Kako biologija nadahnjuje razvoj tehnologije

Bioinženjeri s Instituta Wyss na Harvardu, izložili su u Cooper Hewitt-u svoje izume iz područja medicine, ekonomije i ekologije

Dojam je pomalo poput priče "Alisa u zemlji čudesa". Kiloboti, sićušni roboti s nožicama, okupljaju se i nekako organiziraju u određene konfiguracije poput mrava. Robobee, robot veličine pčele koji se napaja solarnim ćelijama, sprema se levitirati. Mogao bi se kao dron koristiti u razne svrhe, od spašavanja ljudi i imovine do oprašivanja cvijeća. Tu je i umjetni list koji iskorištava sunčevu svjetlost i u umjetnom procesu fotosinteze pohranjuje energiju.

Ovo su tek neki od fascinantnih, futurističkih i svrhovitih inženjerskih izuma koji su trenutno izloženi u suvremenom "kabinetu zanimljivosti" u Cooper Hewitt-u, Smithsonianovom muzeju dizajna u New Yorku. Galerija Nancy i Edwin Marks domaćin je (i sponzor) hvaljene muzejske serije pod nazivom "Selects". Događaj je osmišljen tako da, dvaput godišnje, umjetnik, glazbenik, dizajner ili izumitelj bude privremeni kustos određene izložbe s primjercima po njegovom ili njenom izboru, prikupljenim od 210.000 djela iz stalne muzejske zbirke. Među bivšim kustosima su bili TV voditeljica / producentica Ellen DeGeneres, modni dizajner Thom Browne i britanski arhitekt David Adjaye.

Domaćini 18. muzejske instalacije su prvi put bili znanstvenici. Matilda McQuaid, zamjenica ravnatelja muzeja, zamolila je Dona Ingbera, osnivača Wyssova instituta za biološkoinženjerstvo na Sveučilištu Harvard, da priredi izložbu koja pokazuje kako priroda nadahnjuje dizajn s primjerima iz muzejske zbirke.

Sa samo desetogodišnjom tradicijom postojanja, Wyssov institut već ima 375 stalnih znanstvenika i inženjera različitih struka koji zajednički surađuju, koristeći primjere iz biologije u stvaranju novih tehnologija u medicinske, komercijalne i ekološke svrhe.

Da uzmemo samo jedan primjer, navedeni fakultet izumio je nosivi robotski egzoskelet koji omogućuje pokrete kukovima i koljenima kako bi ljudi s ozljedama leđne moždine, čak i paraplegičari, mogli stajati, hodati i penjati se. Odijelom se upravlja pomoću daljinskog upravljača na zglobu.

Odijelo, napravljeno od meke tkanine funkcionira tako da daje impuls u točno određenom trenutku, i na taj način pomaže ljudima u hodanju, kod fizičkih radnika smanjuje umor i sprečava ozljede te pomaže pacijentima s moždanim udarom da nauče ponovno hodati. Uređaj je 2016. licencirala privatna tvrtka ReWalk Robotics koja je nedavno dobila odobrenje od FDA [Američka agencija za hranu i lijekove, vladina agencija pod Ministarstvom zdravstva odgovorna za zaštitu javnog zdravlja u SAD-u] za proizvodnju i promet u svrhu rehabilitacije pacijenata koji su pretrpjeli moždani udar ili im je dijagnosticirana skleroza.

"Pokušavamo naći stvarima napravljenima u laboratoriju primjenu u stvarnom svijetu", objašnjava Ingber. Institut, zajedno s dizajnerskim, medicinskim i inženjerskim školama na Harvardu, kao i sa Sveučilištima Tufts, MIT i ostalim sveučilištima, medicinskim fakultetima i bolnicama, čini jedan veliki istraživački konzorcij.

"Htjela sam konačno prirediti izložbu o znanosti i znala sam da je Don prava osoba za to", kaže McQuaid. "Poznajem ga godinama."

Pozvala ga je da jedan dan razgledaju ogromno skladište muzeja u New Jerseyu.

"Bilo je kao u filmu Indiane Jonesa "Otimači izgubljenog kovčega", prisjeća se Ingber. "Prostorija je bila puna bakelita, keramike, plakata, raznih tkanina, namještaja."

Da li ga je zadatak prestrašio?

"Ja sam istraživač i vizualni tip", kaže. “Već sam bio na web stranici muzeja i pogledao kataloge s prošlih izložbi. Znao sam što tražim."

Radeći s četvero članova Instituta - Jennifer Lewis, Joannom Aizenberg, Radhikom Nagpal i Pamelom Silver, Ingber je izabrao 60 predmeta koji su trebali pokazati kako priroda inspirira tehnologiju.

Neke stvari je izabrao iz emotivnih razloga.

Studirajući molekularnu biofiziku i biologiju na Sveučilištu Yale, Ingber je bio fasciniran umjetnošću. Napokon je počeo pohađati satove likovne kulture, gdje je vidio djelo nadahnuto kiparom Kennethom Snelsonom (1927.-2016.). Bila je to neobična struktura sastavljena od šest krutih drvenih stupova, izdignutih pod različitim kutovima tako da tvore trodimenzionalni oblik i, povezanih nizom elastičnih konopa. Snelson, čije su skulpture imale sličan dizajn, ali su bile izrađene od stupova i žica od nehrđajućeg čelika, studirao je s američkim arhitektom, futuristom i izumiteljem Buckminsterom Fullerom.

