Mariene biomimetica

Weet je wat de inspiratie was voor de uitvinding van flexibele micro-elektroden of ultrabestendige lijmen voor de industrie? Observatie van zeeleven!

Biomimetica in het mariene milieu

“De term ‘biomimetica’ (ook bekend als biomimicry), werd uitgevonden door ingenieur, uitvinder en wetenschapper Otto Schmitt in de jaren 1960. Dit nieuwe woord werd in 2014 opgenomen in het Franse  Larousse-woordenboek met de volgende definitie: biomimetica is de technologische toepassing van eigenschappen die in de natuur worden waargenomen.”

Om het duidelijk te maken

S'inspirer du biomimétisme dans le tourisme

Wat is biomimetica?

Biomimetica verwijst naar een innovatieproces waarbij men zich laat inspireren door planten en dieren om te profiteren van oplossingen en uitvindingen die de natuur heeft ontwikkeld.

Deze discipline bestaat uit het observeren en reproduceren van de essentiële eigenschappen van een of meer biologische systemen, om vormen, materialen en processen te ontwerpen die zowel innovatief als duurzaam zijn.

Deze innovaties maken het mogelijk om het dagelijks leven van mensen te verbeteren door zich te laten inspireren door de specifieke kenmerken van levende organismen.

“We noemen dit ook bio-inspiratie.”

Waar komt biomimetica vandaan?

De mensheid heeft zich altijd al geïnteresseerd in de natuur om haar levensomstandigheden te verbeteren en oplossingen te vinden voor problemen. Zelfs onze oudste activiteiten, zoals vissen of jagen, werden geïnspireerd door gedrag dat we konden waarnemen bij dieren.

Al in de oudheid begonnen mensen theorieën te ontwikkelen om onderzoek en wetenschap vooruit te helpen. Ze baseerden zich hierbij op waarnemingen in de natuur. Na een proces van reflectie en analyse leidden deze observaties tot conclusies en konden wetenschappelijke theorieën worden opgesteld die bijdroegen aan de vooruitgang van de wetenschap.

“Zelfs Leonardo da Vinci werd geïnspireerd door de natuur. Dankzij de vogels en vleermuizen kon hij zich innovatieve machines voorstellen waarmee mensen iets zouden kunnen wat ze van nature niet konden: vliegen!”

In de jaren 1960 maakten wetenschappelijke en technische vooruitgang de weg vrij voor biomimetica. De observatie van fauna en flora ontwikkelt de belangstelling van mensen om natuurlijke principes toe te passen op menselijke uitvindingen. Onder andere de farmacologie en geneeskunde werden hierdoor beïnvloed. De mens gebruikt de capaciteiten van levende organismen om biologische moleculen te maken die niet synthetisch kunnen worden geproduceerd: er ontstaat een link tussen de natuur en de wereld van de technologie.

In 1997 stelde de Amerikaanse wetenschapper Janine Benyus voor om de genialiteit van de natuur te observeren en deze vervolgens na te bootsen bij het ontwerpen van objecten en systemen. Planten, dieren, micro-organismen, algen, ecosystemen: het zijn allemaal bronnen van kennis en antwoorden op menselijke uitdagingen.

“Volgens Janine Benyus heeft de natuur “een voorsprong op ons van 3,8 miljard jaar als het gaat om onderzoek en ontwikkeling”. Het draait hierbij niet langer om uitbuiting van de natuur, maar wel om een nabootsing ervan. De exploitatie van de natuur zal onvermijdelijk leiden tot het verdwijnen van soorten. Daarom moeten we kiezen voor een duurzaam beheer van de hulpbronnen, en dat wordt mogelijk door middel van biomimetica.”

Biomimetica zou het dan mogelijk maken om een duurzaam evenwicht tussen mens en aarde te bereiken, met als doel om “afval en vervuiling te elimineren”.

Waarom zijn we geïnteresseerd in mariene biomimetica?

200 jaar geleden creëerde de mensheid een samenleving gebaseerd op industriële vooruitgang. Sindsdien werden buitengewone vorderingen gemaakt. Het economische systeem waarin we vandaag leven, loopt echter tegen zijn grenzen aan. Aan het begin van de 21e eeuw wordt de mens zich steeds meer bewust van de kwetsbaarheid van de planeet en de limieten van de hulpbronnen.

