا می‌خواهیم برسیم.»
دیگر پژوهشگران، در باره‌ی پل‌های معلقی که با طنابی از جنس ابریشم مصنوعی ساخته می‌شوند، یاخته‌های تغییر ژنتیک یافته‌ای که بافت‌های سخت تازه‌ای را می‌سازند و می‌توانند استخوان‌های شکسته را بازسازی کنند و جای دندان‌های افتاده را پر کنند، دستگاه‌های جذب دارو که می‌توانند تغییرات بدنی را حس نموده و اندازه‌ی دقیق دارو را در محل‌های مخصوص بدن آزاد نمایند، موتورهای کوچکی که انرژی خود را مانند بدن انسان از تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی مکانیکی به دست می‌آورند، و... سخن می‌گویند.
توضیح تصویر: با استفاده از آب به جای حلال، کارتُنک یا عنکبوت که به آن «بافنده‌ی زرین چشم» نیز گفته می‌شود مولکول‌های پروتئینی را به صورت نخ‌های ابریشمی می‌ریسد و مانند آن‌چه در عکس ریزنگار الکترونی دیده می‌شود در می‌آورد. تارهای عنکبوت، محکم‌تر از کیولار هستند که در جلیقه‌ی ضدگلوله به کار می‌رود.
پژوهشگران، پنج تا بیست سال پیش از این که موادی که با بهره‌گیری از دانش تقلید جان‌داران ساخته می‌شوند عمومیت پیدا کنند در باره‌ی انتظارات غیر معقول در این رابطه که دم به دم فزونی می‌یابد، هشدارهای لازم را داده‌اند.
دانشمندانی که در زمینه‌ی تقلید از جان‌داران کار می‌کنند، بیش‌تر پژوهش‌های بنیادی خود را بر روی حل قانون‌های نهفته‌ی حاکم بر تولید مواد بدن جان‌داران متمرکز نموده‌اند. اکنون، پژوهش‌های آن‌ها به شناخت‌های تازه‌ی مهمی منجر شده است. آن‌چه آن‌ها کشف کرده‌اند این است که چگونه آفرینش با تعداد کمی از مواد ساختمانی ساده (قندها، پروتئین‌ها، مواد معدنی، و آب)، و با اِعمال نظارت دقیق در هر مرحله، از آرایش اتم‌ها ومولکول‌ها گرفته تا تجمع مولکول‌ها در مواد حد واسط مانند الیاف و بلورها، به طراحی نهایی مواد ترکیبی چند منظوره‌ی بزرگ‌تر مانند چوب، استخوان، و پوسته‌ی سخت حشرات می‌رسد. ساختمان‌های طبیعی به دست آمده بسیار پیچیده و باشکوهند.
برخورد انسان در ساخت مواد مصنوعی کاملاً متفاوت است. در جایی که طبیعت با مواد ساده و طراحی پیچیده کار می‌کند، انسان با شمار فراوانی از مواد پیچیده و پیش‌رفته که با راه‌های ساده‌ای کنار هم جمع شده‌اند کار می‌کند. نظارت بسیار دقیق ساختمانی که به طور معمول در طبیعت وجود دارد، هنوز در توانایی فرایندهای مهندسی انسانی نیست. برای نمونه می‌توان از پشم شیشه یاد کرد. استفان واین رایت، زیست‌شناس مکانیکی در دانشگاه دوک که از پیش‌گامان تقلید از جان‌داران است اظهار داشت: «در معیار انسانی، این ماده پیچیده است، ولی در طبیعت ماده‌ای زیستی به این سادگی وجود ندارد.» در طبیعت، جان‌داری مانند صدف می‌تواند مواد ساده‌ای مانند گچ را که به طور طبیعی ماده‌ی ساختمانی مهمی نیست، تبدیل به صدفِ جالب توجه و استوار خود بکند.
مهمت ساریکایا، گوش ماهی‌ای را که در پژوهش‌هایش از آن الهام گرفته بود، از مهمان‌سرایی کنار جاده‌ای در غرب ایالت واشینگتن در مدت تعطیلات آخر هفته خریده بود. صدفِ کهنه و توخالی (بدون هسته) به نظر نمی‌رسید الگوی خوبی برای موادی در آینده باشد. اما زمانی که گروهی از پژوهشگران در دانشگاه واشینگتن، صدف را زیر میکروسکوپ الکترونی بررسی کردند، دریافتند که صدف دارای ساختمان بسیار منظمی از آجر ساروج است. لایه‌های بسیار نازک کربنات کلسیم (گچ)، لایه به لایه یک‌دیگر را در شبکه‌ی پروتئینی آلی به ضخامت ده میلیونم متر در بر گرفته‌ بودند.
