Dit is geen sciencefiction. Nieuwe materialen met levende organismen zoals algen en bacteriën, en alledaagse producten die daarvan worden gemaakt, zijn nu al alternatieven voor veelgebruikte materialen die een bedreiging vormen voor onze gezondheid, de economie en de biodiversiteit, zoals plastic. De roep om een biogebaseerde, circulaire economie wordt steeds luider. Om uitdagingen zoals klimaatverandering, CO2-uitstoot en de schaarste aan fossiele materialen het hoofd te bieden, is er dringend behoefte aan nieuwe materialen. Elvin Karana, universitair hoofddocent aan de faculteit Industrieel Ontwerpen (IO) van de TU Delft, die leiding geeft aan een team dat de mogelijkheden verkent van ontwerpen met levende producten, beschrijft de uitdaging als volgt: “De ontwerpwereld heeft nieuwe, innovatieve materialen nodig, met nieuwe mogelijkheden voor interactie en schonere productiemodellen.” 

Karana is altijd al gefascineerd geweest door biomaterialen en hun ontwerpmogelijkheden, en heeft de afgelopen vijftien jaar onderzoek gedaan naar de complexe ervaringen die mensen met materialen hebben. “Ik weet nog hoe ik samen met mijn collega dr. Valentina Rognoli college gaf over materialen tijdens de opleiding die zij verzorgde aan de Politecnico di Milano in 2013. Ze noemde toen het Amerikaanse bedrijf Ecovative, dat pakketten verkocht om je eigen mycelium mee te kweken. Datzelfde jaar heb ik een hele stapel van die pakketten besteld voor mijn masteropleiding Material Driven Design bij IO aan de TU Delft. Het idee om een nieuw product te kweken in plaats van te bouwen was fascinerend. Ik was benieuwd wat de studenten zouden verzinnen.”

Sindsdien heeft Elvin theorieën, tools en methoden ontwikkeld om die manier van denken in te bouwen in het ontwerpproces. In eerste instantie richtte ze zich op meer conventionele biogebaseerde alternatieven, zoals bioplastics en combinaties van natuurlijke vezels. Maar toen kreeg Elvin tijdens een samenwerkingsproject (2015-2018) met professor Han Wösten (microbioloog aan de Universiteit Utrecht) en ontwerper Maurizio Montalti de gelegenheid om de ontwerpmogelijkheden te verkennen van op mycelium gebaseerde materialen. “De kruisbestuiving tussen biologie en design levert naast nieuwe productiemethoden ook geheel nieuwe uitdrukkingsvormen in ontwerpen op, dankzij de co-creatie van mensen en levende organismen zoals algen, schimmels, bacteriën en planten.”

Sinds 2018 geeft Elvin Karana leiding aan een drie jaar durende samenwerking tussen de Avans Hogeschool, de Willem de Kooning Academie en de TU Delft, gericht op het opzetten van een nieuw laboratorium voor bio-ontwerp, waar creatieve mensen de vrijheid hebben om de mogelijkheden te verkennen van levende organismen voor de productie van voorwerpen. Dit lab heeft de naam Material Incubator (MI) gekregen en staat op het grote terrein van de Akademie voor Kunst en Vormgeving St. Joost (AKV St. Joost) in Den Bosch. Hier beschikken ontwerpers over een ruime, inspirerende omgeving om prototypes te maken van grootschalige onderzoeksobjecten met behulp van levende, groeiende biologische materialen.

Leven en laten leven

Karana en haar team stelden zichzelf de vraag wat er zou gebeuren als levende organismen zoals algen, planten, bacteriën en mycelium aan het einde van het ontwerpproces niet werden gedood, maar in leven werden gehouden. Met andere woorden: wat als ze een onderdeel zouden kunnen worden van alledaagse producten? Volgens Karana zou zo’n benadering leiden tot het ontwerp van alledaagse voorwerpen met geheel nieuwe gedragingen en functies. Bovendien levert het werken met levende materialen ook nieuwe manieren van designdenken en -doen op, in samenwerking met de natuur.

Een voorbeeld daarvan is het project Performative Light van Bahareh Barati, een postdoc aan de TU Delft. In het kader van dit project onderzochten dr. Barati en afgestudeerde Tim van Dortmont de lichtgevende eigenschappen van micro-organismen in reactie op menselijke interactie. Ze onderzochten de lichtgevende eigenschappen van Pyrocystis fusiformis, een bepaalde soort bioluminescente alg. Met behulp van een schudmachine die verschillende schudbewegingen kon maken – bijvoorbeeld draaiend, pulserend en vibrerend – konden de onderzoekers de input koppelen aan de luminescente output. Karana: “Een groep IO-studenten uit de cursus Prototyping with/for Emerging Materials heeft twee interactieve producten ontworpen met bioluminescente organismen als alternatieve verlichting, die geen externe energietoevoer nodig heeft.”

Kruisbestuiving

Bij het verkennen van levende materialen komt een interessante mix aan mensen uit verschillende vakgebieden – kunst, design en wetenschap – bijeen om samen als gelijken in een laboratorium te werken. Zij bespreken ideeën, doen ontdekkingen, en ontwikkelen en verkennen het gebruik van biomaterialen en levende organismen die ons kunnen helpen bij de overgang naar een wereld waarin bio-ontwerp gangbaar is geworden – al staat die wereld misschien niet om de hoek.

“Kunstenaars en ontwerpers zijn vaak bezoekers in laboratoria, waar wetenschappers de scepter zwaaien over de ontwikkeling van materialen”, vertelt Karana, zelf ontwerponderzoeker. “Wetenschappers verleggen grenzen, dus wordt er zeer veel aandacht besteed aan materiaalspecificaties om de prestaties te verbeteren. Onderzoek naar bio-ontwerp heeft parallellen met de meer gevestigde technieken binnen het materiaalontwerp. In mijn team zijn we ervan overtuigd dat materiaal meer mogelijkheden krijgt als ontwerpers daar vrij mee mogen experimenteren. Door aan een technische universiteit te werken waar creatieve mensen de grenzen van bio-gebaseerde materialen onderzoeken heb ik de gelegenheid om de toepassingsmogelijkheden van mijn werk veel breder te verkennen.”

“Als wetenschapper aan de TU Delft ben ik gewend om systematisch te denken en tools en methoden te ontwikkelen om ontwerpers te helpen. Commerciële toepassingen zijn bij ontwerponderzoek niet het einddoel. Maar kunstenaars en ontwerpers zijn gewend om hun ideeën en concepten met betrekking tot (materiaal)ontwerp voor zichzelf te houden en als commerciële kansen te beschouwen. Dat maakt samenwerken soms tot een uitdaging”, aldus Karana. “Daar staat tegenover dat kunstenaars en ontwerpers een kritische blik hebben op de processen voor materiaalontwikkeling en ontwerponderzoek en metavragen stellen, zoals: Waarvoor is dit materiaal nodig? Wat is het doel ervan? Wat betekent dat voor de maatschappij en het milieu? Daarop zijn geen duidelijke antwoorden te geven, maar ontwerpers kunnen uiteenlopende mogelijkheden ontdekken voor materialen die door de wetenschap niet altijd worden voorzien of verwacht. Het is voor mij als onderzoeker heerlijk om die invalshoeken samen te brengen.”

Levende materialen voor de doden

Enkele jaren geleden werd duidelijk dat er vraag was naar dergelijke samenwerkingen. Een bedrijf dat bioplastics maakte wilde het daar geproduceerde materiaal naast verpakkingen ook gebruiken voor doodskisten. Karana: “De doodskist van bioplastic zou na zes maanden onder de grond afbreken. Voor zo’n toepassing is zulk materiaal perfect. Maar kopers voor een doodskist van bioplastic waren er niet. Gebruikers hadden heel andere verwachtingen, ervaringen, gedachten en gevoelens als het om teraardebestelling ging. Ik heb het bedrijf met ontwerponderzoek ondersteund om de oorzaak van die weerstand tegen het concept te vinden.”

Knuffelschimmels en textiel dat water nodig heeft

Welke resultaten levert deze creatieve wetenschappelijke samenwerking op? Elvin vertelt enthousiast: “We hebben verschillende interessante projecten, waaronder de therapeutische inzet van schimmels in de gezondheidszorg. Omdat we weten dat strelen en aanraken voor patiënten kalmerend werkt, doet ontwerper en onderzoeker Wasabii Ng momenteel onderzoek naar de tactiele eigenschappen van op mycelium gebaseerde materialen. Ze heeft verschillende prototypes gemaakt van 'knuffelschimmels', met uiteenlopende organische vormen en texturen.” Met dit experiment maakt Ng de positieve eigenschappen zichtbaar van materiaal gebaseerd op schimmels, die meestal als vies en ongezond worden beschouwd. 

Bij een ander verrassend project wordt vervuiling door de kledingindustrie – een van de meest vervuilende sectoren ter wereld – bestreden. Als gevolg van de CO2-uitstoot tijdens productie en transport, het vele water dat wordt gebruikt bij het produceren van de grondstoffen en de enorme hoeveelheid afval die tijdens de productie en na gebruik wordt gegenereerd heeft de kledingindustrie zware gevolgen voor onze omgeving en cultuur. Een mogelijke oplossing biedt het project Biogarmentry: Living Textiles van Roya Aghighi in samenwerking met dr. Srikkanth Balasubramanian uit de groep van dr. Marie-Eve Aubin Tam (TNW). Samen met de Canadese producent van sportkleding Lululemon Athletica Inc hebben de onderzoekers een fotosynthetisch levend textiel ontwikkeld met micro-algen. Zij hebben gekeken naar de groei ervan en de veranderende patronen die zij vormen als bewijs van hun ‘levendheid’ en het onvermijdelijke einde daarvan. De levenscyclus van het levende textiel is direct afhankelijk van de manier waarop ermee wordt omgegaan. Dit textiel moet je water geven om het in leven te houden, net als een plant”, legt Karana uit.

Samen leven met onze producten

Als we in de toekomst inderdaad mycelium gaan gebruiken voor verpakkingen, of levend textiel gaan gebruiken voor kleding en bioluminescente micro-organismen als verlichting, is inzicht in de reacties van consumenten belangrijk. Hoe kan het ontwerp beïnvloeden hoe mensen over zulke materialen denken en wat voor gevoel ze daarbij hebben? Het feit dat we bacteriën als product of verpakking gaan gebruiken, vraagt om een nieuwe interactie met materialen. 

“Ik denk dat bij ontwerponderzoek de komende jaren steeds meer aandacht zal worden besteed aan levende materialen die kunnen waarnemen en reageren en uiteindelijk doodgaan. Daarvoor moet de manier waarop we bij ontwerp naar materialen kijken fundamenteel veranderen. Het kan nog wel even duren voordat de samenleving zulke nieuwe biogebaseerde materialen breed zal accepteren, maar ze zullen zeker gevolgen hebben voor onze manier van leven. Ik wil helpen de vormgeving van die transitie in goede banen te leiden”, besluit Karana. “Als wetenschap, kunst en design worden gecombineerd in projecten waar het biologische proces integraal onderdeel is van het denken over ontwerpen – en vice versa – komt die toekomst al een stapje dichterbij.

Wat is Elvins favoriete levende materiaal? “Momenteel zijn dat flavobacteriën, die structurele kleur produceren. Daarbij reageren nanostructuren op invallend licht, wat intense tinten oplevert. De mooiste voorbeelden van structurele kleur kom je tegen in de natuur, bijvoorbeeld in pauwenveren. Momenteel is mijn collega dr. Colin Ingham (Hoekmine BV) de meest prominente onderzoeker op dit gebied. Zij heeft inzicht in de genetica van deze bacteriën. Hoekmine heeft het voortbestaan van structurele kleur in gedroogde of in epoxyhars ingesloten vormen aangetoond. Deze behouden hun kleur in de vorm van bacterially derived structural colour (BDSC). We zullen binnenkort manieren onderzoeken om het gedrag van flavobacteriën te beheersen en gaan ook de schaalbaarheid voor industriële toepassingen verkennen. We hopen dat ze een alternatieve manier zullen bieden om alledaagse voorwerpen kleur te geven en tegelijk de natuur te ontzien. Dan kunnen we misschien kleuren kweken – stel je eens voor!”