Di balik kesan rapuh, banyak struktur alami justru sangat efisien. Tulang ayam, sarang lebah, dan cangkang laut menunjukkan cara alam membangun kekuatan tanpa memikul bobot berlebih.
Pola itu kini mulai diadopsi industri lewat pencetakan 3D. Dengan teknologi ini, insinyur bisa membuat bagian yang berisi ruang-ruang kosong terkontrol, bukan blok padat yang berat dan boros material.
Pada tulang ayam, bagian dalam bukan massa putih solid. Di sana ada jaringan kecil menyerupai spons, lengkap dengan strut, pilar, dan rongga udara yang menyusun kekuatan dari dalam.
Struktur seperti itu membantu sayap burung menahan angin kencang sambil tetap cukup ringan untuk terbang. Alam hampir tidak pernah membangun dengan balok penuh, karena pola berpori lebih efektif untuk menyeimbangkan kekuatan dan bobot.
Manusia lama mengagumi efisiensi ini. Sarang lebah memakai lilin sesedikit mungkin untuk menyimpan madu sebanyak mungkin, sedangkan spiral di dalam cangkang laut membantu menahan tekanan penghancur.
Namun, selama berabad-abad, industri sulit meniru desain seperti itu. Manufaktur tradisional umumnya bersifat subtraktif, yakni memotong material dari blok logam besar, atau formatif, yakni menuang plastik cair ke dalam cetakan.
Kedua metode itu tidak mudah membentuk interior mirip spons yang tersembunyi di balik kulit luar yang solid. Akibatnya, jika sebuah komponen ingin dibuat lebih kuat, pilihan paling umum adalah membuatnya lebih tebal dan lebih berat.
Pendekatan itu sering tidak efisien. Material terbuang lebih banyak, dan produk yang dihasilkan juga lebih berat sehingga butuh energi lebih besar untuk diangkut.
Perubahan mulai terjadi ketika manufaktur aditif matang dan berkembang dari alat prototipe menjadi kekuatan industri. Teknologi yang pertama kali dipatenkan pada 1980-an itu benar-benar melesat dalam satu dekade terakhir ketika mampu menghasilkan komponen jadi untuk sektor berisiko tinggi seperti kedirgantaraan dan layanan kesehatan.
Berbeda dari proses pemotongan, printer 3D membangun objek lapis demi lapis. Plastik atau serbuk logam ditempatkan hanya di lokasi yang dibutuhkan berdasarkan file digital.
Cara kerja itu membuka bidang baru dalam ilmu material yang berfokus pada mesostruktur. Mesostruktur adalah arsitektur internal di antara skala atom dan bentuk luar benda, termasuk pola udara dan material yang tersembunyi di dalamnya.
Perbedaan itu mirip perbandingan antara bata padat dan rangka besi Menara Eiffel. Keduanya kuat, tetapi yang satu membutuhkan jauh lebih sedikit material karena ruang kosongnya diatur dengan cermat.
Di ruang desain baru inilah produk bioinspiratif mulai masuk ke kehidupan sehari-hari. Pada industri sepatu, sol beberapa sepatu lari kelas atas kini memakai struktur kisi seperti anyaman, bukan busa padat.
Desain cetak itu meniru pegas alami dan distribusi beban pada struktur berpori di alam. Hasilnya, performa bisa diatur lebih tepat dibandingkan busa padat biasa.
Prinsip yang sama juga dipakai untuk perlindungan kepala. Pelapis helm sepeda dan helm football mulai mengganti bantalan busa tradisional dengan kisi hasil cetak 3D.
Struktur kecil berulang itu dirancang untuk menekuk lalu memantul kembali. Mekanisme tersebut membantu menyerap energi lebih efisien, serupa dengan tulang berpori di dalam tengkorak yang melindungi otak.
Penelitian di bidang ini juga mencari aturan yang dipakai alam untuk membangun benda kuat. Pada cangkang laut, misalnya, susunan seperti tembok bata dengan blok mineral keras dan lapisan tipis perekat lentur membuat retakan sulit menyebar.
Dengan komputer, para peneliti bisa menghancurkan ribuan desain virtual untuk melihat kapan dan bagaimana struktur gagal. Neural network juga dipakai untuk mencari pola terbaik dalam penyerapan energi.
Hasil studi menunjukkan desain bergelombang bisa sangat efektif jika ketebalan garis dan jumlah putarannya diatur dengan tepat. Kombinasi itu memungkinkan produk gagal secara bertahap dan aman, mirip zona crumple di bagian depan mobil.
Pemahaman semacam ini memberi kendali yang lebih presisi kepada insinyur. Dalam satu komponen cetak yang utuh, satu area bisa dibuat kaku sementara area lain tetap fleksibel sesuai kebutuhan fungsi.
Dari sisi lingkungan, pendekatan ini dinilai penting karena meniru prinsip hemat alam. Dengan “mencetak udara” ke dalam struktur internal, pabrikan dapat memakai jauh lebih sedikit bahan baku tanpa kehilangan kekuatan yang dibutuhkan.
Seiring pencetakan 3D industri menjadi lebih cepat dan lebih murah, manufaktur diperkirakan makin menjauh dari era blok padat. Di saat yang sama, industri semakin dekat pada efisiensi elegan yang sudah lama dipraktikkan dunia biologis.