ساختمان ریز کربنات کلسیم مجموعه‌ای از خواص باورنکردنی را به صدف گوش ماهی می‌بخشد: این صدف از بیش‌ترِ سرامیک‌های صنعتی پیش‌رفته محکم‌تر است، و مانند سرامیک که استحکام آن ناشی از پیوندهای شیمیایی نیرومندی است شکننده نیست. با به کار بردن نیروی کافی، می‌توان این پیوندها را از هم باز کرد و سرامیک را شکست. بر عکس، لایه‌های پوسته‌ای گوش ماهی، در برابر چنین شکستگی‌هایی مقاومت دارند. ساریکایا گفت: «شما نمی‌توانید شکنندگی چشم‌گیری در صدف گوش ماهی ایجاد کنید زیرا لایه‌ها بر روی یک‌دیگر و در شبکه‌ای آلی جای گرفته‌اند. آن‌چه می‌توان گفت آن است که صدف گوش ماهی، تغییر شکل داده و رفتاری مانند فلز را از خود نشان می‌دهد.» ساریکایا معتقد بود که اگر او و همکارانش بتوانند مواد جدیدی را با بهره‌گیری از اصولی که از صدف گوش ماهی به دست آورده‌اند طراحی نمایند، خواهند توانست تحولی در ساخت سرامیک‌های جدید به وجود آورند. او بیان داشت: «ساختمان منظم صدف گوش ماهی، بیست برابر بیش‌تر از کربنات کلسیم استواری دارد. چگونه امکان دارد استواری مواد سرامیکی کنونی را حتی پنج برابر افزایش داد؟ این افزایشی باور نکردنی در استواری و استحکام است و ما می‌توانیم موادی در اختیار داشته باشیم که نسبت به آن‌چه تاکنون داشته‌ایم بسیار مقاوم‌تر باشند.»
گروه پژوهشی ساریکایا، مواد جدیدی را که در آن کربید بورون (کربیدبر) یک سرامیک با آلومینیم به کار رفته بود ساختند. به نظر می‌رسد آلومینیم مانند شبکه‌ی پروتئینی آلی موجود در صدف گوش ماهی کار می‌کند. ارتش امریکا این ماده را در ساخت تانک‌های زرهی آزمایش می‌نمود.
لایه‌های درونی و استوار صدف گوش ماهی، از آجرهای بسیار خرد کربنات کلسیم که در ساروجی از ماده‌ی آلی جای گرفته‌اند تشکیل شده است. این آرایش از ایجاد ترک در صدف جلوگیری کرده و شکنندگی آن را نسبت به سرامیک‌های صنعتی بسیار کم‌تر می‌کند.
هنگامی که ساریکایا در باره‌ی صدف گوش ماهی‌ها برای ساخت مواد سرامیکی نوین با کیفیت بالا کار می‌کرد، بررسی‌های استفان گوندرسن که روی ساختمان قاب سوسک‌ها انجام می‌پذیرفت ممکن است بتواند تغییراتی در ساخت صنایع فضایی بدهد. زمانی که همکاران گوندرسن در مؤسسه‌ی پژوهش دانشگاه دیتون شنیدند که او روی ساختمان پوسته‌ی بیرونی سوسک‌ها به عنوان بخشی از پژوهش ساخت مواد جدید با توانایی کاربرد در صنایع فضایی کار می‌کند، به جمع‌آوری سوسک‌ها و ساس‌ها برای او پرداختند. او گفت: «میز من پر از حشره شده است.» مردم یادداشت‌هایی که چنین مضامینی داشت را برای او می‌فرستادند: «یکی از این سوسک‌ها به شیشه‌ی جلو ماشین خورد و از بین نرفت.» یکی از حشره‌هایی که وی درباره‌ی آن‌ها بررسی کرد سوسک سیاه بود.
زمانی که قاب پشتک سوسک را زیر میکروسکوپ الکترونی بررسی کرد شباهت بسیاری با موادی که در صنایع جدید نظامی به کار گرفته می‌شوند داشت. گوندرسن گفت: «ما از شباهت موجود میان این ساختمان میکروسکوپی و برخی ترکیبات پیش‌رفته که روی آن‌ها کار می‌کنیم بسیار شگفت زده شدیم.» هر دو از لایه‌های الیاف که در چسب غوطه‌ور شده‌اند تشکیل یافته‌اند. (در سوسک‌ها، قند در پروتئین غوطه‌ور شده، و در مواد صنعتی، گرافیت در چسب پلاستیکی غوطه‌ور گشته است.) لایه‌ها محکم به هم چسبیده‌اند تا استحکام و سختی پیدا نمایند.
در ترکیبات مصنوعی، لایه لایه‌ها نسبتاً ساده بوده و طرحی متقارن دارند. گوندرسن دریافت که لایه‌بندی در پوسته‌ی سوسک‌ها نامتقارن بوده اما بسیار سازمان یافته و بسامان است. لایه‌ها یک در میان دقیقاً طوری دوران کرده‌اند که پوسته از یک جفت مارپیچ در هم رفته تشکیل شده است، چیزی که گوندرسن به آن «الگوی حلزونی دوگانه» نام داده است.
