Pelajaran Dari Alam

Para ilmuwan senantiasa berupaya untuk menemukan cara yang paling
efektif untuk membuat sebuah material berkinerja tinggi, dengan konsumsi sumber
daya dan energi minimum, memproduksi sedikit sampah, dan tentu saja, memiliki
fungsi maksimum. Dengan kata lain, mereka berusaha untuk membuat sebuah
material yang ekonomis, ramah lingkungan, dan serbaguna. Organisme hidup
merupakan contoh desain yang mengonsumsi sedikit energi dan material. Mereka
didesain semata-mata agar dapat berguna, dan juga unggul dalam
perancangannya. Demi peningkatan jumlah peneliti, material biologis yang ada di
alam merepresentasikan inovasi masa depan bagi material sintesis dalam hal
kompleksitas dan fungsionalitasnya. Yang mengagumkan bagi imajinasi kita
adalah bahwa sebuah balok bangunan yang relatif sederhana dapat dikonstruksi
menjadi sebuah struktur yang secara hierarki memiliki fungsi yang sangat tepat.
Faktanya, ada banyak sekali contoh desain di alam ini yang hingga saat ini hanya
dapat diimpikan oleh para pendesain saja. Para ilmuwan menguji pekerjaan seluler
dan molekuler alam secara lebih dekat. Mereka pun mulai menemukan informasi
yang dapat diaplikasikan pada segala aspek, mulai dari optik yang canggih hingga
robotika. Hasil yang didapatkan adalah munculnya sebuah bidang baru bernama
“biomimikri, biomimetik, atau desain yang terinspirasi oleh biologi”. Biomimetik
adalah aplikasi metode dan sistem yang ditemukan pada alam untuk sebuah studi
dan desain sistem teknik serta teknologi modern. Penyalinan secara sadar
terhadap contoh dan mekanisme dari organisme alam dan ekologi ini merupakan
satu bentuk aplikasi berbasis kasus terapan dan perlakuan pada alam sebagai
sebuah basis data dari solusi permasalahan yang memang telah berlangsung.
Inovasi yang diterapkan di alam berpotensi untuk mengembangkan cara kita
melakukan segala hal, mulai dari desalinasi air, merekatkan sesuatu satu sama
lain, hingga memperbaiki mobil yang telah penyok. Ketika ada masalah terkait
desain, selalu ada solusi dari alam yang diciptakan oleh Sang Maha Pendesain.

Kita dapat membedakan tingkat biologi yang dapat ditiru oleh teknologi sebagai
berikut:
• Meniru metode alam dalam industri senyawa kimia, demi membuat sesuatu
hal yang baru
• Meniru mekanisme yang telah ada di alam

Ada banyak contoh material biomimetik yang kini telah menjadi bagian dari
kehidupan kita sehari-hari. Velcro, misalnya, merupakan merek sebuah kain yang
terdiri dari kait dan ikat pengencang yang digunakan untuk menghubungkan sebuah objek. Produk ini pertama kali ditemukan oleh Georges de Mestral, seorang penemu dari Swiss. Ide penemuan barang ini datang kepadanya setelah mengamati lebih dekat biji rumput burdock (semacam rumput bola jarum) yang menancap pada baju dan bulu anjingnya saat tengah melakukan rutinitas jalan- jalan mereka di pegunungan Alpen. Dia pun menguji sistem kait-ikat yang ada pada biji tersebut lebih cermat menggunakan mikroskop. Dia lalu menyadari bahwa pendekatan yang sama juga dapat digunakan untuk menggabungkan dua hal secara bersamaan. Saat ini velcro banyak digunakan di berbagai bidang, seperti industri otomotif, tekstil, pembuatan sepatu, ataupun untuk menggabungkan permukaan yang kaku dan lembut menjadi satu. Bunga teratai memiliki kristal lilin kecil pada permukaan daunnya, sehingga senantiasa jernih dan putih, meski berada pada rawa yang penuh kontaminasi. Bagi sebagian orang bunga teratai melambangkan kebersihan. Pada ilmu material ‘’efek lotus’’ diartikan sebagai sebuah kemampuan sesuatu yang diobservasi dapat membersihkan dirinya sendiri yang ditemukan pada bunga teratai (lotus). Karakteristik teratai ini lalu menghasilkan sebuah aplikasi biomimetik baru berupa ‘’permukaan yang dapat membersihkan diri sendiri’’, seperti cat dan ubin atap yang menjaga kebersihan permukaannya layaknya bungai teratai dengan membuat permukaannya mirip dengan permukaan teratai. 1 Semua orang tahu warna cerah pada sayap kupukupu. Namun dari manakah mendasar warna itu datang? Mungkin ada yang berpikir bahwa kupukupu memiliki pigmen, seperti pada sebuah cat.

Sebenarnya, ada dua mekanisme terkait warna pada sayap kupu-kupu. Mekanisme pertama mengarahkan kita pada hal yang disebut sebagai ‘’warna biasa’’, dan yang kedua pada ‘’warna-warni spektakuler’’. Warna biasa ada karena adanya pigmen kimia yang menyerap panjang gelombang tertentu dan merefleksikan yang lainnya. Sedangkan warnawarni spektakuler tidak diproduksi oleh pigmentasi, akan tetapi karena adanya interferensi cahaya yang menyebabkan refleksi ganda dalam struktur fisik material. Ukuran dan periodisitas pengaturan fitur pada sayap kemudian menyebabkan campur tangan cahaya terlihat dan menghasilkan warna. Oleh sebuah tim internasional yang berbasis di Allied Signal-Morristown, New Jersey, sebuah struktur dan mekanisme fisik yang memproduksi warna bercahaya seperti yang ditemukan pada sayap kupu-kupu pun diproduksi dalam karbon menggunakan konsep seperti di atas. Material karbon baru yang bermuatan tinggi ini memiliki properti yang unik dan berpotensi dapat dimanfaatkan. 2 Contoh luar biasa lain yang menginspirasi prinsip desain adalah ‘’ikan kotak’’, ikan laut bertubuh keras yang sangat enerjik dan hidup di perairan dangkal berterumbu tropis. Ikan ini merupakan perenang yang gesit dan sangat stabil. Ia mampu mempertahankan lintasan renangnya yang halus, dengan hentakkan, putaran, atauolengan minimal meski berada di perairan yang bergejolak sekalipun. Terlebih lagi, ikan ini amat mahir untuk berenang dengan cepat, mampu berputar dengan radius putaran sangat kecil, serta mampu mempertahankan kontrol presisi posisi dan orientasinya.3 Kira-kira aplikasi apa yang bisa diterapkan dengan kemampuan semacam ini? Salah satu produsen mobil terkemuka telah memproduksi sebuah mobil bionik yang berbasis pada kontur tempurung ikan kotak dan mengambil keuntungan dari manfaat pengurangan gaya gesek yang ditimbulkan. Selain bentuk, sebenarnya komposisi pengaturan organisme hidup ikan ini juga sangatlah maju. Oleh karena itu, upaya besar pun dilakukan untuk mempelajari dan memahami formasi struktur hierarki makhluk ini.

Cangkang pauhi (kerang abalon), terkenal dengan kekuatannya yang luar biasa. Dia tercipta dari batu ubin karbonat kalsium mikroskopik yang ditumpuk seperti batu bata. Di antara lapisan cangkang ubin itu terdapat zat protein yang lengket. Meski karbonat kalsium merupakan salah satu material terlembut yang ada di alam ini, namun ketika cangkang pauhi dipukul, maka ubinnya akan tergelincir. Alih-alih hancur, proteinnya akan merenggang untuk menyerap energi pukulan tadi. Para ilmuwan material di Universitas California, San Diego, mempelajari struktur ubin ini demi mendapatkan pengetahuan baru menuju produk keramik yang lebih kuat seperti baju zirah. Para peneliti di Princeton, yang bekerja dengan dana dari NASA menganalisis kekuatan cangkang pauhi yang luar biasa ini demi membuat pelapis anti-dampak bagi ubin termal. Ada banyak kelompok yang bekerja demi memahami struktur dan mekanisme pengaturan secara lebih baik dalam keterlibatannya dengan perakitan sistem paduan alami yang memiliki perangkat mekanik luar biasa. Dalam struktur komposit sintesis, tingkat kekerasan material sebanding dengan kandungan anorganik atau mineralnya. Namun, ada banyak contoh desain mengagumkan di alam kita, yang hampir sejumlah mineral terabaikan untuk digunakan dalam lingkungan yang dirancang secara khusus, dengan level kekerasannya sangat tinggi, yang bisa dibandingkan dengan dentin manusia, dan yang mudah didapatkan. Contoh menarik dari hal itu adalah cacing laut.

Meski pada dasarnya terdiri dari jaringan yang lembut, namun cacing ini memiliki rahang yang sangat keras, yang memiliki jumlah konsistensi anorganik sangat rendah dan luar biasa. Material rahang cacing ini sangatlah menarik, karena sifatnya yang keras, ringan, dan anti-abrasi, dikarenakan beberapa elemen gradien yang dimilikinya. Bahan kimia yang mengelilinginya, serta bentuk elemennya tidaklah cukup jelas untuk bisa diidentifikasi atau ditiru susunan atau strukturnya. Selain properti mekaniknya yang mengagumkan, rahang cacing ini juga merupakan contoh dari material gradien alam yang sangat indah, yang memiliki bagian antarmuka sempurna antara jaringan keras dan jaringan lembut. Meskipun banyak teknik analisis teknologi tinggi yang telah dirancang demi memahami bagaimana sebuah komposit semacam ini terbentuk (khususnya yang berada di air asin atau laut yang sama sekali tidak menguntungkan) dan bagaimana bisa mereka memiliki kekuatan mekanikal yang sangat kuat semacam itu, namun penemuan yang ada hingga kini masihlah belum sempurna. Informasi yang kini terkumpul ibarat potongan puzzle yang tercecer. Untuk dapat menyelesaikannya, potongan yang hilang harus ditemukan terlebih dahulu dengan kemajuan baru dalam peralatan analitik.

Lantas bagaimana dengan kerang? ‘’Jika kita memiliki pahlawan super
bernama Batman dan Spiderman, lalu mengapa kita tidak memiliki pahlawan super
bernama Musselman (manusia kerang)?’’ tanya Profesor Herbert Waite dari
Universitas California, Santa Barbara. Kerang mungkin memang bukan hewan
terbesar atau mencolok di lautan, akan tetapi mereka dapat melakukan suatu hal
dengan sangat baik. Kerang menghasilkan sejenis lem yang memungkinkannya
merekat pada batu karang dengan kuat dan tetap berada di sana walau dibasahi
air dan diterpa gelombang. ‘’Saya tidak mengetahui adanya perekat lain yang
dapat melakukan hal semacam itu’’ kata Prof. Waite. 6 Niels Holten, yang
melakukan penelitian pada sistem ini di Universitas California, Santa Barbara,
mengatakan bahwa dalam hal komposisi dan kerumitannya, tidak hanya lem,
sejenis serat benang yang ia buat untuk menambatkan diri pada batu pun sangat
penting. Benang ini dapat mengulur dan mengendur dengan fleksibilitas mekanikal
mengagumkan meski berada di bawah dampak gelombang laut yang luar biasa.
Kelompok penelitian Waite mengungkap bahwa pada benang kutikula terdapat
sebuah aspek yang sangat penting terhadap sains material, sebuah signifikansi
yang baru saja dipahami, yakni teknik antarmuka (interface engineering). Benang
ini memiliki jumlah yang sangat rendah, kira-kira 1-2 wt% dari berat ion logam
dalam matriks polimer penyatu rantai polimer besar, yang kemungkinan besar
merupakan bahan penyebab fleksibilitas dan ekstenbilitas pada struktur ini.
Struktur buatan manusia tidak akan mampu berlomba dengan performa mekanik
benang ini, terutama dalam hal volume rendah bahan ion logamnya.
Tujuan utama penelitian sejenis ini adalah untuk memahami prinsip
pembentukan fitur seperti ini, sehingga struktur serupa dapat dibuat dengan
menggunakan serangkaian prinsip yang sama di laboratorium yang ada. Faktanya,
kesempurnaan desain yang diimplementasikan dari alam ini pun berubah menjadi
sumber ide yang sangat banyak sekali. Kumbang permata mengerami telurnya di
dalam pohon yang baru saja hangus, ia dapat melacak api dari jarak yang bermil-
mil jauhnya. Industri pertahanan pun mempelajari kumbang ini demi mendapatkan
petunjuk ketika mendesain detektor inframerah baru dengan biaya rendah bagi
militer. Sementara itu, salah satu produsen mobil terkemuka mengadopsi
kemampuan terkenal belalang yang dapat terbang dalam kerumunan padat tanpa
bertabrakan satu sama lain. Hal itu dikembangkan untuk sebuah alat anti-tabrakan
pada mobil.

Defense Advanced Research Projects Agency (Badan Projek
Penelitian Pertahanan Tingkat Lanjut), Amerika Serikat, membiayai
pengembangan sebuah robot yang dapat memanjat secara vertikal. Prinsipnya
sama seperti yang digunakan tokek saat berjalan di dinding dan di atas loteng.
Sebenarnya ada banyak contoh yang dapat diberikan terkait hal ini. Namun karena
keterbatasan ruang, kami hanya merangkum beberapa darinya saja. Meski begitu,
pemahaman kita terhadap mekanisme pada alam sangatlah terbatas. Semoga kita
bisa mendapatkan wawasan yang lebih baik seiring perkembangan peralatan
analitis yang tersedia. Perbedaan besarnya adalah bahwa desain produk pada alam diproduksi dari beberapa komponen yang umum saja, sebaliknya kita menggunakan banyak sekali material dan komponen untuk meraih satu desain yang baru. Kontrol yang ketat serta hierarki dari desain pada alam semacam itu hanya dapat disematkan pada seniman atau desainer yang menyembunyikan kesempurnaan ciptaan dalam detailnya. Semua kembali pada kita sendiri untuk dapat menemukan, melihat, dan mengapresiasi kesempurnaan ini semua. Para saintis material, tentu saja, memiliki tugas untuk mentransfer penemuan dari alam ini menjadi sebuah pelayanan bagi manusia dengan cara mengubahnya menjadi bentuk yang dapat diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari yang nyata.

Catatan :
1. Lotusan Paints. (2002). Retrieved 12 November, 2003, dari http://www.lotusan.
de Diterjemahkan oleh http://www.google.com.
2. Anvar A. Zakhidov et. al., Science, 282, 897 (1998)
3. http://www.gharib.caltech.edu/bioinspired_ design/index.html
4. http://www.daimlerchrysler.com/dccom/0-5-7154-1-503504-1-0-0- 503518-0-
0135-7145-0-0- 0-0-0-0-1.html
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Abalone#_note-0
6. Anne Underwood, “Nature’s Design Workshop,” Newsweek, U.S. Edition,
September 26 (2005)