Verkoelende bouwstenen met de structuur van olifantenhuid, secuurder opereren dankzij de legboor van de bladwesp: in het relatief jonge vakgebied van de biomimicry is de natuur een inspiratiebron voor duurzame innovaties. ‘We kunnen zoveel!’
is wetenschapsredacteur van de Volkskrant. Hij schrijft over natuur en biodiversiteit.
Vrijwel niemand zal erbij stilstaan, maar het meeste wit dat wij in het dagelijks leven tegenkomen op producten als tandpasta, verkeersmarkeringen, zonnebrandcrème of voorheen zelfs poedersuiker is gemaakt met pigment van titaandioxide, op niet al te milieuvriendelijke wijze gewonnen uit titaanerts. Een giftig goedje bovendien, vandaar dat de Europese Autoriteit voor Voedselveiligheid (EFSA) het gebruik in voedingsmiddelen (onder het nummer E171) in 2021 ‘niet langer veilig’ verklaarde. Europese toezichthouders hebben het middel verboden; in andere producten is het nog wel aanwezig.
Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge bedachten een alternatief. Zij zochten naar het witste wit in de natuur en stuitten zo op een Aziatische keversoort, de Cyphochilus. Kevers uit die familie zijn opvallend wit. Die kleur ontlenen zij niet aan pigment, maar aan een uiterst efficiënte microstructuur op de schubben van hun pantser. Die structuur verstrooit en reflecteert het zonlicht zó effectief dat de kevers witter ogen dan papier. Het fenomeen is een van de meest geoptimaliseerde lichtverstrooiende systemen in de natuur, zo concludeerden de Britse wetenschappers.
Die ontdekking leidde tot een doorbraak in materiaalwetenschap. Door de natuurlijke structuur van de keverschubben na te bootsen met cellulose ontwikkelden de onderzoekers een nieuw type wit pigment en brachten dat op de markt. Het resultaat is een veilig, biologisch afbreekbaar materiaal dat beter presteert dan het gewraakte titaandioxide en geen schadelijke nanodeeltjes bevat.
Het is een van de vele voorbeelden van een relatief jonge sector in de toegepaste wetenschap: biomimicry. Die neemt de natuur als inspiratiebron en uitgangspunt voor innovaties die liefst ook iets terugdoen voor die natuur, in plaats van daar een aanslag op te plegen.
Oftewel: waarom het brein van de relatief jonge mensheid vermoeien met vaak milieuverpestende uitvindingen voor kwesties waarop de natuur met haar vier miljardjarige ervaring vol mislukkingen en ontwikkeling allang een oplossing heeft gevonden die haar bovendien niet belast?
Het klinkt wellicht even romantisch als idealistisch, maar die tak van wetenschap is volop in ontwikkeling. Aan de denkkracht ligt het niet: er bestaan vele voorbeelden van innovaties waarvan de natuur de basis vormde.
Een bekend voorbeeld, enkele maanden geleden ook in de Volkskrant gepubliceerd, is dat van de ijsvogel die een Japanse ingenieur inspireerde bij de innovatie van een hogesnelheidstrein. Die trein produceerde luide explosies wanneer die door een tunnel ging. Aan de ingenieur de taak een oplossing te bedenken.
De man, in zijn vrije tijd vogelaar, nam de snavel en kop van de ijsvogel als inspiratiebron. Die bleken zo gestroomlijnd dat de vogel bij een loodrechte duik op visjes vrijwel geen rimpeling in het wateroppervlak teweegbracht (dat gebeurde pas nadat zijn vleugels het water hadden geraakt). De ingenieur, Eiji Nakatsu, ontwierp analoog aan de ijsvogelvorm een nieuwe neus voor de trein, en zie: dankzij minder luchtweerstand produceerde die geen geluidsexplosies meer en ging hij ook energiezuiniger rijden.
Nieuw? Niet helemaal: Leonardo da Vinci bootste met zijn ontwerpen voor vliegmachines al vogelvleugels na, en was daarmee een biomimicry-denker avant la lettre.
In de jaren tachtig van de vorige eeuw ontstond een beweging van wetenschappers, ondernemers en ontwikkelaars die hun creatieve krachten aanspreken en de ‘natuurlijke intelligentie’ als uitgangspunt nemen om ‘economie en ecologie bij elkaar te brengen, en de transitie naar een circulaire systemische wereld te versnellen’, zoals de Stichting BiomimicryNL het op haar website verwoordt. Die organisatie verzorgt in Nederland workshops en andere bijeenkomsten.
