Кради как учёный: как человек берёт технологии у природы

27.03.2023
522

Люди заимствовали идеи у других живых существ на протяжении всей своей истории. Но только в середине XX века появилась наука, целенаправленно изучающая природные технологии — бионика. Тогда обычная прогулка учёного с собакой изменила жизнь миллионов людей. О том, как животные и растения помогают архитекторам, инженерам и даже врачам рассказал на лекции 9 декабря Илья Гомыранов — биолог, сотрудник Сколтеха, лауреат премии «За верность науке», выпускник биофака МГУ, автор нескольких научно-популярных бестселлеров.

Михаил ЛУЗИН

«Зверские» технологии в истории

«Воровать» у дикой природы люди начали довольно давно, — начал эксперт. — Это логично: на протяжении длительного времени природа могла позволить себе экспериментировать, ошибаться, но находить работающие решения. К примеру, способ изготовления бумаги жители Древнего Китая подсмотрели у насекомых. Бумажные осы строят домики из целлюлозных волокон — они жуют разрушенную древесину, смачивают её слюной, в результате волокна склеиваются и получается крафтовая бумага.

Самым известным изобретателем, который не раз обращался к дикой природе за вдохновением, был Леонардо да Винчи. Он был одержим идеей полёта и начал наблюдать за теми, кто уже освоил воздушное пространство: летучими мышами и птицами. Изучив принципы их полёта, Леонардо пытался делать орнитоптеры. До нас дошли несколько рисунков с их изображением, но, скорее всего, ни один из этих аппаратов не был в состоянии подняться в воздух.

Шерсть и репейник: рождение бионики

Систематическое изучение природных технологий часто сдерживали религиозные факторы. Рождение бионики как науки произошло только в 1955 году, и связывают его с именем Жоржа де Местраля.

Этот швейцарский изобретатель и заядлый охотник очень любил гулять со спаниелем по полям. Но после каждой прогулки был вынужден чистить своего питомца от налипшего репейника. Будучи инженером, он решил понять, каким образом плоды лопуха цепляются к шерсти. Больше 12 лет он изучал устройство корзиночки и возможность имитировать его при помощи материалов, доступных на тот момент. В 1955 году Жорж де Местраль запатентовал изобретение, известное сегодня всем: застёжку на липучке. Одна её часть подражает крючочкам лопуха, вторая — шерсти спаниеля.

Спустя 14 лет липучка оказалась на Луне — она стала ремешком наручных часов Нила Армстронга, первого человека, шагнувшего на поверхность другой планеты. После этого технология оказалась очень востребованной в космосе. Сегодня скафандры и даже целые отсеки МКС покрыты липучками: на них в условиях невесомости удобно цеплять предметы.

Биомимикрия и биомиметика

Заимствование природных технологий — как в примере с репейником и шерстью — называется «биомимикрией». Сегодня это большая наука, которая включает три области знания.

Во-первых, это собственно биомимикрия, прямое копирование. Во-вторых, биомиметика — создание материалов, которые имеют такие же свойства, как природные, но сделаны из чего-то другого. И в-третьих, bio-inspired — вдохновление природой. «Нам нравится початок кукурузы, и мы строим небоскрёб похожей формы», — описывает это направление Илья Гомыранов.

Эксперт рассказал о нескольких биомиметических стартапах, технологии которых выведены на рынок.

Киты и зимородки на службе человечеству

Инженеры компании Whale Power в начале 2000-х годов занялись изучением аэродинамики плавания китов. На плавниках этих животных есть характерные зубцы определённой формы и размера. Выяснилось, что эти выступы снижают сопротивление воды, и помогать киту при плавании тратить меньше энергии.

Компания Whale Power (переводится как «Сила кита» — ред.) перенесла эту технологию из воды в воздушную среду и снабдила китовыми зубцами лопасти ветряных электростанций в местностях, где сила ветра не постоянна. В результате те стали вырабатывать на 7% больше электроэнергии.