Snelson je shvatio da se, kao kod paukovih mreža, vlačne sile mogu iskoristiti za povećanje stabilnosti prirodnih struktura. Fuller je taj novi koncept nazvao "tensegrity", odnosno strukturni integritet.

Wyssovi bioinženjeri inoviraju na temelju bioloških oblika u prirodi, ali teže više od jednostavne mimikrije. Ovaj bioimplantabilni uređaj stvara niz ljudskih veza za pomoć u rekonstruktivnoj kirurgiji ramena, pružajući skele za rast novog tkiva. (Matt Flynn, Cooper Hewitt, Wyssov institut sa Sveučilišta Harvard)

Kako bi ilustrirao koncept tensegritya, izložba prikazuje faksimil prijave američkog patenta za geodetsku konstrukciju kupole koju je Fuller podnio vladi 1951. godine, kao i model Snelsonove skulpture od šipke i žice.

"Tensegrity mi je potpuno promijenio životni put", prisjeća se Ingber.

"Tensegrity također objašnjava kako stabiliziramo svoja tijela koja su sastavljena od višestrukih ukočenih kostiju koje nose kompresiju međusobno povezane zategnutim mišićima, tetivama i ligamentima."

Tensegrity je nadahnuo Ingberovo otkriće da isti temeljni princip upravlja načinom na koji se molekule, stanice, tkiva i organi okupljaju, stabiliziraju oblike i kontroliraju funkcije.

Kao što McQuaid objašnjava, Ingber je primijetio da žive stanice sadrže "citoskeletne nosače i napete kablove".

Drugi primjeri bio-inspiracije koji vizualiziraju kako su umjetnici i dizajneri kroz povijest koristili ovaj pristup su doslovniji. Vidimo kako se spirale u prirodi, poput onih u školjkama, odražavaju u spiralnim stubištima, Thonetovim savijenim drvenim stolicama, danskim porculanskim čajnim setovima ukrašenim školjkama i paru naušnica koje je dizajnirao Ted Muehling.

Složeniji primjer bioinspiracije prikazan je u videu o Kilobotima, malim robotima inspiriranim prirodom. Radhika Nagpal, zvijezda TED Talks-a, vodi istraživačku grupu za samoorganizirajuće sustave na institutu. Njezin tim razvio je računalne programe koji omogućuju Kilobotima da se raspodijele i ponovno reorganiziraju u nove formacije, oponašajući ponašanje mrava u prirodi.

“Kada promatram kako se stanice u krilu voćne mušice raspoređuju u složene uzorke, ili kada gledam jata riba kako se kreću u savršenoj sinkronizaciji kroz koraljne grebene, obuzima me osjećaj jedinstva – jedno tijelo sastavljeno od mnogih dijelova,” piše Nagpal u brošuri izložbe. “Samoorganizacija se pojavljuje na svim razinama prirode, u savršenoj harmoniji s materijalima i organizmima, pri čemu se sustavi sami stabiliziraju i popravljaju. Ta ideja ima dubok utjecaj na inženjere poput mene, kako u računalstvu, tako i u dizajnu fizičkih robota.”

Nagpal se nada da će jednog dana njezini programi omogućiti robotima da kolektivno surađuju – primjerice, da grade vreće s pijeskom i dostavljaju ih na mjesta pogođena poplavama, grade mostove ili rade u opasnim zonama u kojima ljudi ne mogu djelovati.

Neki od primjera prikazanih na izložbi osmišljeni su za rješavanje vrlo specifičnih problema, poput smanjenja emisije ugljičnog dioksida i proizvodnje kisika.

Profesorica Pamela Silver i njezin suradnik Dan Nocera razvijaju revolucionarni bionički list koji može izvoditi umjetnu fotosintezu. Ovaj list koristi solarnu ćeliju za razdvajanje molekula vode na vodik i kisik, dok genetski modificirane bakterije apsorbiraju vodik i ugljikov dioksid iz zraka. Kao i živi list biljke, bionički list proizvodi gorivo i oslobađa kisik. Schematski prikaz na papiru ilustrira kako bi taj inovativni list funkcionirao u stvarnom svijetu.

Još jedan inovativan primjer je Organ-on-a-Chip, uređaj koji su 2009. osmislili Ingber i njegov postdoktorski suradnik Dongeun Huh. Ovaj uređaj, veličine USB sticka, izrađen je od prozirnog silikonskog materijala s dva sitna šuplja kanala odvojena tankom poroznom membranom.

Jedan kanal ispunjen je ljudskim stanicama, primjerice stanicama pluća, dok je drugi ispunjen stanicama krvnih žila i otopinom koja sadrži bijele krvne stanice i protječe kroz njega. Tkiva u uređaju također se mogu natjerati da pulsiraju poput ljudskog pluća ili crijeva (kako bi replicirali funkciju živog ljudskog organa). Na ovaj mikrofluidni uređaj znanstvenici ubacuju lijekove, bakterije ili druge tvari kako bi testirali reakciju ljudskog organa.

Kada bude usavršen, ovaj čip mogao bi zamijeniti testiranje lijekova na životinjama i ljudima. Osim toga, mogao bi znatno smanjiti troškove i ubrzati proces razvoja novih lijekova.

Organ-on-a-Chip već je patentiran i sada se komercijalizira putem startupa Emulate, Inc.

Ovo je samo jedan od mnogih genijalnih primjera izuma inspiriranih prirodom koji su prikazani na izložbi. Izložba je iznimno složena, ali vrijedi vremena potrebnog da se u potpunosti istraži. Znanost iza ovih izuma doslovno oduzima dah.