Naturens geniale ideer løser fremtidens udfordringer

En sensommerdag i 1940’erne er ingeniøren George de Mestral på udflugt i de schweiziske Jurabjerge med sin hund. Undervejs sætter frugter fra planten filtet burre, Arctium tomentosum, sig fast både på hans egne bukser og i hundens pels.

Af ren nysgerrighed smider han frugten under sit mikroskop, da han igen kommer hjem. Her opdager han, hvordan et sindrigt system af små kroge griber løkkerne i stoffet i hans bukser. I 1955 patenterer de Mestral et materiale baseret på løkker og kroge, Velcro.

“Da NASA tager det til sig og bruger det på månedragterne, brager det igennem,” fortæller lektor Torben Lenau fra Institut for Byggeri og Mekanisk Teknologi på Danmarks Tekniske Universitet, DTU.

Naturen inspirerer forskerne

Torben Lenau forsker og underviser i biologisk inspireret design, biomimetik eller bionik. Essensen i biologisk inspireret design er at efterligne løsninger fra naturen, fx som grundlag for innovation, eller når et designproblem skal knækkes.

Hajhud har fx inspireret til verdensrekordsættende svømmedragter, og uglers lydløse vinger har leveret ideer til udformningen af mere støjsvage blade på ventilatorer og vindmøller.

Torben Lenau giver de studerende værktøjer til, hvordan de skal gribe det an, hvis de vil lade sig inspirere af naturen.

Der er grundlæggende to forskellige tilgange, hhv. løsningsorienteret og problemorienteret biologisk inspireret design:

“Den løsningsorienterede er fint beskrevet med historien om Velcro, hvor man lader sig inspirere direkte af noget i naturen. Du har det her fascinerende fænomen, men i starten aner du ikke, hvad i alverden det skal bruges til.”

Det gælder fx for de små krebsdyr kaldet rurer, som er udstyret med evnen til at udskille forskellige former for stærke biologiske lime.

“Man kan nok syntetisere den kemi, der er i limen, men så skal man finde ud af, hvem der kan have glæde af det, altså at skulle lime under vand? Det er vigtigt at være systematisk og gøre sig klart, hvad det er, man bliver fascineret af, og så forsøge at isolere og beskrive det. Når man gør det, bliver det nemmere at finde områder, der kan nyde godt af den unikke kapacitet,” siger Torben Lenau.

Kolde enzymer vasker klimavenligt 

En af de danske forskere, der arbejder med løsningsorienteret biologisk inspireret design, er mikrobiolog Mariane Schmidt Thøgersen fra Institut for Miljøvidenskab på Aarhus Universitet.  

Hendes mål er at finde en anvendelse for nogle helt særlige enzymer, der er effektive ved lave temperaturer og i et stærkt basisk miljø. 

Enzymerne stammer fra en fjord i Sydvestgrønland, hvor der som det eneste sted i verden findes undersøiske søjler af det sjældne kalkmineral ikait. Søjlerne udgør et unikt habitat for nogle encellede organismer. 

“Vi hørte fra geologerne om de her ikkasøjler, og så kom mikrobiologerne ind over, fordi den unikke kombination af kulde og høj pH måtte kunne bruges til noget. Bl.a. har vi fundet et enzym, der kan nedbryde laktose [mælkesukker, red.] ved køleskabstemperatur, så mælken ikke skal opvarmes unødigt [ved pasteurisering, red.] og dermed beholder sin gode smag.” 

Et andet mål for Mariane­ ­Schmidt Thøgersen er at finde et enzym, der kan indgå i et vaskepulver, der vasker lige så godt i vand fra den kolde hane, som normale vaskepulvere i dag gør ved 30 eller 40 grader. Men fra hun finder sådan et enzym, er der stadig et stykke vej. 

“For det første skal man tjekke, at det rent faktisk virker i vaskepulver. Det er et barsk sted at opholde sig med sæbe og detergenter, der kan slå enzymer ihjel,” siger hun. 

Hvis det lykkes, så den typiske vasketemperatur kan sænkes til fem til ti grader, mindsker det elforbruget markant.  

Med den nuværende andel af fossile energikilder i strømproduktionen vil det på europæisk plan betyde en CO2-reduktion, der svarer til den årlige udledning fra fire mio. biler.  