Nieuwe ontdekkingen blijven aantonen hoe geniaal de natuur is en welke eindeloze mogelijkheden ze biedt.

De uitdagingen van mariene biomimetica

Milieu

Oceanen bedekken driekwart van het aardoppervlak, bevatten 97% van de waterreserves van de planeet en in volume vertegenwoordigen ze 99% van de levensruimte. Meer dan 50% van de wereldbevolking woont aan kusten, een cijfer dat in 2025 zal zijn gestegen tot 75%.

De hulpbronnen van de oceanen, en van de planeet in het algemeen, zijn echter beperkt. De NGO Global Footprint Network berekent elk jaar wanneer het ‘jaarlijkse ecologische budget’ van de planeet wordt overschreden.

Vanaf de aangegeven datum draagt onze consumptie gedurende de rest van het jaar bij tot een groeiend ecologisch tekort waarbij we de voorraden van natuurlijke hulpbronnen uitputten en de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer toeneemt. In 2015 werd de drempel bereikt op 13 augustus en in 2016 op 8 augustus. In 2017 werd de drempel op 2 augustus bereikt. In 2018 zou de wereld op 5 mei de drempel hebben overschreden als iedereen zou leven zoals de bevolking van Frankrijk.

Een Frans overheidsonderzoek naar de “bijdrage van biomimetica aan de transitie” rapporteert:  “De fysieke en biologische limieten van de planeet vereisen daarom dat de mechanismen van de levende wereld opnieuw worden bekeken, niet alleen op het niveau van soorten maar ook op het niveau van ecosystemen, om innovatieve antwoorden te vinden die deze limieten respecteren, op het gebied van producten, processen en organisaties. Biomimetica is dus, volgens een rapport van de Franse Senaat uit 2007 “een van de instrumenten van de vierde industriële revolutie”.

Economie

De schaarste aan natuurlijke hulpbronnen heeft een directe impact op het huidige economische systeem. De natuur biedt echter veel inspiratie door haar efficiënte beheer van hulpbronnen.

Om de beroemde woorden van de Franse scheikundige Lavoisier te gebruiken “niets gaat verloren, niets wordt gecreëerd, alles wordt getransformeerd”; in een natuurlijk ecosysteem bestaat ‘afval’ niet. Alles wordt voortdurend gebruikt en gerecycleerd.

Het waren met name Ellen MacArthur en Gunther Pauli die belangstelling deden ontstaan voor het idee om deze manier van functioneren ook toe te passen op onze eigen activiteiten. Het gaat daarbij om het idee van een circulaire economie.

Het concept van de blauwe economie komt voort uit het initiatief ‘Rio+20 voor een groene economie’. Het baseert zich op de principes van menselijk welzijn, sociale rechtvaardigheid, de vermindering van milieurisico's en de efficiëntie van mariene hulpbronnen. Het wijst ook op het belang van kennis over dit milieu.

Blue Society

Er bestaat een project dat de oceaan centraal stelt in ons leven en dat wil bijdragen aan een duurzame ontwikkeling en menselijk welzijn: de Blue Society.

“Het nodigt ons uit om de zee te beschermen, om ons bewust te worden van het oneindige scala aan oplossingen die de zee kan bieden, en om deze vervolgens toe te passen om er gezamenlijk ons voordeel mee te doen.” Het concept van biomimetica is dus belangrijk voor de Blue Society en biedt een antwoord op de hieraan verbonden uitdagingen.

De toepassingen

De imitaties en inspiraties uit de natuur kunnen worden toegepast op zowel de vormgeving, processen, eigenschappen als ecosystemen.

Dit zijn enkele voorbeelden op uiteenlopende gebieden zoals het dagelijks leven, gezondheid, energie, transport, enz.

Praktijktoepassingen

De hier gegeven voorbeelden van toepassingen zijn reëel. Er bestaan al prototypes die worden gebruikt of ze werden zelfs al op de markt gebracht.

In de geneeskunde

  • De zeekomkommer: Hun vermogen om hun huid zachter of strakker te maken, afhankelijk van de omgeving, leidde tot de ontwikkeling van flexibele micro-elektroden die in de hersenen kunnen worden geïmplanteerd in het kader van een behandeling. Door deze toepassing zou het mogelijk kunnen zijn om de ziekte van Alzheimer te behandelen.
  • De octopus: Ingenieurs lieten zich inspireren door de eigenschappen van de octopustentakel om een prototype van een robotarm te ontwikkelen. Deze medische robot wordt gebruikt tijdens operaties en kan worden gevouwen, samengedrukt en verstijven, zodat chirurgen moeilijk bereikbare delen van het menselijk lichaam kunnen bereiken zonder organen te beschadigen.
  • De kwal: De ‘groene markeerder’ die in de geneeskunde en scheikunde wordt gebruikt, is een kopie van een chemische component van de kwal Aequorea victoria. Het signaleert de processen die plaatsvinden in een cel, wat heeft geleid tot tal van ontdekkingen in de genetica.
  • De Sint-Jacobsschelp: Door na te bootsen hoe Sint-Jacobsschelpen zich voortbewegen, hebben onderzoekers een microrobot zonder motor of batterij ontwikkeld waarmee medische apparaten in het lichaam kunnen worden aangebracht. Deze kan zelfs door de bloedbaan reizen.

In het dagelijks leven

  • De koffervis: Zijn doosvormige vorm en hydrodynamica inspireerden het ontwerp van de Bionic-Car van Mercedes-Benz, een voertuig met een lichtgewicht structuur en verbluffende aerodynamica.
  • De garnaal: De eigenschappen en componenten van garnalenschelpen inspireerden het ontwerp van shrilk, een goedkoop en biologisch afbreekbaar plastic. Chitine, een element in de schild van garnalen, wordt in verschillende domeinen gebruikt, zoals in de geneeskunde, cosmetica, chirurgie en het filteren van afvalwater.
  • De zeespons: Wetenschappers hebben ontdekt dat sommige zeesponzen structurele eigenschappen hebben die zorgen voor hun mechanische stijfheid en stabiliteit, ondanks hun fragiele interne componenten. Dit maakte het mogelijk voor architecten om gebouwen te ontwerpen met originele vormen en innovatieve materialen waarvan oorspronkelijk werd gedacht dat ze niet stevig genoeg waren.
  • De kreeft: Het schild van kreeften, dat bestaat uit afwisselende lagen van hard en zacht chitine, inspireerde ontwerpster Franci Lodato bij het maken van hoezen voor mobiele telefoons.

Andere toepassingen

  • De mossel: Geïnspireerd door hun vermogen om zich aan stenen of scheepsrompen in zout water te hechten, konden wetenschappers waterbestendige kleefstoffen ontwikkelen.
  • De zee-egel: De mond en tanden van de zee-egel werden gebruikt als model voor een pincet waarmee monsters konden worden genomen van sedimenten op andere planeten zoals Mars.
  • De moeraal: Heb je de golvende beweging van de moeralen opgemerkt? De getijdenturbine van Eel Energy (‘eel’ betekent aal in het Engels) werd gemodelleerd naar de golvende beweging van waterdieren. Deze levert hernieuwbare energie en wordt sinds 2016 industrieel uitgebaat.
  • De haai: Het Amerikaanse bedrijf Sharklet ontwikkelde een antibacteriële maar niet-toxische coating die een nabootsing is van de huid van haaien.
  • De kelp: De Biowave-getijdenturbine bootst de kelp na, zowel in de manier waarop de bladeren golven als in de manier waarop de turbine zich aan de bodem ankert.
  • De inktvis: De onderwaterrobot van Sepios is geïnspireerd op inktvissen. Met zijn vier vinnen en zijn mechanische zwemblaas heeft de robot een perfect drijfvermogen.

Toepassingen die worden bestudeerd

De veelbelovende toepassingen van de hier gegeven voorbeelden worden momenteel onderzocht.

In de geneeskunde

  • Het zeepaardje: De articulatie en flexibiliteit van de grijpstaart van zeepaardjes vormen de inspiratie voor het ontwerpen van nieuwe robots, vooral op medisch gebied, of defensiesystemen.
  • De zeester: Een enzym dat in menselijke cellen wordt aangetroffen, komt in overvloed voor in de eieren van de stekelige zeester Marthasterias glacialis. Afhankelijk van zijn toestand maakt dit enzym celdeling mogelijk of onmogelijk. Wetenschappers van de Cancer Research Campaign aan de University of Newcastle werken met name aan een op de biologie geïnspireerde toepassing om de ontwikkeling van kankercellen te voorkomen.
  • De octopus: Experimenten hebben geleid tot de ontwikkeling van een synthetische stof die is geïnspireerd op de huid van octopussen. Net als deze koppotige kan ook de stof van textuur en kleur veranderen om onzichtbaar te worden in de omgeving. Deze stof kan de camouflagetechnieken van het leger verbeteren. Zo zouden we dus een echte onzichtbaarheidsmantel kunnen maken, net zoals die van Harry Potter!

Andere toepassingen

  • De pinguïn: Als de pinguïn een voertuig was, zou hij 1500 km kunnen afleggen op één liter brandstof! Hun aerodynamica en coördinatie van bewegingen inspireerden de Duitse onderzoeker Rudolf Brannasch tot het maken van prototypes van boten en onderzeeërs.
  • Slak: De tanden van de slak zijn erg goed bestand tegen tractie dankzij hun specifieke composietstructuur. Deze eigenschappen, die nauwkeurig zijn bestudeerd, bieden nieuwe perspectieven voor een door de biologie geïnspireerd ontwerp van scheepsrompen of vliegtuigrompen die zowel sterker als lichter zijn.
  • Koraal: Een nieuw materiaal dat koraal nabootst, zou kunnen helpen om giftige zware metalen zoals kwik uit de oceaan te verwijderen.
  • De pijlstaartrog: De manier waarop pijlstaartroggen bewegen zou de inspiratie kunnen vormen voor een nieuwe generatie onderzeeërs.
  • De arapaïma: De schubben van deze vis worden bestudeerd om kogelwerende vesten te maken.

Meer informatie en bronvermeldingen

Artikelen en rapporten

Patricia Ricard Le biomimétisme: s’inspirer de la nature pour innover durablement.

Journal Officiel de la République Française, Mandaat 2010-2015 — Bijeenkomst van 9 september 2015, 15 september 2015

Hermine DURAND - Onder leiding van: Catherine LARRIEU, hoofd van de delegatie voor duurzame ontwikkeling (CGDD/DDD) en Claire HUBERT, hoofd van de onderzoeksafdeling (CGDD/DRI/SR). Étude sur la contribution du biomimétisme à la transition vers biomimétisme à la transition vers une économie verte en France une économie verte en France: état des lieux, potentiel, leviers. Commissariat Général au Développement Durable. Etudes et Documents, nr. 72, oktober 2012

CRDD. Le biomimétisme. Ministère de l’Ecologie, du Développement durable, des Transports et du Logement – CGDD, februari 2012

In het Engels: Julian F.V VINCENT, Olga A BOGATYREVA, Nikolaj R BOGATYREV, Adrian BOWYER, Anja-Karina PAHL. Biomimetics: its practice and theory. Journal of the Royal Society Interface, 22 augustus 2006



Boeken

Mat FOURNIER. Quand la nature inspire la science. (Planète Bleue-prijs 2012- Categorie Mooie boeken). Uitgeverij Plume de carotte, 2011

Agnès GUILLOT en Jean-Arcady MEYER. Poulpe fiction. Quand l’animal inspire l’innovation. Uitgeverij DUNOD, 2014

Anne JANKELIOWITCH en Jean GARRIGUE. Toutes les idées géniales qu’on a piquées à la nature. Uitgeverij DELACHAUX & NIESTLE, 2013 (nominatie Prix Planète Bleue 2014)

Jeanine BENYUS. Biomimétisme. Quand la nature inspire des innovations durables. Uitgeverij Rue de l’échiquier, 2011

Gauthier CHAPELLE. Le vivant comme modèle. Uitgeverij Albin MICHEL, 2015

FOTOCREDITS

Infographics over biomimetiek: © Coralie DUPERRIN

Andere artikelen

Bioluminescentie

Afgrond 5mn

Een klein lichtje in de afgrond omgeven door duisternis. Waa...

morse en arctique

Welke dieren leven er in het noordpoolge...

Biodiversiteit 5mn

Rond de noordpoolcirkel vormt de koude geen belemmering voor...

Manchot empereur, quels animaux en Antarctique ?

Welke dieren leven er op Antarctica?

Biodiversiteit 6mn

Je kunt je afvragen wie er op Antarctica kan leven, in deze ...

De stijging van de zeespiegel in Frankri...

De Oceaan en het Klimaat 5mn

De oceaan warmt op, van de zeebodem tot aan het oppervlak. H...