محاكاة حيوية للتوتر السطحي

تشتهر ورقة اللوتس بقدرتها على طرد الماء والتنظيف الذاتي. قام يوان [ 1 ^{] وزملاؤه بتصنيع} قالب سلبي لورقة اللوتس من مادة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) لالتقاط البنى الهرمية الدقيقة التي تُعدّ أساسية لقدرة الورقة على طرد الماء، والمعروفة بتأثير اللوتس . ثم تمّت محاكاة سطح ورقة اللوتس عن طريق السماح لصفيحة نحاسية بالتدفق داخل القالب السلبي بمساعدة كلوريد الحديديك والضغط. وكانت النتيجة سطحًا يُشبه سطح ورقة اللوتس مُدمجًا في الصفيحة النحاسية. وقد بلغت قياسات زاوية التلامس الساكنة للماء على السطح المُحاكى حيويًا 132 درجة بعد حفر النحاس، و153 درجة بعد معالجة السطح بحمض الستياريك لمحاكاة الطبقة الشمعية لورقة اللوتس. يُمكن أن يكون للسطح الذي يُحاكي ورقة اللوتس تطبيقات عديدة، منها توفير معدات خارجية طاردة للماء.

تستطيع أنواع مختلفة من السرخس العائم الحفاظ على حاجز هوائي بين السرخس والماء المحيط به عند غمرها. وكما هو الحال في ورقة اللوتس، تمتلك أنواع السرخس العائم هياكل هرمية دقيقة تمنع الماء من ترطيب سطح النبات. وقد أثبت مايسر وبارثلوت ^{[ 2 ]} هذه القدرة من خلال غمر أنواع مختلفة من سرخس سالفينيا العائم في الماء داخل وعاء ضغط لدراسة كيفية تفاعل الحاجز الهوائي بين الورقة والماء المحيط بها مع تغيرات الضغط المشابهة لتلك التي يتعرض لها هيكل السفينة . وتجري حاليًا العديد من الأبحاث الأخرى التي تستخدم هذه الهياكل الهرمية في طلاء هياكل السفن للحد من تأثيرات مقاومة اللزوجة.

تتكون الرئة من العديد من الأكياس الصغيرة تُسمى الحويصلات الهوائية ، والتي تسمح للأكسجين وثاني أكسيد الكربون بالانتشار داخل وخارج الدم على التوالي، أثناء مرور الدم عبر الشعيرات الدموية الدقيقة المحيطة بهذه الحويصلات. تستغل الحويصلات الهوائية التوتر السطحي بواسطة مادة فعالة سطحية تُنتجها إحدى الخلايا وتُفرزها لخفض التوتر السطحي للسائل المُغطي لداخل الحويصلات، مما يمنع هذه الأكياس من الانهيار. ابتكر هوه ^{[ 3 ]} وزملاؤه الباحثون نموذجًا مُحاكيًا للرئة يُحاكي وظيفة خلايا الحويصلات الهوائية الطبيعية . زُرعت مادة هلامية خارج خلوية، وخلايا طلائية حويصلية بشرية، وخلايا بطانية للأوعية الدموية الدقيقة الرئوية البشرية على غشاء من متعدد ثنائي ميثيل سيلوكسان، مُثبت في غشاء فراغي مرن. أظهرت دورات الضغط للغشاء الفراغي، التي تُحاكي عملية التنفس، شكلًا ووظيفةً مُشابهة للرئة الحقيقية. كما تبين أن خلايا النوع الثاني تفرز نفس المادة الفعالة بالسطح التي تخفض التوتر السطحي للسائل المغلف لنموذج الرئة. نأمل أن يؤدي هذا البحث في المستقبل إلى ابتكار رئات يمكن زراعتها للمرضى الذين يحتاجون إلى عملية زرع أو ترميم.

تستغلّ الكائنات الدقيقة (Microvelia) التوتر السطحي عن طريق توليد تدرج في هذا التوتر يدفعها للأمام عبر إطلاق مادة فعالة سطحية خلفها من خلال نتوء يشبه اللسان. وقد استُخدمت الهندسة الحيوية بطريقة مبتكرة وممتعة لصنع قارب كوكتيل صالح للأكل يحاكي قدرة هذه الكائنات على دفع نفسها على سطح الماء من خلال ظاهرة تُعرف بتأثير مارانغوني . استخدمت بيرتون ^{[ 4 ]} وزملاؤها الطباعة ثلاثية الأبعاد لصنع قوارب بلاستيكية صغيرة تُطلق أنواعًا مختلفة من الكحول خلفها لخفض التوتر السطحي وتوليد تدرج فيه، مما يدفع كل قارب. قد يُستخدم هذا النوع من الدفع مستقبلًا لزيادة كفاءة السفن البحرية.