در گذشته، مهندسانی که با ترکیبات گوناگون کار می‌کردند این تصور را داشتند که ساختمانی که از لایه‌بندی نامتقارن تشکیل شده باشد تغییر شکل پیدا می‌کند. اما نمودار ساخته شده از ترکیب چسب گرافیتی بر طبق اصول الهام گرفته از طراحی پوسته‌ی سوسک‌ها، تغییر شکل نمی‌دهد.
گوندرسن گفت: «این بیش‌تر از آن که نامتقارن باشد متقارن است.» مواد حاصله دارای خاصیت تحمل بار بهتری بوده و مقاومت برخورد زیادتری نسبت به موادی که با روش‌های مرسوم متقارن ساخته می‌شوند از خود نشان می‌دهند.
اما نباید انتظار داشت که به زودی بتوانیم با هواپیمایی که از مواد ترکیبیِ الهام یافته از طراحی حلزون دوگانه‌ی دو سوسک ساخته شده است پرواز کنیم! با وجود آن که هم‌چون کاری که گوندرسن کرد، برخی از دانشمندان در حال بازگشایی رمزهای آفرینش هستند، هنوز راه درازی برای گسترش روش‌هایی که به صنایع، توانایی تولید انبوه چنین موادی را بدهد وجود دارد. گوندرسن گفت: «ما هنوز در پله‌های پایین در پژوهش‌های بنیادی در این رابطه هستیم و از جایی که در آن ایستاده‌ایم تا بهره‌گیری حقیقی در ساخت هواپیما، سال‌ها وقت لازم است.» گرچه استفاده‌ی وسیع از مواد تقلید شده از طبیعت، به آینده موکول می‌شود، ولی پژوهش در این باره، تا به حال به کشف تعدادی از مواد منجر شده است که قابل طرح در اداره‌ی ثبت اختراعات هستند.
توضیح تصویر: لایه‌ی درونی و استوار صدف گوش ماهی، از آجرهای بسیار خُرد کربنات کلسیم که در ساروجی از ماده‌ی آلی جای گرفته‌اند تشکیل شده است. این آرایش از ایجاد ترک در صدف جلوگیری کرده و شکنندگی آن را نسبت به سرامیک‌های صنعتی بسیار کم‌تر می‌کند.
زیست فیزیک‌دانی به نام دان اوری از دانشگاه آلاباما، روی «الاستین» پروتئین موجود در پوست و دیگر بافت‌های کشسان بدن کار می‌کرد. او الاستینی مصنوعی ساخت و در موش‌ها آن را آزمایش کرد و ثابت نمود که در پیش‌گیری از چسبندگی پس از عمل جراحی بسیار سودمند است. پژوهشگران دانشگاه یوتا، از این برگه‌های الاستین برای پیچیدن به دور قلب مصنوعی که خود ساخته‌اند بهره می‌گیرند.
با اندکی تغییر در همان الاستین، اوری موادی ساخت که می‌تواند جای‌گزین بافت‌های آسیب دیده شود. او توضیح داد: «اگر شما موادی در اختیار داشته باشید که مانند بافت‌های طبیعی بدن کشسان باشند، می‌توانید داربست دائمی مصنوعی بسازید.» یاخته‌ها به این داربست جذب شده و رشد می‌کنند و محل آسیب دیده بار دیگر بازسازی می‌شود. چنین موادی می‌توانند در ساخت سرخ‌رگ‌های مصنوعی نیز به کار گرفته شوند. معلوم شده است که این مواد خاصیت جذب بسیاری را دارا هستند. همه می‌گویند الاستین مصنوعی که گروه پژوهشی اوری ساخته است حداقل در بیست مورد به ثبت اختراع انجامیده است.
باید دید که آیا پژوهش های اوری می‌تواند آغاز عصر نوینی در بهره‌گیری از مواد الهام گرفته از طبیعت باشد، و آیا این مواد می‌توانند به تدریج جای‌گزین پلاستیک‌های نفتی و یا الیافی که نشانه‌ای از فن و صنعت مدرن هستند بشوند. و هنوز بسیار زود است که پیش‌بینی گنیم که آیا نسل بشر که دوره‌ی پارینه سنگی، دوره‌ی مفرغ و دوره‌ی آهن را پشت سر گذاشته است در حال گذر از عصر نفت به عصر تقلید زیستی است یا خیر!
با این وضع روشن است که پیش‌رفت‌های اخیر در زمینه‌ی فن و صنعت، از میکروسکوپ الکترونی گرفته تا مهندسی ژنتیک، به گروهی از دانشمندان ماجراجو این امکان را می‌دهد که در کارهای درونی طبیعت نیز نفوذ کنند. اگر آن‌ها بتوانند برخی از رازهای بنیادی را که بر این فرایندها حاکم است بگشایند، انقلاب علمی به زودی رخ خواهد داد.