“I dag kan du godt gå ned i fx Føtex og købe et vaskepulver, hvor der står på pakken, at det indeholder kuldeaktive enzymer. I praksis er de bare ikke ret aktive, og de er håbløst overdoseret. Så 20 grader er nok den laveste temperatur, hvor det rent faktisk virker,” vurderer Mariane Schmidt Thøgersen. 

Kunstige blodårer snyder kroppen 

I den anden tilgang til biologisk inspireret design står forskeren i stedet med en erkendt udfordring, som vedkommende søger efter inspiration i naturen til at løse. Og igen er systematik vigtig. 

”Det hænger sammen med, hvordan man formulerer udfordringen. Det skal helst gøres i en eller to præcise sætninger. Jeg har stor glæde af at bede mine studerende tegne problemet. Ikke løsningen, men problemet," siger Torben Lenau. 

Herefter handler det om at finde de rigtige søgeord. For en søgning efter en løsning fra biologien handler sjældent om direkte kontakt med naturen, men i stedet med fx artikeldatabaser som Elseviers sciencedirect.com eller Det Kongelige Bibliotek.  

Biologisk inspireret design har hjulpet Biomodics, en lille dansk producent af hospitalsudstyr, til sammen med bl.a. forskere fra Odense Universitetshospital at skabe en kunstig blodåre. Den kan bl.a. anvendes ved dialyse, hvor blodet renses uden for patientens krop, og ved bypassoperationer. 

Kunstige blodårer har været kendt i 50 år, men fordi de opfattes som fremmedelementer, har kroppen en tendens til at omklamre dem med arvæv eller inflammation eller helt afstøde dem.  

“Det handlede om at identificere, hvilke kemiske grupper der er til stede lige i overfladelaget af blodårer,” fortæller chefforsker Martin Alm fra Biomodics. 

“Cellemembranen i blodårernes overflade består af et fedtlag. Så det handlede om at finde ud af, hvilken kemi der er i dem.” 

Den viden var allerede beskrevet i faglitteraturen og kunne søges frem.  

I cellemembranens fedtlag befinder sig nogle kemiske forbindelser kaldet zwitterioner. I kemi er en zwitterion et molekyle, der udadtil er neutralt, men som har positive og negative elektriske ladninger.  

Den mest vellykkede løsning er nu overført til prototyper af kunstige blodårer som en form for coating (se grafik). I efteråret 2022 fik Biomodics og deres partnere i projektet 40 mio. kr. gennem EU til et femårigt projekt med navnet TeleGraft. Her skal deres løsning testes på 60 mennesker i fem lande.  

Kanyler stikker som myg 

Fremadrettet ser Torben Lenau et stærkt match mellem biologiens løsninger og alle erhverv, der ønsker at skabe noget. 

En af de ting ved naturen, som han mener, vi kan lære rigtig meget af, er dens evne til at finde meget komplekse løsninger med meget få grundstoffer.  

“Nu sidder vi her og snakker på mobiltelefon. Sådan en indeholder jo nærmest hele det periodiske system, og hvordan pokker skiller man den ad til genbrug, når den engang er udtjent? 95 til 97 pct. af alt biologisk materiale er seks grundstoffer. Og når organismer dør, bliver de relativt let nedbrudt. Så naturens hemmelighed i forhold til at kunne recirkulere er at benytte færre byggesten. Det gør ting nemme at genbruge,” siger Torben Lenau. 

Et andet område, hvor naturen er langt foran os, er energieffektivitet og bæredygtige processer. 

“Hvordan kan det fx være, at den kan lave så hårde materialer, der alligevel er lette at nedbryde, når der er brug for det, fx muslingeskaller? Det er selvorganiserende, og det foregår ved omgivelsernes temperatur. Det er meget anderledes end den måde, vi selv laver hårde materialer på. Det involverer typisk høje temperaturer og meget energi,” siger han. 

Den indsigt har inspireret Torben Lenaus egen forskning, hvor han forsøger at efterligne stikmyggens snabel i form af en medicinsk kanyle af plastik. I dag er de lavet af metal, som kræver en betydelig indsats både at fremstille og genbruge. 

”Diameteren på myggens snabel er kun en femtedel af en stålkanyle, men den går igennem hud alligevel. Ser man på materialeegenskaberne i myggens snabel, som er en polymer, der minder om plastik, så kan det egentlig ikke lade sig gøre. Det, myggen lærer os, er, at det kan det altså!”  

Torben Lenau anbefaler den inspirerende amerikanske side asknature.org, der bl.a. har en database med omkring 2000 specifikke biologiske funktioner.