ไบโอมิเมติกส์

ไบโอมิเมติกส์ (อังกฤษ: biomimetics) เกิดจากการรวมกันของภาษากรีกระหว่างคำว่า “bio” ซึ่งแปลว่า “ชีวิต” และ “mimesis” แปลว่า “การเลียนแบบ” เพราะฉะนั้นไบโอมิเมติกส์ คือ ศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการลอกเลียนแบบทางชีวภาพ ไม่ว่าจะเป็น ด้านโครงสร้าง พื้นผิว องค์ประกอบทางเคมี ฯลฯ นอกจากนี้ยังสามารถเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า biomimicry

“Biomimicry is basically taking a decide challenge and then finding an ecosystem that’s already solved that challenge, and literally trying to emulate what you learn” “ชีวเลียนแบบ (Biomimicry) คือการเลือกปัญหาในการออกแบบขึ้นมาอย่างหนึ่ง แล้วมองหาตัวอย่างจากระบบนิเวศที่สามารถตอบโจทย์ปัญหานี้ได้ โดยพยายามเลียนแบบการแก้ไขปัญหานั้น ๆ ด้วยสิ่งที่ได้เรียนรู้จากธรรมชาติ” Janine Benyus

ประวัติ

ช่วงแรกของการศึกษาการเลียนแบบทางชีววิทยา โดยอาศัยการศึกษาลักษณะการบินของนก เพื่อที่จะให้มนุษย์สามารถบินได้ แม้ว่าจะยังไม่ประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องบิน​ ต่อมาในช่วงปี พ.ศ. 1995-2062 Leonado da vinci ได้ศึกษากายวิภาคศาสตร์ของนกและลักษณะการบินของนก ทำการบันทึกและสเก็ตภาพที่ได้จากการสังเกต ต่อมาในปี พ.ศ. 2446 สองพี่น้องตระกูลไรท์ได้ประสบความสำเร็จในการออกแบบเครื่องบินเป็นครั้งแรกของโลก ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากการสังเกตการณ์บินของนกพิราบ และในระหว่างปี พ.ศ. 2493-2502 นักชีวฟิสิกส์ชาวอเมริกันและ Otto Schmitt ได้พัฒนาแนวคิดด้านการเลียนแบบทางชีวภาพระหว่างที่กำลังศึกษาระดับปริญญาเอก และได้ทำการพัฒนาหลักการ "Sohmitt Trigger" โดยการอาศัยระบบประสาทในหมึก (Squid) เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่สามารถจำลองระบบชีววิทยาของการขยายเส้นประสาท  

ตัวอย่างการลอกเลียนแบบทางชีวภาพ

ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้มีการพัฒนาแนวคิดการเลียนแบบจากธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นการจัดเรียงตัวด้านโครงสร้าง พื้นผิว หรือแม้แต่การเลียนแบบพฤติกรรม เพื่อนำมาสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่มีคุณสมบัติเดียวกับต้นแบบที่ใช้  เช่น

กุ้ง กั้ง และปู  

สัตว์จำพวกกุ้ง กั้ง และปู (Crustacean) มีโครงสร้างชั้นนอกสุด คือ Cuticle ที่แข็งแรงสูง ที่ประกอบขึ้นจากไคติน (Chitin)  สัตว์จำพวกนี้จะมีการจัดเรียงโครงสร้างเป็นระดับชั้นและซับซ้อนของสาร ทำให้มีคุณบัติเชิงกลที่ดี นักวิทยาศาสตร์จึงได้เลียนแบบเพื่อทำเป็นวัสดุคอมโพสิต เช่น การสกัดไคตินจาก Cuticle มาพัฒนาสร้างเป็นพลาสติกที่สามารถย่อยสลายได้ การศึกษาการจัดเรียงภายในของโครงสร้างเพื่อนำมาประยุกต์เป็นวัสดุทนแรงกระแทกน้ำหนักเบาหรือเสื้อเกราะกันกระสุน

เกล็ดฉลาม

ผิวของฉลาม (Shark skin) ถูกปกคลุมไปด้วยเกล็ดที่เรียกว่า พลาคอยด์ (Placoid scale) มีลักษณะเฉพาะที่คล้ายกับฟันซี่เล็ก ๆ เรียงกันตามแนวเฉียง พลาคอยด์ประกอบไปด้วยโครงสร้าง 3 ส่วน ได้แก่ basal plate, dentine, vitrodentine ซึ่งพลาคอยด์จะทำหน้าในช่วยลดแรงต้านทานที่เกิดจากความดัน หรือแรงเสียดสี นอกจากนี้ยังช่วยทำให้เกิดกระแสน้ำวนเล็ก ๆ ที่จะช่วยให้ฉลามสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นจึงได้มีการนำเกล็ดของฉลามไปเป็นต้นแบบในการออกแบบชุดว่ายน้ำระดับโลก

ดอกคาลล่า ลิลลี่  

ดอกคาลล่า ลิลลี่ (Calla Lily) มีรูปทรงเรียวยาว กลีบดอกด้านบนเรียงเป็นเกลียวคล้ายก้นหอยในลักษณะแนวดิ่ง ด้วยลักษณะที่โดดเด่นนี้  จึงได้มีการออกแบบใบพัดสูบน้ำให้มีรูปทรงคล้ายดอกคาลล่า ลิลี่ เพื่อใช้เป็นตัวช่วยในการผสมน้ำ หรือช่วยในเรื่องการทำน้ำวน ซึ่งเกลียวกลางของดอกคาลล่า ลิลลี่ เป็นส่วนสำคัญที่ช่วยในการไหลของน้ำจนทำให้เกิดน้ำวน เทคโนโลยีดังกล่าวถูกออกแบบโดย เจย์ ฮาร์มาน ผู้บริหารบริษัท PAX Scientific

ตีนตุ๊กแก  

ตีนตุ๊กแก (Gecko foot) หากสังเกตด้วยตาเปล่าจะมีลักษณะเป็นเกล็ด เรียกว่า ลาเมเล (Lamellae)  เมื่อศึกษาโครงสร้างระดับไมโครจะเห็นว่ามีเส้นเล็ก ๆ เรียงกันเป็นจำนวมาก เรียกว่า ซีเต (Setae) แต่ละซีเตบริเวณปลายจะมีการแตกแขนงออกเล็กๆนับร้อย เรียกว่า สปาตูเล่ (Spatulae) ที่มีขนาดประมาณ 200 นาโนเมตร โดยนักวิทยาศาสตร์ได้นำโครงสร้างระดับไมโครและนาโนของตีนตุ๊กแกมาเป็นต้นแบบในการสร้าง แผ่นปิดแผลที่สามารถปิดแผลที่เปียกชื้นได้หรือแม้กระทั่งแผ่นยึดแน่นไร้กาวสำหรับผู้ที่ต้องทำงานปีนป่ายผนังหรือกระจก

ใบบัว

ใบบัว (Lotus leaf) โครงสร้างลักษณะพื้นผิวเป็นปุ่มเรียกว่า พาพิลลา (Papilla) ภายในปุ่มนั้นมีขนขนาดเล็กในระดับนาโน ส่งผลให้เมื่อมีน้ำมาเกาะบนใบบัวมีลักษณะที่ค่อนข้างเป็นทรงกลม ไม่ติดกับพื้นผิวสามารถกลิ้งไปมาได้ พื้นผิวสามารถทำความสะอาดตัวเองได้ (Self-cleaning) เนื่องจากแรงระหว่างของเหลวและสิ่งสกปรกทำให้การไหลของของเหลวได้นำสิ่งสกปรกบนพื้นผิวออกไปด้วย จึงมีการพัฒนาวัสดุที่สามารถทำความสะอาดตนเองได้ โดยอาศัยหลักการไม่ชอบนำแบบยิ่งยวด (superhydrophobic) จากการเลียนแบบพื้นผิวใบบัว

เปลือกหอย

เปลือกหอย (Molluse shell) ประกอบด้วยโครงสร้าง 3 ชั้น ได้แก่ ชั้นเพอเรียสตาคัม (Periustacum) เป็นชั้นที่อยู่นอกสุดและมีโปรตีนเป็นองค์ประกอบหลัก ต่อมาคือชั้นออสตาคัม (Ostacum) และชั้นเนเคอร์ (Nacre) ที่อยู่ชั้นกลางและชั้นในสุดตามลำดับ ซึ่งทั้ง 2 ชั้น มีแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃) เป็นองค์ประกอบ  โดยบริเวณที่เป็นส่วนสำคัญในการเพิ่มความแข็งแรงคือชั้นเนเคอร์ ซึ่งโครงสร้างจะมีลักษณะคล้ายอิฐและปูน ปัจจุบันมีการสร้างวัสดุที่มีแรงบันดาลใจจากเปลือกหอย เช่น super-glass และโดมกันความร้อน เป็นต้น

ใยแมงมุม  

ใยแมงมุม (Spider web) ถูกผลิตขึ้นจากโปรตีนนำมาถักทอเส้นใยด้วยต่อมผลิตเส้นใย  เนื่องจากมีคุณสมบัติพิเศษด้านความแข็งแรงและความยืดหยุ่นที่มากกว่าเส้นใยสังเคราะห์  ได้มีการเลียนแบบเพื่อพัฒนาเป็นวัสดุหรืออุปกรณ์ทางการแพทย์  ไม่ว่าจะเป็น อุปกรณ์เย็บหลอดเลือด ไหมละลาย แผ่นผิดแผล นอกจากนี้ยังนำมาในอุตสาหกรรมเส้นใยที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น เสื้อเกราะอ่อนกันกระสุน เชือก และเส้นเอ็น

หมีขั้วโลก  

หมีขั้วโลก (Polar bear) สามารถอาศัยอยู่ในสภาพอากาศที่มีอุณหภูมิต่ำมากได้ เนื่องจากโครงสร้างของขนและผิวหนัง ซึ่งประกอบไปด้วย ชั้นของขน (Fur) มี 2 ส่วน คือ Guard hair มีลักษณะกลวงยาว ทำให้เกิดการกระเจิงของแสงไปยังชั้นผิวหนัง และส่วนของ Dense underfur เป็นขนสั้น ๆ ช่วยป้องกันไม่ให้ความร้อนหายไปจากชั้นผิวหนัง ชั้นที่สองเป็นผิวหนังที่มีสีดำ (Darkly pigmented skin) สามารถดูดซับความร้อนจากดวงอาทิตย์ และชั้นที่สาม เรียกว่า บลับเบอร์ (Blubber) เป็นชั้นที่หนาป้องกันร่างกายจากการสูญเสียความร้อนหรือทำหน้าที่เป็นฉนวน ซึ่งสามารถนำมาทำเป็นสิ่งทอจากการเลียนแบบลักษณะของขน หรือสามารถเลียนแบบโครงสร้างนี้ทำเป็นฉนวนกันความร้อนได้

อ้างอิง

1. Environment and Ecology. What is Biomimicry. 2019. http://environment-ecology.com. 2019. Available from: http://environment-ecology.com/biomimicry-bioneers. [2019 October 3].
2. TCDC  (Thailand Creative & Design Center). Biomimicry – ลอกเลียนเพื่อเปลี่ยนชีวิต.  http://www.tcdc.or.th.  2559. เข้าถึงได้จาก: http://www.tcdc.or.th/articles/technology-innovation/24534/.  (วันที่สืบค้น 3 ตุลาคม 2562).
3. Environment and Ecology. What is Biomimicry. 2019. http://environment-ecology.com. 2019. Available from: http://environment-ecology.com/biomimicry-bioneers. [2019 October 3].
4. มาริสา คุณธนวงศ์.  (2552).  จากฉลามแห้งท้องทะเลสู่ฉลามหมุ่นแห่งโอลิมปิก. เทคโนโลยีวัสดุ, 2552 (55), 8-12. เข้าถึงได้จาก: https://www2.mtec.or.th/th/e-magazine/countfavor_article.asp (วันที่สืบค้น 3 ตุลาคม 2562)
5. PAX Water Technologies, Inc. Designed by Nature, Backed by Science. http://www.paxwater.com. 2019. Available from: http://www.paxwater.com/biomimicry [2019 October 3].
6. Biomimicry Switzerland. Biomimicry business intelligence. https://biomimicryswitzerland.org. 2017. Available from: https://biomimicryswitzerland.org/biomimicry-business-intelligence [2019 October 3].
7. Mansueto Ventures, LLC. Biomimicry: Nature-Inspired Designs. https://www.fastcompany.com. 2019. Available from: https://www.fastcompany.com/1007047/biomimicry-nature-inspired-designs [2019 October 3].
8. PAX Scientific, Inc. Capturing the Force of Nature. https://paxscientific.com. Available from: https://paxscientific.com/leadership [2019 October 3].
9. ศุภมาส ด่านวิทยากุล. วัสดุนาโน เลียนแบบสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติ. [ออนไลน์].  เข้าถึงได้จาก: https://www2.mtec.or.th/th/e-magazine/admin/upload/304_29.pdf. (วันที่สืบค้น 3 ตุลาคม 2562).
10. เวฬุรีย์ ทองคำ. โครงสร้างนาโนในธรรมชาติ ตอนตีนตุ๊กแกแสนหนึบ. [ออนไลน์]. เข้าถึงได้จาก: https://sites.google.com/a/thoengwit.ac.th/reiyn-phasa-thiy-kab. ( วันที่สืบค้น 3 ตุลาคม 2562).
11. ภิเษก ทัศนะนาคะจิตต์.  (2562).  ความลับของใยแมงมุม. [ออนไลน์]. เข้าถึงได้จาก: https://www.scimath.org/article-physics/item/9817-2019-02-21-08-04-33 (วันที่สืบค้น 3 ตุลาคม 2562).
12. World Wildlife Fund. Why do polar bears have white fur? And nine other polar bear facts. https://www.worldwildlife.org. 2019. Available from: https://www.worldwildlife.org/stories/why-do-polar-bears-have-white-fur-and-nine-other-polar-bear-facts. [2019 October 3].
13. MaterialDistrict. PLYSKIN: INSULATION INSPIRED BY POLAR BEAR SKIN. https://materialdistrict.com. 2019. Available from: https://materialdistrict.com/article/plyskin-insulation-polar-bear-skin. [2019 October 3].
14. Polar Bears International. Characteristics Polar bears are built for the cold. http://polarbearsinternational.org. 2019. Available from: http://polarbearsinternational.org/polar-bears/characteristics. [2019 October 3].
15. Simplyscience, Wiki Kids Ltd. How do polar bears survive in the arctic environment. 2019. Available from: https://www.simply.science/polar-bears. [2019 October 3].