Следующий пример родом из Японии — компания скоростных поездов «Синкансэн» вместе с орнитологами решила проблему, которая мешала спать жителям соседних с магистралью домов. На трассе множество тоннелей, а поезда ходят очень быстро. Выезжая из тоннеля на скорости свыше 400 км/ч, состав издаёт громкий хлопок. Снизить звуковое давление помогли наблюдения за зимородками. У этой птички небольшого размера есть лишь доли секунды, чтобы нырнуть в воду и схватить рыбу. Если перья намокнут, она не сможет взлететь и погибнет. Чтобы этого не произошло, природа подарила зимородку длинный, узкий и прямой клюв. Благодаря ему, во время ныряния перья окружены воздушным пузырём.

Японские инженеры перенесли это свойство на «Синкансэн». С «клювом» форма поезда стала аэродинамически выгодной, и, выезжая из тоннеля, он издаёт звук, сопоставимый по громкости с хлопком в ладоши.

Бабочки, ящерицы и лотос — для автомобилей и небоскрёбов

Крылья бабочки из рода Морфо помогли компании Lexus изготовить и продать одну из самых дорогих моделей автомобиля. Её главным преимуществом стала краска, придающая корпусу особенно глубокий голубой оттенок.

— Дело в том, что в природе не существует голубого пигмента, — поясняет Илья Гомыранов. — Вся голубая краска, которую мы видим, — это отражение, дифракция и интерференция света. Крыло бабочки Морфо покрыто рёбрышками, чешуйками и перемычками, образующими сетку. Попадая на неё, пучок света распадается. Крыло становится голубым и не выцветает на солнце, в отличие от крыльев других бабочек.

Вдохновившись этим примером, инженеры Lexus добавили в свои красители отражающие свет частички. Краска стала голубой. Но для насыщенности цвета нужно было нанести на автомобиль от 7 до 12 слоёв, что значительно поднимало стоимость изделия.

Чтобы оправдать дороговизну, компания сделала переливающийся синей краской автомобиль ещё и самоочищающимся. Вторую технологию «украли» у лотоса и ящериц.

— В науке давно известен «эффект лотоса» — капельки воды никогда не растекаются по листу. Они остаются в виде шариков и скатываются, а лист остаётся сухим, — рассказывает биолог. — Для этого на поверхности листа есть маленькие шипики. Аналогичным образом все рептилии покрыты чешуйками, которые при увеличении выглядят как лес из шипов. И, если мы попробуем испачкать ящерицу, у нас не получится.

Компания Lexus сделала краску с выступающими структурками, которые делают автомобиль более чистым. Такую же технологию применяют в стёклах, и это очень выгодно для строительства больших небоскрёбов — их не надо постоянно мыть.

Робот-хобот и лунные копыта

Космическая отрасль сильно толкает вперёд развитие бионики. Есть животные, которые никогда не окажутся в космосе, но очень сильно повлияли на космические технологии.

Грунты на Луне и на Марсе очень похожи на поверхность земных пустынь. Они очень жёсткие и стирают любую резину довольно быстро. Это основная проблема, почему марсоходы и луноходы не могут проходить большое расстояние.

Японское космическое агентство готовит в 2023 году к запуску новый луноход. Компания Bridgestone изготовила для него специальные шины, которые позволят аппарату проезжать 32 километра за один раз — вдвое больше, чем могут существующие сегодня модели.

Идея шин была позаимствована у верблюда, а точнее, строения его копыт/ног. Копыта у верблюда впереди очень маленькие. Их ребристая роговая структура упирается в твёрдую поверхность грунта. Всё остальное — это большая жировая подушка с коллагеновыми волокнами. За счёт этого верблюд не проваливается в песок и может очень быстро ходить по пустыне.

То же самое применено и в шине — она сделана из тонких стальных волокон, которые переплетены в рыхлую пористую поверхность. Это позволяет колесу не проваливаться в грунт. Металл истирается меньше, чем резина, а значит, аппарат сможет проехать достаточно большое расстояние.