تتكون الأكياس البوغية للسرخس من أضلاع ماصة للرطوبة تبرز من شوكة في الجزء من النبات الذي يغلف الأبواغ في كيس (انظر الرسم التوضيحي ). يتشكل جسر شعري عندما يتكثف الماء على سطح هذه الأشواك. وعندما يتبخر هذا الماء، تتسبب قوى التوتر السطحي بين كل ضلع في انكماش الشوكة وتمزق الكيس، مما يؤدي إلى تناثر الأبواغ. قامت بورنو ^{[ 5 ]} وزملاؤها الباحثون بتصنيع جهاز محاكاة حيوية من متعدد ثنائي ميثيل سيلوكسان باستخدام تقنيات الطباعة الضوئية القياسية . استخدمت الأجهزة نفس الأضلاع والشوكة الماصة للرطوبة التي تشبه الأكياس البوغية للسرخس. قام الباحثون بتغيير أبعاد وتباعد عناصر الجهاز، وتمكنوا من ضبط حركات الجهاز ككل والتنبؤ بها، على أمل استخدام جهاز مماثل كمحرك دقيق يمكنه أداء وظائف باستخدام الطاقة الحرة من جو رطب.

تتمتع خنفساء الأوراق بقدرة مذهلة على الالتصاق بالأسطح الجافة باستخدام جسور شعرية عديدة بين شعيراتها الدقيقة الشبيهة بالشعر على أقدامها. لاحظ فوغل وستين ^{[ 6 ]} هذه الخاصية، وقاما بتصميم وبناء آلية التصاق رطبة قابلة للتبديل تحاكي هذه القدرة. استخدما تقنيات الطباعة الضوئية القياسية لتصنيع ماسك التصاق قابل للتبديل ، يعمل بمضخة تعمل بالخاصية الكهروأسموزية لإنشاء العديد من الجسور الشعرية التي تلتصق بأي سطح تقريبًا. تستطيع خنفساء الأوراق أيضًا عكس هذا التأثير عن طريق حبس فقاعات الهواء بين شعيراتها للمشي على الأسطح الرطبة أو تحت الماء. وقد أثبت هوسودا وغورب ^{[ 7 ]} هذا التأثير عندما صنعا سطحًا محاكيًا حيويًا قادرًا على لصق الأشياء بالأسطح تحت الماء. يمكن أن يساعد استخدام هذه التقنية في ابتكار روبوتات ذاتية التشغيل قادرة على استكشاف التضاريس الوعرة التي يصعب استكشافها في الظروف العادية.

تستغل أشكال الحياة المختلفة في الطبيعة التوتر السطحي بطرق متنوعة. درس هو ^{[ 8 ]} وزملاؤه بعض الأمثلة لابتكار أجهزة تحاكي قدرات نظائرها الطبيعية على المشي على الماء، والقفز من سطحه، وتسلق الأسطح الهلالية . كان من بين هذه الأجهزة نموذج مُصغّر لحشرة الماء . حاكى كلا الجهازين شكل ووظيفة حشرة الماء من خلال دمج حركة تجديف لزوج من الأرجل لدفع الجهاز، إلا أن أحدهما كان يعمل بالطاقة المرنة والآخر بالطاقة الكهربائية. قارن هذا البحث الأجهزة المُحاكية للطبيعة بنظائرها الطبيعية من خلال إظهار الفرق بين العديد من المعايير الفيزيائية وغير البُعدية . قد يُفضي هذا البحث يومًا ما إلى ابتكار روبوتات صغيرة الحجم، موفرة للطاقة، قادرة على المشي على الماء، ويمكن استخدامها لتنظيف الانسكابات في المجاري المائية.

تتميز خنفساء ستينوكارا ، وهي من الأنواع الأصلية في صحراء ناميب، ببنية فريدة على جسمها تمكنها من التقاط الماء من الجو الرطب. في صحراء ناميب، لا يُعد المطر ظاهرة شائعة، ولكن في بعض الصباحات، يغطي ضباب كثيف الصحراء. تستخدم خنفساء ستينوكارا بقعًا صغيرة بارزة محبة للماء على جسمها الكاره للماء لجمع قطرات الماء من الضباب. بمجرد أن تصبح هذه القطرات كبيرة بما يكفي، يمكنها الانفصال عن هذه البقع والتدحرج على ظهر الخنفساء إلى فمها. وقد أظهر جارود وآخرون ^{[ 9 ]} سطحًا محاكيًا حيويًا تم إنشاؤه باستخدام الطباعة الضوئية القياسية والحفر بالبلازما لإنشاء بقع محبة للماء على ركيزة كارهة للماء لجمع الماء. كان الحجم الأمثل والتباعد بين هذه البقع، الذي سمح بجمع أكبر كمية من الماء، مشابهًا للتباعد بين البقع على جسم خنفساء ستينوكارا. تجري حاليًا دراسة هذه التقنية السطحية لتطبيقها كطلاء على الجزء الداخلي من زجاجة المياه، مما يسمح لزجاجة المياه بالتعبئة الذاتية إذا تُركت مفتوحة في بيئة رطبة، ويمكن أن يساعد ذلك في توفير المساعدة في الأماكن التي تعاني من ندرة المياه.