En introduktion till bioinspirerad design
Många vardagsföremål är inspirerade av naturen, men kommer framtidens
linsvårdsprodukter att inspireras av ögat? Dr Peter Vukusic och professor
Joe Barr tittar närmare på några vanliga exempel på bioinspirerad design
och på hur denna princip kan tillämpas på kontaktlinser
I den biologiska världen finns många exempel på funktionell och anpassad
design som ger djur och växter en fördel i deras interaktion med varandra och
med omgivningen.
Forskare söker ofta inspiration i naturen där det kan finnas lösningar på tekniska, biomedicinska eller industriella utmaningar. Bioinspirerad design, ibland
kallad biomimetisk design1 , har många tillämpningar i vardagen. En uppfinning
som ofta får tjäna som exempel är kardborrband (bild 1).
Figur 1: Krokarna och öglestrukturen är den självhäftande ytan på kardborreband, används ofta
som ett exempel på bio-inspirerad design
Upptäckten av mekanismen bakom kardborrbandet gjordes 1941 av en schweizisk ingenjör, George de Mestral. När han återvände efter en vandring i Alperna
med sin hund såg han att det hade fastnat kardborrefrö i hundens päls. En
närmare titt visade att fröna hade mängder med små krokar längst ut på de
skyddande holkfjällen. Krokarna hade fastnat i öglorna som hundens pälshår
bildade.
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
de Mestral insåg möjligheten att hålla samman två syntetiska ytor genom att
tillverka ett motsvarande konstgjort system som bestod av krokar och öglor
som kunde fästas i ytorna. Hans uppfinning patenterades och kommersiell tillverkning inleddes. Sedan dess har kardborrbandet fyllt en lång rad funktioner
i olika tillämpningar för hemmabruk, inom vetenskapen, industrin och i militära
sammanhang.
Analogier i djurvärlden
På senare tid har biologi- och naturstudier avslöjat att det finns potential för
många andra bioinspirerade produkter. En av dessa är geckotejpen, en tejp som
baseras på samma princip som gör att geckoödlornas fötter får så bra fäste på
släta ytor (bild 2).
Geckoödlorna är kända för sin fenomenala klätterförmåga som gör att de snabbt
kan springa över de flesta ytor, även vertikalt, och att de har ett fotfäste som
släpper på millisekunder.
Geckoödlans förmåga att hålla sig kvar beror på mikroskopiska hårliknande fibrer som täcker fötternas undersida. Fibrerna, s.k. setae (visas i bakgrunden i bild
2), består av styvt fjäderliknande hydrofobiskt keratin som är självrengörande.
De gör att fötterna snabbt kan fästa på och släppa underlaget med bibehållen
kapacitet under lång tid, även i omväxlande rena och smutsiga miljöer.
Figur 2: Ödlan G gecko med en fot fäst till en glasplatta (förgrund) och fiberstrukturen på fäst­
organen (bakgrund). (Bilden med vänligt tillstånd från Stanislav Gorb. Copyright (2005) National
Academy of Sciences, USA).
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
Syntetiska ytor som designas för att fungera på detta sätt är fortfarande på ett
tidigt utvecklingsstadium. Inom vissa områden kommer geckotejpen att kunna
erbjuda mycket effektivare och mer lämpliga fästegenskaper än vanliga viskoelastiska polymerbaserade tejper.
Att plantera ett frö
Även om det i djurens värld finns stor potential för bioinspirerade lösningar inom
teknik, industri och biomedicin, är även växter en värdefull källa. Ett exempel är
lotusplantans blad som uppvisar ”superhydrofobicitet”, även kallat lotuseffekten,
på grund av växtens mycket vattenavvisande blad (bild 3a).
Figur 3a: Vatten rinner ner från ytan av Lotusbladet (Nelumbo nucifera) på grund av dess superhydrofobicitet. När de små vattendropparna rullar över denna yta, samlar de upp smutspartiklar
och baketerier från ytan, och lämnar ytan renare (Bild med vänligt tillstånd från Ralf Pfeifer).
Lotusbladen har mikrosmå utbuktningar och hårliknande strukturer i nanostorlek
kombinerat med en vaxartad yta. När en regndroppe faller på bladet bildas en
mycket hög kontaktvinkel med ytan som gör att droppen antar en rund form som
en pärla (bild 3b).
Mindre än fem procent av droppens yta står i kontakt med bladet och rullar över
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
ytan när bladet lutas, med hjälp av ytstrukturen och luft under droppen. Resultatet blir att smuts och bakterier fastnar på droppen och avlägsnas från bladet2.
Bland de tillämpningar som inspirerats av denna funktion finns sprejfärger som
gör ytterväggar vattenavvisande och självrengörande, och utvändiga glasrutor
där strukturen ger en självrengörande effekt.
Figur 3b: Vattendroppar på en träyta som har behandlats med BASF’s Lotus Spray vilket har
gjort ytan extremt vattenavstötande (superhydrofobisk) (Bild med vänligt tillstånd från BASF).
Ljus och färg
Att designa och utveckla bioinspirerade tillämpningar för optiska funktioner har
vunnit mark under det senaste årtiondet. I många biologiska system har det
utvecklats speciella sätt att styra spridningen av ljus och färg.
Vetenskapen fotonik grundas på principerna om att elektromagnetisk strålning
effektivt kan styras när den interagerar med periodiska variationer i refraktiva
index3. Enkla system som spår på en CD-skiva eller antireflexbeläggningar på
glasögonglas är exempel på detta fenomen i vardagen.
I dessa exempel kan man se spektrumets färger eftersom CD-skivans spår har
en diffraktiv effekt, medan man ser färgreflexerna från linserna på grund av interferensen i de olika skikten.
Denna typ av färggenerering skiljer sig från den som skapas genom ljusabsorption i pigment eller färger. I det senare fallet sker det genom kromoforer, dvs.
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
pigment som selektivt absorberar vissa våglängder och sprider andra. Fotoniska
system däremot styr ljuset direkt genom sammanhängande spridning där vissa
våglängder fortplantar sig genom systemet medan andra hindras.
Det ljus som hindras från spridning reflekteras och avgör eller bidrar till hur systemets färger uppfattas. Några vanliga exempel på detta är de blå fjädrarna hos
påfågeln eller silverfjällen hos en del fiskar.
Hos vissa djurarter och växter är fotoniska färgsystem mycket välutvecklade. Ett
sådant exempel är Morpho-fjärilarna med sina glänsande blåskimrande färger
(bild 4a). De intensiva och iögonfallande färgskiftningarna hos denna art beror
på ett antal lagerstrukturer som täcker vingfjällen. Strukturen med lager och upphöjningar skapar den blåskimrade färgen och gör också att fjärilen syns bättre i
vinkel 4.
Figur 4a: Den mycket iögonfallande blå färgen hos en Morpho fjäril (på bilden en M rhetenor)
uppträder på grund av koherent spridning av ljus i periodiskt nano- och mikronstrukturer på och
i vingfjällen.
Från kosmetika till förfalskningar
Kosmetikabranschen har låtit sig inspireras av Morpho och andra fjärilar. I synnerhet L’Oreal har varit tidigt ute med biooptisk design i sin kosmetikatillverkning.
Genom att imitera sättet som ljus och färg hanteras av Morpho-fjärilens vingfjäll och skapa en serie av periodiska mikro- och nanostrukturer med syntetiska
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
material har L’Oreal utvecklat estetiken i sina kosmetikaprodukter med hjälp av
naturinspirerad design (bild 4b).
Figur 4b: L’Oreal har använt inspiration från biologiskt fotoniskt system för att designa en serie
fotoniskt baserade kosmetiska produkter (Bild med vänligt tillstånd från L’Oreal).
Många djurarters utseende beror på optiska egenskaper där vissa är tydliga för
människan medan andra ligger utanför det mänskliga ögats uppfattningsförmåga. Detta har direkt inspirerat till en något ovanligare tillämpning – att försvåra
förfalskningar. Även om det råder stort hemlighetsmakeri kring stora delar av
den kommersiella utvecklingen inom detta område kan patentsökningar avslöja
en del.
Papilio palinurus uppfattas som grön av det mänskliga ögat, men vingfjällen
består av micron-stora områden av gula och blå färggrupperingar, placerade
bredvid varandra5. Det mänskliga ögat kan inte särskilja sådana små enskilda
färggrupperingar, utan additiva blandningsprocesser skapar intrycket att vingen
är helt grön.
I en syntetisk motsvarighet skulle man alltså kunna skapa en hemlig säkerhetsfunktion som bygger på reflektionen av en av de båda färgerna (bild 6). Endast
de blå färgkomponenterna ger en dubbel reflektion av inkommande ljus från
de lutande sidorna i varje flerlagerstruktur. Effekten blir att den blå reflektio-
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
nen polariseras och får en egenskap som inte finns hos den reflekterade gula
komponenten.
Syntetiska strukturella variationer på detta biologiska system erbjuder uppenbara fördelar när det gäller att försvåra förfalskningar, och tekniken utvecklas för
närvarande för att kunna ligga till grund för nya förfalskningssäkra valutaapplikationer som exempelvis OVD Kinegram-produkten i bild 5b.
Figur 5a och 5b: Den starka gröna vingfärgen hos Papilio palinurus är resultatet av additiv
färgblanding som kommer från mikroskopiskt sida vid sida sammanställda färgcenter, som
simultant reflekterar strukturella färger, gult och blått (vänster), från samma enkla fotoniska
nanostruktur. Denna egenskap kan användas som bas för förfalskningssäkra logotyper på
sedlar (höger).
Imitation av ögat
Bioinspirerade koncept kan spela en stor roll när det gäller att utveckla medicinska enheter som innebär bättre produkter för patienterna. Inom oftalmologin
försöker man imitera den naturliga kristalliska linsen så mycket som möjligt när
man designar intraokulära linser så att linsen följer med ögats rörelser och gör
att patienten ser skarpt både på nära, mellanlångt och långt håll. B+L Crystalens
HD, en IOL med förbättrad ackommodation som ger patienter det bästa av båda
världarna genom att fokusdjupet ökas, är designad som den naturliga linsen.
Crystalens dagliga funktion, alltså sättet den rör sig i ögat, ligger så nära ögats
egen linsfunktion som man kan komma (bild 6).
Inom kontaktlinsområdet har forskare redan använt sig av bioinspirerat kontaktlinsmaterial som härmar egenskaperna på ögats yta, och man har tagit fram
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
ögondroppar som minskar dehydreringen av ögat, där förståelse och imitation
av ögats fysiologi legat som grund.
Avstånd
Mellan
Nära
B+L Crystalens HD™, en IOL med förbättrad ackommodativ optik, designad som den fysio­
logiska lins.
Att veta hur människans tårfilm fungerar och vad tårvätskan består av kan också
inspirera till ny design som ger kontaktlinsbärare bättre produkter. Det finns till
exempel proteiner och lipider i tårfilmen som spelar stor roll när det gäller att
skydda och smörja hornhinna och bindhinna. Proteiner som lysozymer och laktoferrin skyddar naturligt ögat mot infektioner tack vare deras antimikrobiella
egenskaper.
Lipokalin i tårvätska är ett protein som binder sig till lipider och är känt för att
skydda hornhinnans yta mot uttorkning. Tekniker som imiterar ögats sätt att
skydda strukturen och funktionen hos lipokalinet i tårvätskan skulle kunna bevara
homeostasen, en viktig aspekt i bioinspirerad design.
Framtiden
Att förbättra upplevelsen för personer som bär kontaktlinser är prioriterat hos
tillverkare och återförsäljare av kontaktlinser och linsvårdsprodukter. Inom marknadsföring, FoU och tillverkning letar man hela tiden efter sätt att få fram nya
produkter som möter kundbehoven.
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
Naturen och människokroppen är utmärkta källor där vi kan låna idéer och koncept. Bioinspiration för oss i nya riktningar där vi inte begränsas av våra egna
erfarenheter utan vi kan dra nytta av naturens evolution under miljontals år. Bioinspirerade material och behandlingar börjar redan ta plats inom hälsovårdens
alla segment, även ögonvården.
Att korrigera synen med kontaktlinser och samtidigt erbjuda en upplevelse som
känns helt naturlig är möjligt med ett bioinspirerat synsätt.
Om polymererna som används för att tillverka kontaktlinsen har naturligt ursprung
och om linserna formges så att tårflödet mellan linsen och hornhinnans yta imiterar ögats eget, då skulle patienter som använde dessa linser snabbt glömma
att de ens bar dem. De skulle bära linserna en hel dag i alla väder och ändå inte
känna irritation eller obehag.
I takt med att forskarna lär sig mer om ögat och hur det fungerar kommer ytterligare produkter att tas fram som är baserade på detta fantastiska organ. Då kan
vi hävda att bioinspiration har varit en framgång för våra kontaktlinsbärare.
Referenser
1. Sanchez C, Arribart H och Guille MMG. Biomimetism and bioinspiration as tools for the design of innovative materials and systems. Nature Materials 2005; 4:4 277-288.
2. Barthlott W och Neinhuis C. The lotus-effect: nature’s model for self cleaning surfaces. International Textile Bulletin
(2001);1: 8–12.
3. Vukusic P och Sambles JR. Photonic structures in biology. Nature 2003; 424:6950 852-855.
4. Vukusic P, Sambles JR, Lawrence CR och Wootton RJ. Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proc Roy Soc Lond B 1999;266: 1403-11.
5. Vukusic P, Sambles JR och Lawrence CR. Structural colour: colour mixing in the wing scales of a butterfly. Nature
2000;404: 457.
Dr Peter Vukusic är universitetslektor vid School of Physics, University of Exeter. Professor Joe Barr är vice vd för
den globala kliniska och medicinska verksamheten samt professionella tjänster (synvård) hos Bausch + Lomb.
Publicerat första gången i Optician 9 april 2010
© Bausch & Lomb Incorporated.
®/TM denote trademarks of Bausch & Lomb Incorporated.