Неочевидный пример животного, которое повлияло на развитие космонавтики — жираф. Из-за высокого роста у него должны были бы отекать ноги. Этого не происходит благодаря дополнительным слоям более прочных мышц и эластичной коже на ногах, которая выполняет функцию компрессионных чулков.

Устройство ног жирафа скопировало NASA, чтобы сделать компрессионную одежду для МКС и выходов в открытый космос. Костюм BioSuit печатается на 3D-принтере индивидуально для каждого космонавта. Его главный секрет — нити-тяжи, которые особым образом сдавливают ногу, препятствуя отёчности.

Известная в научном сообществе компания Festo занимается разработкой бионических роботов. Один из этих роботов копирует хобот слона — одно из самых чувствительных устройств в природе. Слон может взять вишенку своим хоботом. В этом органе четыре тяжа мышц и на конце очень чувствительная складочка, похожая на наши губы.

Робот-хобот будет очень полезен в открытом космосе — он сможет манипулировать предметами гораздо эффективнее, чем космонавты. Рукой в перчатке космического скафандра брать что-то сложно, поэтому ко всем космическим предметам приделывают огромные ручки.

Акулы на медицинской службе

В медицине принципы бионики применяются не менее активно, чем в космонавтике. Например, стартап Sharklet вывел в массовое производство катетеры, спасающие тысячи жизней по всему миру. Принцип их устройства был «украден» у акул. У больших животных в океане есть проблема с паразитами. Киты за свою жизнь покрываются огромным количеством организмов: раков, кораллов, губок. И вынуждены постоянно очищаться, чтобы не утонуть под весом «пассажиров».

В отличие от китов, акулы всегда чистые. Почему? Их чешуя на ощупь как тёрка или наждачная бумага. Она устроена особым образом — на ней есть рёбрышки и микрорельеф, как у лотоса.

Казалось бы, причём здесь катетеры? Их изготавливают из пластика. Этот материал быстро начинают покрывать бактерии, которые становятся причиной сепсиса у пациентов реанимационных отделений. Компания Sharklet делает медицинский пластик, покрытие которого имеет рисунок из полосочек, подражающий чешуе акулы. Исследования показывают, что бактерий на его поверхности практически нет.

Как присосаться к стене

Множество животных обладают способностью лазать по стенам — мухи, пауки и даже такие ящерицы, как таиландские гекконы. Когда геккон прикрепляется к стене, там нет клея или слизи. Всё происходит за счёт межмолекулярного взаимодействия и электростатических сил. Лапка геккона покрыта громадным количеством щёточек, которые организованы в ровные ряды. При большом увеличении это напоминает зубную щётку, но только каждая нить щётки разветвилась ещё несколько раз, образовав своего рода «дерево». На конце каждый волосок расширен, как лопаточка.

В результате поверхность становится очень большой, и геккон просто «присасывается» к стене. Чтобы снять лапку со стены, он сначала отрывает кончики пальцев и уже затем всю лапку. Этот сложный механизм многократно пытались перенести во всевозможные сферы. Компания Festo сделала робота, у которого вместо волосков шипы, позволяющие ему передвигаться по любой поверхности. В компании хотят, чтобы он бегал по поверхности МКС и находил там повреждения.

Российско-американский учёный Андрей Гейм, который получил Нобелевскую премию за графен, разрабатывал скотч, основанный на том же принципе. Его небольшой кусочек размером 20 см способен выдерживать вес взрослого человека. Вдобавок эту сверх-липучку можно было использовать несколько раз. Но, рассказывает Илья Гомыранов, с этой разработкой что-то пошло не так, и эксперимент прекратился.

Тараканы-киборги спасают жертв землетрясения

Ещё одно важное направление бионики — создание микророботов. Область их применения — поиск людей среди завалов. Для решения такой задачи робот должен уметь уменьшаться в размерах, чтобы суметь проползти в узкую щель. Прототипом для создания такого робота стал таракан.

Каждый, кто пробовал раздавить таракана, знает, что это сложная задача. Их панцирь состоит из хитиновых пластинок, в которых жёсткие элементы сочетаются с более эластичными, что позволяет тараканам сплющиваться.

В 2020 году в Китае сделали металлического робота, который способен уменьшать свою толщину под воздействием электрического тока. На таракана он совсем не похож, но основан на схожем принципе. Робот настолько мал, что к нему невозможно прикрепить аккумуляторы, и ток подаётся через два провода.

Инженеры из стартапа RoboRoach пошли другим путём — на платформе Back Yard Brains они начали продавать наборы по превращению мадагаскарских тараканов в киборгов. Набор — это небольшой рюкзачок, из которого тянутся электроды, которые необходимо присоединить к усикам-антеннам таракана. При помощи мобильного приложения на электроды подаётся ток, под воздействием которого животное поворачивает вправо или влево.

У этой технологии в 2021 году появился пока что теоретический апгрейд — предлагается, чтобы движениями тараканов управлял не пользователь, а обучающаяся нейросеть. Также авторы идеи предложили дополнить «рюкзачок» микрокамерой разрешением 15 пикселей и термодатчиком.

Цель — научить нейросеть работать так, чтобы находить выживших под завалами. Если камера зафиксирует крупный объект с температурой 36 градусов, нейросеть даст команду двигаться в её сторону. Таким образом, на помощь людям придут не технологичные роботы, а старые верные тараканы.

Дятел и чёрные ящики

Результаты исследования дятлов помогли специалистам в проектировании чёрных ящиков для самолётов, которые должны сохраняться в целости после падения с высоты в 10 км. В тот момент, когда эта птица стучит клювом по дереву, она испытывает нагрузку больше, чем космонавты при выходе на орбиту. Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли, изучая голову и шею дятла, обнаружили, что они имеет четыре структуры, которые поглощают механический удар.

Это его жёсткий, но эластичный клюв: длина верхней и нижней части клюва различна, и эта асимметрия снижает нагрузку на мозг. Далее — жилистая, упругая структура языка, поддерживающая структуру подъязычной кости. Петлеобразная подъязычная кость проходит вокруг всего черепа и действует как «ремень безопасности». Равномерному распределению нагрузки при ударе и защите мозга способствуют наличие пластинчатых костей с губчатой структурой в разных точках черепа. Четвёртая структура, смягчающая мощь ударов, — способ взаимодействия черепа и спинномозговой жидкости для подавления вибрации.

Изучив досконально строение головы дятла и работу его противоударных систем, исследователи нашли искусственные аналоги для всех этих факторов и «по подсказке от дятла» воспроизвели амортизирующую систему для защиты микроэлектроники в чёрном ящике.

Самозаживляющийся асфальт

Идея создания самозаживляющихся материалов активно разрабатывается учёными в России. Так, в МФТИ был создан кремниевый материал, который мог бы стать заменой асфальту или бетону. Внутри него находятся специальные капсулы, которые при нагревании разрываются, и склеивают образовавшиеся в ходе эксплуатации материала микротрещины. К сожалению, работает это только один раз.

Чтобы «самозаживление» асфальта происходило многократно, учёные предлагают добавлять в его состав специальные бактерии. Они могут очень долго находиться в спящем состоянии, пока асфальт в порядке. Но когда через трещину в материал попадают вода и кислород, бактерии начинают размножаться и склеивать его, пока доступ воды и кислорода не прекратится.

Вентиляция от термитника

Термиты живут в пустыне и возводят посреди неё гигантские структуры высотой до 10 метров. Под воздействием прямых солнечных лучей термитники сильно нагреваются. Расчёты показывают, что температура внутри должна подниматься до 80 градусов Цельсия, убивая всё живое. Но на деле температура держится на уровне 35 градусов, что позволяет с комфортом существовать самому ценному жителю термитника — его царице.

Секрет заключается в особом устройстве системы вентиляции. Из центральной камеры отработанный горячий воздух поднимается вверх. На его место через микротрубочки засасывается новый воздух извне. У этих трубочек очень маленький диаметр отверстия, поэтому засасываемый воздух разгоняется и охлаждается. Подобную систему кондиционирования активно применяют в строительстве торговых центров в Африке — это бедные районы, где электричество нужно экономить.

Мурмурация: от пчёл и рыб к спутникам

Пчелиный рой, состоящий из нескольких тысяч особей, никогда не врезается в препятствия. Аналогичным образом гигантские стаи птиц обладают способностью синхронно поворачивать в нужную сторону. Это явление в биологии называется «мурмурация».

Математическую модель мурмурации применяет компания Илона Маска SpaceX. Она запускает в космос скопления спутников небольшого размера — 10 на 10 сантиметров, — называемых «кубсаты». При необходимости сменить курс сигнал подаётся на них практически одновременно, и спутники действуют слаженно, как стаи птиц или косяки рыб. А технологию оптического потока, которая позволяет нейросети управлять беспилотными летательными аппаратами, люди подсмотрели у муравьёв. Эти существа обладают способностью к счёту, запоминая количество поворотов и крупных объектов по дороге от муравейника до источника пищи. Они бегут и запоминают меняющие картинки по бокам, а обратный путь с добычей муравей, используя счёт и оптический поток, может оптимизировать до кратчайшего.

Пауки против космического мусора

Вокруг нашей планеты вращается огромное количество обломков ракет и спутников. Это большая проблема для безопасности космических полётов. Решение подсмотрели у паука вида Deinopis subrufa. Эти пауки не строят большую сеть, а плетут маленькую сеточку между своих лапок. И накидывают её на жертву, когда та проползает мимо.

В 2022 году NASA запустило экспериментальный космический аппарат, который работает на том же принципе. Когда он подлетает к скоплению мусора, он выстреливает гарпуном в самый крупный фрагмент. Когда в сетку набирается большое количество других фрагментов, она особым образом затягивается. Затем аппарат резко дёргает вниз, и эта куча мусора летит в атмосферу и там сгорает.

Украсть у природы всё невозможно

Последний проект, на котором остановился Илья Гомыранов, — это попытка создания искусственной замкнутой экосистемы для колонизации Марса и других планет. Идея разрабатывалась в Советском Союзе, а в США она обрела практическое воплощение.

Проект под названием «Биосфера-2» проводился в 1991–1994 годах. Двенадцать участников эксперимента поселили в полностью изолированном от внешней среды комплексе площадью несколько гектаров. Здесь была гигантская теплица с тропическим лесом, зоны океана и саванны, сюда подселили определённые виды животных и растений. Вода и кислород внутрь не поступали.

Проект закончился провалом. Во-первых, начались психологические проблемы у обитателей «Биосферы-2». Во-вторых, пошли сбои в работе экосистемы: какие-то организмы размножались слишком быстро, другие, наоборот, полностью погибли. Климат стал очень влажным, а главное, падал уровень кислорода.

В 1993 году, когда уровень кислорода упал до критических значений, эксперимент прекратили. В 1994-м его запустили ещё раз на несколько месяцев в надежде понять, что же было сделано не так. На этот раз внутрь уже подавали воду и кислород. Но понять все тонкие связи в экосистеме учёные так и не смогли, поэтому проект закрыли и впоследствии продали под аграрный комплекс.

Подводя итоги своей лекции Илья Гомыранов отметил, что бионические технологии решают огромное количество проблем — нехватка воды, разработка новых материалов, оптика, терморегуляция и так далее. В мире зарегистрированы десятки стартапов, которые занимаются бионикой. Часть из них находится на стадии разработки, а многие результаты научной работы уже выведены на рынок. Бионикой также занимается огромное количество научных институтов, в том числе в России — Институт бионических технологий и инжиниринга. Таким образом, это направление науки, несмотря на свою молодость, является одним из самых востребованных и эффективных.

ФОТО: ЛЮБОВЬ КАБАЛИНОВА

ИСТОЧНИК: ЕЛЬЦИН ЦЕНТР https://yeltsin.ru/news/kradi-kak-uchyonyj-kak-chelovek-beryot-tehnologii-u-prirody/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *