PHÁT MINH KHOA HỌC TỪ BẮT CHƯỚC THIÊN NHIÊN
Trần-Đăng Hồng, PhD
Cơ thể động vật cũng
như thực vật, qua tiến hóa hàng vạn năm để thích ứng với môi trường sống, đã
phát triển những bộ phận hay cơ nguyên thích ứng thật hoàn hảo và tiết kiệm năng
lượng nhất. Các nhà khoa học quan sát các hoạt động của sinh vật, nghiên cứu
cách cấu tạo cơ thể chúng, để tìm hiểu và sau đó bắt chước chúng để phát minh,
hay sáng chế áp dụng kỹ thuật.
I. BẮT CHƯỚC ĐỘNG
VẬT
1. LÀM SAO CON HÀU DÍNH
CHẶT VÀO KHỐI ĐÁ TRƠN
Hình 1.
Con hàu dính vào tấm kính
TS Wilker, nhà hóa học
và khoa học vật liệu (material science) ở Purdue University (Indiana), trong dịp
bơi lặn ngoài biển sâu, ngạc nhiên thấy làm sao con hàu (mussel) dính chặt được
vào đá nhẵn trơn như ở tấm kính hình trên. Quan sát kỹ, ông thấy con hàu phóng
ra một loại keo làm thành sợi dính chặt vào đá như dây neo của tàu (Hình 1).
Trên thị trường có rất nhiều loại keo (glue) để hàn gắn vật bễ, nhưng chỉ áp
dụng ở môi trường khô ráo, chứ không trong nước như con hàu. Ông cùng toán
nghiên cứu chất keo do con hàu sản xuất thấy đó là một phân tử protein khác lạ
gồm nhiều tyrosine amino acids bị biến thành 3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA)
nhờ cộng thêm nhóm hydroxyl OH. Ngoài ra, còn có chất sắt Fe. Chính nhờ khám phá
này, nhóm nghiên cứu của ông đã tổng hợp nhân tạo chất keo có cấu trúc tương tự
như DOPA của con hàu để dùng làm keo dính mãnh liệt (super glue) hàn gắn trong
môi trường có nước, như nối xương gảy trong cơ thể, hàn các mô tế bào, nối răng
gảy, v.v. và áp dụng trong kỹ nghệ sửa chửa tàu ghe, v.v.
2. BẮT CHƯỚC HẢI SÂM (Đồn đột, sea
cucumber)
Hình 2.
Con hải sâm
Nhiều sinh vật có khả
năng biến hình dạng để trốn kẻ thù. Chẳng hạn con hải sâm có thân mềm nhũn là
thức ăn của nhiều loại cá hay sinh vật khác. Khi thấy bị đe dọa tính mạng trước
kẻ thù ăn thịt mình, con hải sâm cuộn tròn, và biến thân thể mềm nhũn trở thành
xơ cứng, không còn là con mồi hấp dẫn. Làm sao con hải sâm biến thân thể mềm
nhũn thành xơ cứng trong nháy mắt, và khi hết bị đe dọa nó mềm nhũn trở lại?
Nghiên cứu cơ thể cho thấy các cơ sợi cấu tạo bởi một loại protein đặc biệt kết
hợp với hợp chất nhu mô mềm. Các cơ sợi này có khả năng biến đổi từ dạng mềm
nhũn sang dạng xơ cứng tùy theo phản ứng thần kinh của hải sâm.
TS Jeffrey Capadona và
cộng sự thuộc Case Western Reserve University cộng tác với US Department of
Veterans Affairs Medical Center, cả hai cơ quan cùng ở Cleveland (Ohio), tin
tưởng rằng đây là một vật liệu lý tưởng để làm vi điện cực (micro electrodes)
trong phẫu thuật não bộ. Nhóm nghiên cứu này chú trọng đặt vào dây thần kinh não
bộ một bộ phận có khả năng nhận cũng như truyền tín hiệu từ óc ra cơ quan hay
truyền từ cơ quan vào óc, đặc biệt nhằm tái tạo hệ thần kinh cho người bị bị
liệt (paralysis), bệnh mất trí nhớ Alzheimer hay đa-xơ-cứng (multiple
sclerosis). Với phẫu thuật hiện tại, điện cực cứng khi đặt vào óc sẽ gây tác hại
cho nhu mô màng óc và gây nhức nhối. Nếu có điện cực mềm nhũn và dễ uốn cong thì
giải quyết được tác hại này, nhưng nếu điện cực mềm nhũn thì làm sao nhét vào tế
bào neuron được. TS Capadona nói “Vi-điện-cực lý tưởng là phải cứng lúc ban đầu
để dễ nhét vào dây thần kinh, nhưng sau đó phải mềm nhũn như dây thần kinh để
tránh tác hại”. Cơ sợi của hải sâm là mẫu mực lý tưởng để chế tạo vi-điện-cực.
TS Capadona và đồng nghiệp chế tạo cơ sợi nhân tạo gồm hợp chất cellulose thiên
nhiên với polymer nhân tạo (polyvinyl acetate). Trong không khí khô, hợp chất
này cứng chắc, nhưng khi nằm trong óc, nó hút nước, phồng nở và mềm nhưng vẫn
chắc chắn.
Hiện
nay, các thử nghiệm được thực hiện thành công trong não bộ chuột. Giai đoạn tới
là thử nghiệm ở khỉ, cuối cùng mới thử nghiệm ở người.
3.
BẮT CHƯỚC BÀN CHÂN CON CẮC KÈ
Hình
3. Con cắc kè
Làm
sao con cắc kè (gecko), thằn lằn leo được trên vách thẳng đứng trơn trợt hay
trần nhà mà không bị rơi xuống theo trọng lực. Các nhà sinh học biết rõ là bàn
chân con vật này cấu tạo bởi một loạt sợi li ti như lông gọi là “setae”, giúp
các nguyên tử lôi cuốn hút chặt nhau theo lực van der Waals, mảnh liệt hơn trọng
lực.
Hình 4.
Bàn chân cắc kè cấu tạo bởi hàng ngàn sợi lông Setae
Tuy
nhiên, nhiều nhà khoa học từng bắt chước cấu tạo bàn chân của cắc kè để chế tạo
setae nhân tạo nhưng không thành công mỹ mãn. Tại sao vậy?
TS Al
Crosby ở Đại Học Massachusetts Amherts nghiên cứu cách cấu tạo và hoạt động
setae khi cắc kè di chuyển. Dùng các mô hình toán học dựa vào luật của lực van
der Waals tạo ra bởi sức hút giữa bàn chân và vách tường, so sánh với trọng lực
trên thân thể cắc kè, nhóm nghiên cứu của ông thấy rằng có sự liên hệ giữa cấu
tạo bàn chân và lực hút giữa bàn chân với vách.
Cắc kè
có hệ thống gân khác biệt ở chân. Ở các động vật khác, kể cả con người, gân nối
cơ bắp với xương. Còn ở cắc kè, một đầu gân nối với da của bàn chân, đầu gân kia
nối với cơ thịt. Khi cắc kè áp ngón chân vào vách, các xoang trong chân trương
phồng lên do bơm máu vào, làm bàn chân cứng tạo sức hút về chiều hướng bước tới.
Phối hợp giữa mềm nhũn của da và cứng của gân tạo sức hút mạnh lớn gấp bội so
với lực rơi của trọng lực, làm cắc kè dính chặt vào tường. Khi cắc kè muốn bước
tới, bàn chân uốn cong, dây gân được giản, cơ thịt giảm độ cứng, mất sức hút,
chân được tháo gở khỏi tường, nhưng bàn chân bước tới bấu chặt vào tường theo
tuần tự.
Dựa
trên khảo sát này, TS Al Crosby và đồng nghiệp tạo được loại da Gecskin. Một
mảnh Gecskin 10 cm x 10 cm có thể đính 1 vật nặng 318 kg vào trần nhà. Gecskin
cấu tạo bởi polyurethane mềm tương tự như cao su, kết hợp với loại vải cứng như
Kevlar hay sợi carbon làm dây gân, tương tự như cấu trúc setae của cắc
kè.
Tháng
6/2014, một người nặng 100 kg với hai tay hai chân mang thiết bị cấu tạo bởi vật
liệu bắt chước từ bàn chân cắc kè đã leo được trên bức tường bằng kính thẳng
đứng.
Hình 5.
Leo tường thẳng đứng như con cắc kè
4.
BẮT CHƯỚC
MÀNG NHỆN
Hình 6.
Màng nhện Caerostris darwini kết tạo trên dây tơ treo dài tới 25
m
Ở
Madagascar có một loài nhện (Caerostris darwini) nhả ra 7 loài tơ
làm mạng nhện. Để làm mạng nhện bắt ngang sông, đầu tiên nhện nhả tơ vào luồng
gió và gió đưa qua bên kia sông, dính vào cây, tạo một dây treo. Từ dây treo
nhện tạo một mạng lưới nhện giăng ngang sông để bắt côn trùng bay trên mặt nước.
Sợi tơ nhện của dây treo được coi là loại sợi sinh học chắc chắn nhất, chắc hơn
cả sợi thép khi có cùng đường kính.
Loài
nhện có khả năng nhả thành nhiều loại tơ: loại cứng, loại mềm, có nút thắt, loại
co giản làm lưới để bắt mồi, có loại dính keo để đính vào trụ cột để xây mạng
nhện. Mỗi loại tơ nhện được các nhà khoa học vật liệu nghiên cứu kỷ về lý tính,
hóa tính, kiến trúc, thành phần cấu tạo, v.v., mục đích để chế tạo vật liệu xây
dựng cho cầu, xe cộ. Vật liệu xây dựng do con người chế tạo không chứa đủ tính
chất của tơ nhện, nghĩa là vừa chắc, vừa đàn hồi, vừa mềm dịu. Protein của tơ,
nếu nhân tạo được, có thể đúc trong khuôn như plastic, hay tạo thành silicon. Vì
tơ là chất hữu cơ, vật liệu sinh học, nên không độc hại môi trường. Vì vậy,
protein tơ có thể tạo thành lớp phim ngấm thuốc để ghép vào cơ thể, lớp tơ tan
và nhả thuốc vào cơ quan trị bịnh. Ts Davis Kaplan của Đại Học Tufts ở
Massachusetts nói “Chúng ta cần một vật liệu sinh học mới, và tơ là vật liệu lý
tưởng đó”.
Hình 7.
Cấu tạo của sợi tơ treo
Sợi tơ
treo của nhện Caerostris darwini cấu tạo bởi các sợi proteins có
cấu trúc tinh thể để vừa chắc chắn, không hình dạng, vừa mềm dịu.
Trong
y khoa, kết hợp kim loại vào tơ nhện làm tăng độ chắc lên 10 lần, và dùng làm
gân nhân tạo trong ngành phẫu thuật.
Hình 8.
Cấu tạo sợi tơ nhện (hình trái), cấu tạo sợi tơ nhân tạo bắt chước tơ nhện (hình
phải) dùng vận chuyển thuốc trị bịnh trong y khoa
Áp
dụng vào công nghiệp thì vô hạn. Vì rất cứng và nhẹ, tơ nhện nhân tạo dùng làm
mủ an toàn cho phi công chiến đấu, gân nhân tạo trong phẫu thuật y học, làm dây
thừng, v.v.
Hiện
tại có nhiều nhà máy sản xuất protein tơ nhện nhân tạo, như AMSilk ở Munich
(Đức), Spiber Technology ở Stockhom, Spiber Inc ở Tsuruoka (Nhật)
5.
BẮT CHƯỚC LOÀI BƯỚM
Hình 9.
Kiểu cách màu lục biến đổi trên cánh bướm Nam Mỹ (trên), quan sát kỹ thì chỉ có
một màu (dưới)
Cánh
bướm có màu theo một kiểu cách riêng của loài bướm, không phải do vảy nhỏ tí ti
có sắc tố sẳn theo kiểu cách đó, mà do phản chiếu ánh sáng từ cách xắp xếp của
vảy. Vì vậy màu sắc và ánh màu cũng biến đổi theo ánh sáng và góc nhìn. Các công
ty sản xuất vải kiểu bắc chước kiến trúc vảy của bướm để vải có màu kiểu cách
biến đổi theo góc nhìn, bằng cách tráng hàng tá lớp polyester hay nylon cực
mỏng, và độ dày của từng lớp tráng, cũng như kiểu cách xắp xếp, làm phản chiếu
ánh sáng tạo màu sắc biến đổi. Loại vải này không độc hại vì không có chất
nhuộm, màu không bao giờ nhạt hay bay màu, vì màu là do ảo giác từ phản chiếu
của ánh sáng.
6.
BẮT CHƯỚC LOÀI MỰC
Hình
10. Con mực biến đổi màu da
Quân
đội Hoa Kỳ thì bắt chước hiện tượng biến đổi màu của loài mực (squid và octopus)
theo môi trường chung quanh để tạo áo quần ngụy trang. Năm 2014, nhóm nghiên cứu
của University of Illinois at Urbana–Champaign thành công chế tạo được loại vải
dựa theo cấu trúc da của loài mực, theo đó màu sắc biến đổi phù hợp với môi
trường chung quanh, dành cho ngụy trang trong quân đội.
Bước
xa hơn, nhà nghiên cứu Alon Gorodetsky của University of California, Irvine cũng
bắt chước cấu trúc da của loài mực để tạo một loại vải áp dụng làm tàng hình với
tia hồng ngoại. Ông nghiên cứu với một protein có tên “reflectin”, chứa trong da
của loài mực. Xử dụng nhiều loại hóa chất, kích thích bởi dòng điện, và cơ học,
ông khám phá và thành công tráng lớp reflectin nhân tạo lên vải, với lớp này mọi
tia sáng có nhiều độ dài sóng khác nhau sẽ bị dội ngược, nhất là tia hồng ngoại,
vì vậy giúp ngụy trang ban đêm mà địch thủ không thấy được khi dùng ống dòm ban
đêm với tia hồng ngoại. Mới đây, vào tháng 2/2015, TS Gorodetsky và cộng sự đã
trình diễn loại vải ngụy trang mới này, với ban ngày thì vải có màu của màu cảnh
vật chung quanh, còn ban đêm thì tuyệt nhiên địch thủ không nhìn
thấy.
7.
BẮT CHƯỚC CÁ MẬP
Cá mập
Isurus oxyrinchus có thể lội với vận tốc 100 km/giờ. Làm sao nó có
thể phóng nhanh như vậy trong nước? Các nhà khoa học nghiên cứu cho thấy da cá
mập có cấu tạo khác thường.
Da cá
mập cấu tạo bởi vảy hình răng chữ V sắp hàng song song theo chiều nước chảy có
mục đích làm giảm sức cản của nước.
Hình
11. Cá mập Isurus oxyrinchus
Hình
12. Cấu trúc da cá mập
Một
loại áo bơi lội được hảng Speedo chế tạo bởi một loại da nhân tạo có cấu trúc
tương tự như da cá mập Isurus oxyrinchus. Bận áo bơi này, vận tốc
bơi gia tăng thêm 7%
2. BẮT CHƯỚC
THỰC VẬT
Các
nhà khoa học đã từ lâu bắt chước cấu tạo các alkaloids thiên nhiên trong thực
vật để chế tạo thuốc trị bịnh. Trong bài ngắn ngủi này, tác giả chỉ đề cập vài
bắt chước nho nhỏ từ cây cối nhưng có áp dụng rất thực tiễn.
8.
BẮT CHƯỚC CÂY LEO IVY
Hình
13. Cây leo Ivy tiết chất keo
Con
cắc kè leo tường hay trần nhà nhờ cấu trúc đặc biệt của bàn chân, thì loại cây
leo như Ivy dính chặt vào tường nhờ một loại keo thiên nhiên có sức chịu đựng
tương đương tới 2 triệu lần trọng lượng của dây leo. Đó là một chất keo dính
mạnh nhất trong thiên nhiên.
TS
Mingjun Zhang, thuộc đại học Ohio State University (Columbus), nghiên cứu chất
keo tiết từ cây Ivy để chế tạo một loại keo áp dụng cho ngành phẫu
thuật.
Ông
cho biết cây Ivy tiết ra một loại chất loảng màu vàng cấu tạo bởi nước,
polysaccarides và vi thể hữu cơ có đường kính khoảng 70 phần tỉ của mét. Vi thể
có nhiệm vụ làm giảm độ nhờn (viscosity) và giúp chất loảng dàn rộng diện tích
tiếp xúc. Các vi thể cũng tạo cầu nối phân tử với polymer trong chất keo, làm
chất keo rất mạnh, có tính đàn hồi, không cứng và dòn, khác với keo thông thường
khi khô. Vì vậy loại keo do ivy tiết ra sẽ có nhiều áp dụng quan trọng. Chẳng
hạn, làm miếng băng có chất keo ivy để băng bó, giúp vết thương mau lành, tế bào
mau sinh sản, giúp ngành giải phẫu cơ quan như tim mau hàn gắn, hay ngay cả giúp
tế bào gốc mau phát triển.
Ngoài
ra, vi thể ivy có thể áp dụng vào thiết kế màng lọc ánh sáng thay thế oxide
titanium hay oxide kẽm như kỹ thuật hiện tại bởi vì kích thước vi thể ivy đồng
nhất nên ánh sáng phân tán đồng đều, và ngăn cản được tia cực tím (ultra
violet). TS Zhang tổng hợp vi thể với nhiều hợp chất polymer, và tạo được nhiều
loại keo nhân tạo tương tự keo thiên nhiên ivy.
9. BẮT
CHƯỚC TRÁI THÔNG
Hình
14. Kiến trúc vảy trên trái thông. Hạt chứa trong vảy.
Bài
sinh học về cơ chế trái thông phóng thích hột khi cháy rừng cho biết vảy trái
thông Pinus attenuate chỉ mở để hạt thông văng ra khỏi trái khi gặp
nhiệt độ thật nóng lúc cháy rừng.
Vảy
trái thông cấu tạo bởi 2 lớp, có phản ứng khác nhau với biến đổi của ẩm độ không
khí. Một lớp giản nở khi trời ẩm ướt, còn lớp kia thì chống lại việc giản nở,
kết quả là vảy trái thông uốn cong. Cơ chế này tương tự như như nhiệt kế cấu tạo
bởi 2 kim loại có độ giản nở khác nhau khi có biến đổi nhiệt độ.
Hình
15. Kiến trúc và cách xấp xếp vảy trái thông
Với
loại vải thông thường, khi đổ mồ hôi vải thấm nước và áo ướt đẫm, nhất ở những
nơi có mồ hôi đổ sớm và nhiều như ở nách. Và hể áo càng ướt, thì áo càng không
thông thoáng, bên trong áo càng ẩm, đổ mồ hôi càng nhiều, người bận áo cảm thấy
khó chịu, nên phải cởi áo, ở trần. Để tránh hiện tượng trên, các nhà khoa học
sáng chế một loại vải giúp không khí thông thoáng đuổi ẩm độ tích tụ bên trong
áo ra ngoài, đưa không khí mát ở ngoài vào trong, nhờ vậy áo không bị ướt đẫm mồ
hôi.
Dựa
vào cơ chế đóng mở của vảy thông theo ẩm độ, các nhà khoa học sáng chế một loại
vải có khả năng thực hiện chức năng trên. Hảng sản xuất vải MMT London chế tạo
loại vải có gai li ti làm nắp đậy các lỗ nhỏ li ti thông thoáng không khí. Các
gai này cấu tạo bởi 2 loại polymer nhân tạo, một loại hảo nước (hygroscopic) tức
hút ẩm hơi nước, loại kia thì khắc nước (hydrophobic) tức đẩy hơi nước ra xa.
Lực hút và lực đẩy hơi nước biến đổi nghịch chiều tùy theo lượng hơi nước của
không khí bên trong áo làm sợi gai uốn cong hay phẳng.
Khi
không khí khô ráo, các gai trở nên phẳng, nằm rạp, đóng lỗ hở, ngăn cản sự thông
thoáng, và áo trở thành cách nhiệt. Khi đổ mồ hôi, ẩm độ bên trong áo gia tăng
làm sợi gai uốn cong, lỗ thông thoáng được mở, xua đuổi ẩm độ ra ngoài, không
tạo được mồ hôi trên thân thể (Hình 16). Loại vải này sẽ được bán trên thị
trường vào năm 2016.
Hình
16. Cơ chế loại vải có vảy đóng mở tùy theo ẩm độ không khí
Cũng
áp dụng cơ chế đóng mở vảy của trái thông, hảng tơ sợi Schoeller của Thụy Sỉ tạo
loại vải có tên “c-change”. Loại vải này có lỗ li ti đóng mở tùy theo nhiệt độ.
Chẳng hạn khi thân nhiệt cao, hay sắp đổ mồ hôi thì các lỗ hổng mở rộng để xua
đuổi hơi nóng và hơi nước ra ngoài.
10.
BẮT CHƯỚC LÁ SEN
Hình
17. Lá sen luôn luôn sạch và đọng nước
Ai
cũng biết là tưới nước lên lá sen (Nelumbo spp.), lá không dính
nước mà chảy tuột hết và lôi cuốn theo hết chất dơ dính trên lá. Sau trận mưa lá
sen luôn luôn sạch, không có bụi bặm hay chất dơ. Lý do là mặt lá sen có trải
một lớp sáp có tác dụng đẩy nước (water repellent). Lớp sáp được xấp xếp thành
gai li ti mắt thường không thấy, nhưng khi sờ thấy nhám.
Hình
18. Cấu tạo lớp sáp trên lá sen với các gai li ti
Chỗ gồ
ghề của gai là nơi nước ít tiếp xúc với lá, nên nước bị phân tán tạo thành nhiều
giọt nước tròn nhỏ và lăn ra khỏi lá.
Hình
19. Trên mặt sáp nước phân tán thành giọt nước hình cầu lăng tròn
Bắt
chước kiến trúc sáp trên lá sen, các nhà khoa học tìm cách chế tạo một loại vải
không dính nước, và rất sạch sẻ vì không dính chất dơ bẩn, bụi bặm và ngay cả vi
trùng. Tất cả trôi tuột theo nước.
Thông
thường, khi nước rơi vào một mặt có tính khắc nước (hydrophobic), nước tung tóe
và kết hợp lại thành nhiều giọt nước hình cầu nhỏ. Trên lá sen, thời gian thành
lập các giọt nước tròn nhỏ là 12,4 phần triệu của giây. Hể thời gian thành lập
càng ngắn thì giọt nước càng nhỏ. Thí nghiệm với gai li ti nhân tạo cấu tạo bởi
aluminium (nhôm) có chiều cao 100 phần triệu của mét (micrometres, μm), rộng 200
μm, tráng lên vải thì thời gian kết đọng thành giọt nước là 7,8 phần triệu giây,
giọt nước nhỏ như sương mù.
Bắt
chước lá sen, các kỷ sư chế tạo được loại vải không thấm nước, không vấy chất dơ
hay chất có màu. Chẳng hạn vẩy máu hay mực lên áo, tất cả chảy tuột và áo không
dính tí vết nào của máu hay mực.
11.
BẮT CHƯỚC CÂY BẮT ĂN CÔN TRÙNG
Tại
các xứ nóng có nhiều loại cây có bộ phận bắt côn trùng để lấy chất bổ dưỡng nuôi
cây. Trong các loài này, loài Nepenthes có bộ máy bắt mồi với hình dạng của một
bình chứa một dung dịch làm hòa tan thân thể con mồi. Vách bên trong bình là một
lớp sáp rất nhờn. Một khi con mồi đậu lên miệng bình thì bị trợt té vào bình, và
khi ở trong bình thì không cách nào trèo ra khỏi bình vì trơn trợt.
Hình
20. Con thằn lằn con trợt chân rớt vào bình mà không có cách nào trèo ra được vì
chất nhờn trơn trợt
Dựa trên cấu tạo của
chất nhờn trong vách bình Nepenthes, hảng Slips Technology ở Massachusetts Hoa
Kỳ chế tạo một chất siêu nhờn để tráng vào vải, nhựa và da. Đặc tính loại vải
này không thấm nước, và bùn, đất, hay vật thể li ti không dính vào được. Áp dụng
chế tạo giày, giày lội nước, quần áo thể thao, áo mưa, áo khoác cho quân đội,
thủy thủ và áo khoác cho công nhân làm việc trong nhà thương, v.v.
TÀI
LIỆU THAM KHẢO
Julie
Gould (2015). Learning from nature’s best. Nature,
519, 26 March 2015, S2-S3.Volume:
