Ứng dụng của da cá mập nhân tạo

Da động vật biển nhân tạo có thể giúp cho người sử dụng bơi được nhanh hơn, giữ cho các phòng tắm được sạch sẽ và tăng cường khả năng cho những robot lặn sâu dưới nước.

Động vật biển sử dụng lớp da tự nhiên của chúng để bơi lặn và sống còn trong môi trường. Cá heo sống trong các vùng nước lạnh có lớp da dày để bảo vệ và giữ ấm cơ thể. Lớp da ngoài bao phủ giác hút của bạch tuộc không chỉ chứa hàng triệu tế bào thần kinh giúp cảm giác và túm lấy con mồi mà còn "tích hợp" các tế bào đổi màu độc đáo giúp con vật trở nên vô hình trước các loài động vật săn mồi khác. Bướu trên da ngực của cá voi lưng gù giúp nó nổi trên mặt nước. Đó là những gì mà các nhà khoa học muốn nghiên cứu.

Sử dụng máy in 3D và máy tính để tạo mô hình, các nhà nghiên cứu đang cố gắng phát triển da động vật biển "nhân tạo giống như thật" để sử dụng cho nhiều mục đích - từ tay nắm cửa kháng khuẩn cho đến robot lặn sâu dưới nước.

George Lauder, chuyên gia ngư học Đại học Havard ở Boston (Mỹ), cùng với nhóm nhà nghiên cứu của ông đã phát triển da cá mập nhân tạo đầu tiên với sự giúp sức của máy in 3D hiện đại nhất.

Bộ đồ bơi mô phỏng da cá mập - gọi là Speedo LZR Suit - gây chú ý cho mọi người ở Thế vận hội năm 2008, nhưng nhóm nghiên cứu của George Lauder nhận thấy chất liệu của nó không thật sự giống da cá mập do thiếu hẳn các vây hình tấm của cá. Cá mập có khả năng bơi với tốc độ cao dưới nước chính là nhờ vào các vây hình tấm cực nhỏ giống như răng cưa bao phủ lớp da mịn mượt của nó.

Nhiều người cho rằng lớp da ngoài mượt mà sẽ giúp tăng tốc độ bơi, nhưng Lauder phủ nhận điều đó sau khi nghiên cứu thật kỹ da cá mập. Sử dụng thiết bị quét micro-CT đối với da cá mập lưng xám, nhóm nghiên cứu của Lauder tạo ra được mô hình 3D và sau đó sử dụng chất liệu polymer phủ cấu trúc tương tự như vây hình tấm để in bằng thiết bị in 3D.

Cuối cùng, "bản in" gây cảm giác thô ráp giống như da cá mập thật. Da cá mập nhân tạo được nhóm của Lauder thử nghiệm trong bể nước phòng thí nghiệm và kết quả cho thấy lớp da giúp tăng tốc độ bơi đến 6,6% và giảm tiêu hao năng lượng 5,9% so với lớp da bằng chất liệu dẻo mịn mượt không có vây hình tấm.

Geroge Lauder cam đoan lớp da cá mập nhân tạo phủ vây hình tấm này giúp cải thiện tốc độ bơi rất nhiều song hiện nay chỉ là thử nghiệm bước đầu và còn phải chờ đến chục năm sau mới có thể sản xuất đại trà loại áo bơi bằng da cá mập nhân tạo thực thụ.

Vây hình tấm của cá mập dogfish nhìn qua kính hiển vi điện tử.

Theo tính toán của George Lauder, chất liệu giống da cá mập có thể ứng dụng làm lớp bảo vệ chống sự đeo bám của sinh vật biển, tảo hay những con hàu dưới đáy những chiếc tàu biển. Trong khi đó, lớp sơn chống sự đeo bám đáy tàu có tính độc hại, cho nên da cá mập nhân tạo của Lauder sẽ là giải pháp thay thế thân thiện với môi trường. Năm 2005, các nhà nghiên cứu ở Đức từng phát triển một chất liệu silicone - được mô phỏng từ da cá mập - giúp giảm bớt sự đeo bám của những con hàu đến 67%.

Sau đó, vào năm 2008, kỹ sư Anthony Brennan tạo ra chất liệu đặc biệt gọi là "Sharklet" phủ kết cấu giống như vây hình tấm của cá mập giúp ngăn ngừa được sự bám dính của tảo trên các bề mặt trơn nhẵn đến 85%. Sau đó, "Sharklet" cũng được ứng dụng trong chế tạo các thiết bị y tế và các bề mặt phẳng trong bệnh viện. Trong các bệnh viện cũng như phòng tắm công cộng, vi khuẩn lây truyền từ người sang người cực kỳ dễ dàng, cho nên việc phủ lớp "Sharklet" lên các quả đấm cửa và thiết bị sẽ giúp kháng khuẩn hiệu quả và làm giảm thiểu sự lây nhiễm.

Các nhà nghiên cứu Đại học Duke ở North Carolina cũng đã phát triển một chất liệu chống sự bám dính có những nếp gấp cực nhỏ tương tự như da động vật. Nhóm nghiên cứu ở Đại học Hoàng gia London (Anh) cũng nghiên cứu da cá heo để tạo ra chất liệu hình ống phủ những cái bướu cực nhỏ và hóa chất chống thấm nước.

George Lauder thậm chí còn hy vọng trong tương lai da cá mập nhân tạo phủ cấu trúc vây hình tấm làm giảm ma sát có thể được ứng dụng cho cánh máy bay để tiết kiệm năng lượng! Tương tự, vây ngực cá voi cũng được nghiên cứu trong thiết kế cánh máy bay trực thăng. Và, có lẽ ứng dụng tuyệt vời nhất là dành cho robot lặn sâu dưới nước.

Lauder hào hứng tuyên bố: "Chúng ta sẽ có những con robot lặn sâu có thân hình uốn dẻo và di chuyển giống như cá". Theo Lauder, những con robot cá đang hoạt động hiện nay sẽ di chuyển với tốc độ cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn nếu được phủ lớp da cá mập nhân tạo.

Robot cua CR200 do Viện Hải dương và Công nghệ Hàn Quốc phát triển dogfish nhìn qua kính hiển vi điện tử.

Hiện nay, nhóm của George Lauder đang hợp tác với các nhà nghiên cứu Đại học Drexel ở Philadelphia (Mỹ) để chế tạo robot cá đầu tiên theo thiết kế mới với da cá mập nhân tạo có phủ lớp vây hình tấm. Với công nghệ in 3D, các nhà khoa học sẽ hiểu rõ hơn cấu trúc vây hình tấm của cá tác động như thế nào đến lực bơi để từ đó tạo ra được loại da cá nhân tạo thực sự hoàn hảo.

George Jeronimidis, kỹ sư Đại học Reading (Anh), cũng đã phát triển da bạch tuộc nhân tạo. Da bạch tuộc đặc biệt phức tạp: nó mềm, dẻo dai và chứa hàng triệu tế bào thần kinh giúp con vật vận động trong môi trường của nó. Da bạch tuộc tổng hợp của Jeronimidis bao gồm hỗn hợp sợi nylon và silicone giúp cho nó dẻo dai và không thấm nước.

Dự đoán trong tương lai không xa, robot lặn sâu dưới có khả năng di chuyển nhanh như cá mập hay có cảm giác cực nhạy như giác hút bạch tuộc để khai thác những vùng đáy sâu nhất của các đại dương