Uit de jongste nieuwsbrief: ‘De citroenvlinder gebruikt glycerol in zijn bloed als antivries en het roodborstje zet zijn veren op om zichzelf te isoleren. Veel dieren, zoals de egel en de vleermuis, houden een winterslaap: de stofwisseling gaat bijna uit en de hartslag en ademhaling dalen. De natuur gooit haar verbranding omlaag om te kunnen overleven met weinig energie. Hoe zouden we onze economie ook zo kunnen inrichten dat rust en herstel meer ruimte krijgen in de winter?’
Het antwoord laat op zich wachten; het is de wervingstekst voor een training die de organisatie binnenkort houdt voor belangstellenden.
Saskia van den Muijsenberg, een van de drijvende krachten achter BiomimicryNL, kent naar eigen zeggen honderden voorbeelden van meer en minder geslaagde vindingen met biomimicry. ‘Ik zou er dagenlang over kunnen vertellen’, illustreert ze haar gedrevenheid. Zelf kwam ze met het vakgebied in aanraking in haar vroegere baan op de innovatieve afdeling ‘Gamechanger’ van Shell. Nadat ze er met collega’s uit Amerika over had gesproken, gooide ze het roer om en behaalde ze haar Biomimicry Master aan de Arizona State University. Dat is vijftien jaar geleden. Sindsdien verzorgt ze met haar team trainingen, workshops en andere bijeenkomsten over dit vakgebied, ontwikkelt ze lesmateriaal en helpt ze organisaties om met biomimicry te innoveren.
Zelden staan geldschieters direct na een lezing klaar met een blanco cheque om een idee uit te voeren, zegt ze. ‘Maar ik hoor wel vaak dat ik inspiratie gaf.’ Zelf werkt ze aan een opdracht van de NS en de Franse treinmaatschappij SNCF voor een circulair interieur. De plafonds, zijpanelen en vloeren van treinstellen moeten en kunnen milieuvriendelijker. Ook hier biedt de natuur oplossingen: ‘Daar zijn volop lichtgewicht constructies te vinden waarmee je veel minder materiaal nodig hebt dan nu.’ In de huidige praktijk belandt veel restmateriaal in verbrandingsovens.
In de nieuwe plannen is sprake van één natuurlijk basismateriaal dat kleurvast en waterafstotend is én tegen een stootje kan: hout. ‘Bij de NS loopt een pilot met plafonds die zijn gemaakt van houtrestanten die nergens anders bruikbaar zijn. Die worden op een bepaalde manier geperst, waardoor een composiet ontstaat dat warm oogt en duurzaam is. Er wordt gekeken hoe de brandveiligheid kan worden gewaarborgd volgens de principes van biomimicry. Ook de hygiëne van toiletten wordt onderzocht: er bestaan mooie oplossingen in de natuur om aangroei van bacteriën te voorkomen. Als je die natuurlijke structuren in rvs-potten kunt namaken, zou dat kunnen helpen.’
Een inspiratiebron is ook het Substack-account The Disrupt Dispatch van de Britse ‘biofuturist’ Richard James MacCowan. Uit de jongste nieuwsbrief: wetenschappers van de Schotse universiteit Heriot-Watt ontdekten hoe vrouwelijke bladwespen nauwkeurige sneden maken, op een manier die het ontwerp van chirurgische instrumenten zou kunnen verbeteren.
De wespen snijden het blad waarin ze hun eitjes willen leggen zeer selectief: ze gaan alleen door zachte materialen, de hardere delen van het blad (zoals nerven) vermijden ze. Zo is er minimale weefselbeschadiging en blijven vitale delen van de plantstructuur gespaard. Dat doen de wespen met een tweebladige legboor, die werkt als een reciprozaag, onder doe-het-zelvers bekend als hulpmiddel om in bochten te zagen.
De wetenschappers ontdekten dat de legboor – zonder hulp van zicht of gevoel – zelfstandig onderscheid wist te maken tussen harde en zachte delen. Ze kopieerden het snijmechanisme van de bladwesp en kwamen tot de conclusie dat deze nog onbeschreven snijtechniek grote betekenis kan hebben voor de innovatie van medische hulpmiddelen, zoals chirurgische instrumenten, om zo te kunnen opereren met minder bijkomende weefselschade.
Ook op de TU Delft bogen wetenschappers zich over de wesp en zij ontwikkelden een uiterst dunne, flexibele en stuurbare naald, gebaseerd op de legboor ervan. Die is onder meer bruikbaar voor diepe medische ingrepen in het ruggenmerg.
Allemaal mooi, beaamt Jaco Appelman, medeoprichter van de opleiding Bio Inspired Innovation aan de Universiteit Utrecht, waar hij lesgeeft en onderzoek doet naar bio-geïnspireerde verandering. Hij kan de lijst met spectaculaire voorbeelden moeiteloos aanvullen. Gesneden koek, want steevast passeren enkele bekende innovaties de revue zodra het over biomimicry gaat.
De haaienhuid is een bekende. Haaien hebben een ruwe huid, waarop zeer kleine schubben zitten. In de schubben zitten nog kleinere onregelmatigheden, zoals groeven en uitstulpingen. Die zijn onderling verbonden en vormen een patroon. Dankzij die eigenschappen is de haaienhuid waterafstotend en ondervindt de haai ook minder weerstand in het water, waardoor hij harder kan zwemmen.
Wetenschappers ontdekten dat de haaienhuid door die patronen bacterieafstotend is, ondanks het ruwe oppervlak. Dat principe hebben onderzoekers weten na te bootsen. Zo ontstond kunstmatig materiaal waarmee wondverband, infusen en katheters kunnen worden gemaakt die van zichzelf bacteriewerend zijn. Het idee bleek levensvatbaar: een Amerikaans bedrijf doet er al jaren zaken mee, onder meer met een wondverband dat het dichtgroeien van een wond zou bevorderen.
Lotusbladeren die door hun waterafstotende eigenschappen inspiratie boden voor een bijzondere coating voor boten, drones die razendsnelle wendingen (een draai tot wel 180 graden) kunnen maken dankzij het kopiëren van de vleugels van een kolibri: het bestaat en de horizon is nog lang niet in zicht.
Toch waarschuwt Appelman voor te groot optimisme. Hij zegt het maar eerlijk, na meer dan twintig jaar in het vakgebied: er wordt ook veel onzin verkocht. Niet alle innovaties die als biomimicry aan de man worden gebracht, vallen strikt genomen onder die definitie, zegt Appelman. Zoals klittenband, uitgevonden door een Zwitser die na het uitlaten van zijn hond allerlei klitten aan zijn kleding had hangen. De ontwerper kopieerde de kleine haakjes van vruchten en de lusjes van stof, en zo ontstond klittenband.
Of pleisters waarvan de kleefkracht is gebaseerd op de eigenschappen van de gekko (de hagedis heeft tienduizenden kleine haartjes op zijn poten, waardoor hij tegen gladde en natte muren op kan klimmen): allemaal goed en leuk, maar de vindingen doen niets terug voor de natuur. Dat laatste is wel een uitgangspunt van biomimicry, zegt Appelman. Biomimicry gaat uit van circulaire principes. Veel andere vindingen zijn ‘slechts’ op de natuur geïnspireerd, gekopieerd vaak, maar de productiewijze is toch nog schadelijk voor de omgeving. Dat kan anders.
Appelman noemt een niet eens zo fictief voorbeeld: ‘Stel je voor: we kunnen autobanden maken van melkzuur uit paardenbloemen. Autobedrijf BMW heeft al bewezen dat het dat zou kunnen. Stel dat die auto’s op waterstof lopen. Als je die twee gegevens slim combineert, zou je op plekken waar veel gereden wordt het wegdek op natuurlijke wijze kunnen verharden. Hoe? Waar veel gereden wordt, slijt meer organisch materiaal van de autobanden; in combinatie met de uitstoot van de waterdamp zou het slijpsel vanzelf het wegdek kunnen verharden. Dan krijg je dus een verkeerssysteem dat zichzelf corrigeert: waar veel auto’s rijden, groeit het wegdek vanzelf, waar minder auto’s rijden, is dat minder nodig.’
Tot zover de theorie. Daartegenover staat de praktijk, die vaak weerbarstig blijkt. Dat ligt niet aan de wetenschappers en ontwerpers, zegt Appelman, maar aan investeerders, waar geen uitvinder zonder kan. ‘Investeerders zijn doorgaans gericht op de korte termijn. Ze haken af wanneer ze niet binnen twee jaar duidelijke groei zien, of liever nog winst’, zegt Appelman. En dat is nou net de crux bij deze nieuwe manier van kijken en denken: biomimetische innovaties hebben tijd nodig om te landen, soms wel een jaar of twintig. Veel te lang voor de gemiddelde investeerder, constateert Appelman met pijn in het hart.
Voorbeelden van commercieel geslaagde biomimicry kan hij nauwelijks bedenken, zegt hij. ‘Biomimicry is een goede denkwijze om mensen te inspireren, maar het bedrijfsleven heeft niet het strategisch vermogen om twintig jaar te blijven investeren. Daar loopt het steeds spaak. Zo zijn ingenieurs in Delft bezig een elektrisch vliegtuig te ontwerpen. Dat is al niet echt biomimicry, maar in elk geval wel duurzamer dan de huidige luchtvaart. Het toestel kan op accu’s ongeveer 800 kilometer vliegen. Heel mooi dus voor trips naar Londen of Parijs. Het vliegt alleen zo’n tien minuten langzamer dan reguliere toestellen. Toen haakten investeerders af: zij zagen alleen toekomst in vliegtuigen die sneller zouden gaan in plaats van langzamer.’
Daar is Appelman best gefrustreerd over, zegt hij. ‘We kunnen zoveel! Hier op de universiteit hebben we bomen bestudeerd die trillingen kunnen absorberen. Dat principe kan nuttig zijn in aardbevingsgebieden. In zones waar zware treinen doorheen denderen zou je funderingspalen kunnen gebruiken die trillingen absorberen, zodat gebouwen niet instorten. Mooi idee. Het lukte niet om er investeerders voor te vinden.’
Zo kan hij doorgaan. Over lampen die geen lichtvervuiling veroorzaken, over algengordijnen die in de winter meer licht doorlaten en minder in de zomer – de zomerse algenproductie in die gordijnen kun je weer gebruiken voor de tuin of om biobenzine mee te produceren. Appelman: ‘Mooie ideeën, maar voor de investeerder te vaag om mee door te gaan.’
Financiering is niet het enige knelpunt, zegt Appelman. Biomimicry vergt ook een radicaal andere kijk op het gebruik van grondstoffen en het eventueel terugwinnen van stoffen door het productieproces of het gebruik van de innovatie. ‘We zijn gewend te denken in producten, maar biomimicry vraagt om een systeemblik’, zegt Appelman. Daar hoort ook bij dat organisaties en sectoren van de economie veranderen en dat is lastig, weet hij. ‘Het moeilijkste is van elkaar leren wat de behoeften zijn en hoe die het beste vervuld kunnen worden. Dat vereist keten- en netwerkregie en actieve bemoeienis van de overheid of een andere speler met lange adem.’
Saskia van den Muijsenberg erkent de kanttekeningen van Appelman. ‘Ik ben het voor een groot deel wel met hem eens, maar je moet innovaties of het vakgebied niet afserveren omdat het allemaal niet snel genoeg gaat. Ook op natuur geïnspireerde vindingen die leiden tot minder materiaalgebruik of hergebruik van de grondstoffen, zijn een goede stap naar een groene toekomst.’
De cementindustrie is verantwoordelijk voor ongeveer 8 procent van de wereldwijde CO₂-uitstoot. Dat is meer dan de luchtvaart, aldus Saskia van den Muijsenberg van BiomimicryNL. Haar eerste ervaring met biomimicry betrof een bedrijf dat hier iets op had bedacht.
Ze legt uit: ‘Kalksteen is opgeslagen koolstof. Het is miljoenen jaren geleden gevormd door mariene organismen als schelpdieren en koralen die CO₂ uit het water vastlegden in calciumcarbonaat. In feite delven wij dus een natuurlijke koolstofopslag, om diezelfde koolstof vervolgens als broeikasgas uit te stoten. Het contrast met de natuur is groot. Koralen en schelpdieren maken sterke, stabiele materialen door juist gebruik te maken van CO₂ die al in het water aanwezig is. Zonder hoge temperaturen of grootschalige mijnbouw, maar door biomineralisatie: het vastleggen van CO₂ in mineralen.’
Geïnspireerd door dit principe ontwikkelde het Amerikaanse bedrijf Blue Planet een technologie die koraalachtige carbonaataggregaten produceert. Daarbij wordt CO₂ direct gemineraliseerd, zonder het eerst energie-intensief uit de lucht te halen. Het resultaat is een koolstofnegatief bouwmateriaal voor beton en cement: per ton cement wordt ongeveer een halve ton CO₂ vastgelegd. ‘Niet een beetje minder slecht, maar het systeem omgekeerd.’ Ook andere bedrijven hebben soortgelijke cementstenen ontwikkeld.
Alles over wetenschap vindt u hier.
De wereld warmt op, wat zeker in de tropen tot ondraaglijke temperaturen kan leiden. Architecten en ontwerpers uit Singapore lieten zich inspireren door olifanten, die ondanks hun dikke huid tropische temperaturen doorstaan. De structuren op hun huid creëren kleine schaduwtjes, koelen de lucht om het dier en houden die vast. Tegelijk vergroot die structuur het oppervlak, waardoor meer water kan verdampen. Ontwerpers besloten die structuren met hun fractalachtige oneffenheden en scheurtjes na te bootsen, en maakten daarmee ‘Elephant tiles’: wandtegels die exact hetzelfde effect hebben.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant