Что такое биомимикрия
Имитация природы для решения человеческих задач известна как биомимикрия или биомиметика. Это изучение натуральных систем, процессов и элементов для поиска идей новых изобретений, помогающих людям решать различные проблемы.
Одним из самых известных изобретений с использованием биомимикрии является самолет. Уже в 1505–1506 годах Леонардо да Винчи спроектировал летательный аппарат, который махал крыльями. С тех пор люди усовершенствовали его конструкцию, создав крыло самолета, которое до сих пор функционирует подобно крыльям птиц. Самолет стал первым, но не единственным изобретением, вдохновленным природой.
Липучка и репейник
В 1941 году швейцарский инженер-электрик Жорж де Местраль отправился на охоту в Альпы и заметил, что его одежду и шерсть собаки покрыли колючки лопуха. Механизм цепляния за проходящих мимо существ — способ, с помощью которого лопух распространяет семена на большие расстояния и размножается.
Местраль решил изучить колючки под микроскопом и обнаружил простые крючки, которые и позволяют растению цепляться за петли в ткани одежды и собачьей шерсти. Спустя десять лет, после бесчисленных экспериментов с крючками и петлями из различных материалов, изобретатель получил патент на новую тканевую застежку, известную миру как липучка.
Геккон и присоски
Про гекконов — цепколапых ящериц — говорят, что они бросают вызов гравитации в своем умении зависать на одной лапе на отвесных поверхностях и даже на потолке. С внутренней стороны их лапы покрыты крошечными щетинками. Секрет этого природного механизма до сих пор не раскрыт учеными до конца, однако им удалось установить, что волоски гекконов держат сцепление за счет липкой силы Ван-дер-Ваальса — она работает только в микроскопических масштабах. Под действием этой силы получается обратимое, сильное сцепление. По подобию кожи геккона инженерам удалось создать аналогичные щетинки из силикона, а затем и другие вариации этого механизма. Среди них — устройство, с помощью которого человек может взбираться на отвесную стеклянную стену, роботы, способные тянуть объекты, в сотни раз превышающие их собственный вес, а также строительные захваты для транспортировки стекол.
Еще одна разработка — механический робот будущего под названием Lemur. Его конечности созданы по образцу лап геккона. Планируется, что робот сможет осматривать и обслуживать установки на Международной космической станции (МКС), а также помогать астронавтам в уборке фрагментов плавающего космического мусора.
Китовый плавник и ветряная турбина
Рассматривая статуэтку кита в сувенирном магазине, биолог Фрэнк Фиш заметил выпуклости вдоль плавников и предположил, что создатель фигурки млекопитающего ошибся. Ведь вместо того, чтобы выступать из задней кромки плавников, выпуклости проходили вдоль передней кромки. Фиш провел исследование и оказалось, что скульптор был прав: на плавниках кита действительно расположены несколько бородавчатых гребней. Во время плавания они создают крошечные вихри, которые помогают млекопитающему рассекать воду, и это объясняет удивительную ловкость горбача.
Изучив этот эффект, Фиш пришел к выводу, что добавление рядов выпуклостей к лопастям турбин может снизить сопротивление и шум, а также повысить их эффективность. Так кит вдохновил инженеров на разработку новой формы лопастей турбин и дал название компании, которая их производит, — WhalePower Corporation.
Акулья кожа и самолеты
Стремясь сократить расход самолетного топлива, инженеры авиакомпании Lufthansa и крупнейшего производителя химикатов в мире BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik) разработали материал, который имитирует водоотталкивающие свойства акульей кожи. Поверхность рыбы-хищника покрыта миллионами «ребер», формирующих геометрию ее поверхности таким образом, что акула потребляет меньше энергии при движении.
Применяя тот же принцип в авиации, инженеры создали аналогичную «кожу» для самолетов в виде тонкого прозрачного покрытия с миллионом ребер высотой 50 микрометров. Это покрытие назвали AeroShark. Благодаря его нанесению на поверхность самолета получается уменьшить лобовое сопротивление и улучшить аэродинамические свойства, а это, в свою очередь, позволяет снизить расход топлива.
Скоростной поезд и птичий клюв
При выходе из туннеля сверхскоростного пассажирского поезда слышен сильный шум. Это происходит из-за высокого давления воздуха, который накапливается перед носом локомотива. Японский инженер Эйдзи Накацу решил эту проблему благодаря своим наблюдениям за зимородками — птицы могут нырять в воду с едва заметным всплеском.
Накацу сконструировал модель сверхскоростного поезда «Синкансэн» (что в переводе с японского означает «пуля»), его нос повторяет форму клюва зимородка. Так «Синкансэн» стал заметно более тихим по сравнению с другими скоростными поездами, а его движение — более аэродинамичным, что обеспечило более высокую скорость и позволило потреблять меньше энергии.
Кленовое семя и летательные аппараты
В природе можно наблюдать, как осенью семена кленов падают на землю, перед этим вращаясь в воздухе как бесшумные однокрылые вертолеты. Конструкция семени напоминает ротор, а создаваемая вращением подъемная сила позволяет ему улететь намного дальше от дерева.
Lockheed Martin Corporation — американская аэрокосмическая, военная, оборонная, информационная и технологическая корпорация, адаптировала эту конструкцию для беспилотного летательного аппарата с одним ротором. В его дизайне всего две движущиеся части, поэтому его можно легко уменьшить. Компактный, легкий и относительно недорогой в производстве геликоптер смогут использовать полицейские, например, для проверки зданий и оперативного поиска нарушителей.
Гепард и длинноногие роботы
Американское ведомство DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) разработала серию четвероногих роботов, дизайн которых основан на строении тела гепарда. Изобретение представляет собой четвероногого робота с гибким позвоночником и поворачивающейся головой, обладающего способностью быстро передвигаться по различным ландшафтам. Роботы функционируют согласно алгоритму быстрой моторной адаптации (RMA), который позволяет им оперативно приспосабливаться к меняющейся местности. Используя алгоритм RMA и проприоцептивную обратную связь (ощущение собственного движения и положения тела), роботы успешно перемещаются по ряду как реальных, так и смоделированных ландшафтов. Умение адаптироваться к местности в режиме реального времени помогает четвероногим роботам при переноске грузов.
Сотрудники NASA работают над созданием шестиногого робота под названием Athlete (All-Terrain Hex-Legged Extra-Terrestrial Explorer). Робот снабжен колесом на конце каждой конечности. Благодаря этому Athlete может легко ехать, а при столкновении с препятствием блокировать колеса и перешагивать мешающий движению объект.
Термитники и вентиляция
Архитектор Мик Пис спроектировал энергоэффективные здания в Зимбабве и Австралии, которые копируют некоторые функции климат-контроля, которыми обладают термитники. Насекомые строят свои насыпи с пассивной системой охлаждения, используя ряд вентиляционных отверстий сверху и по бокам. Ветер выдувает горячий воздух из подземных камер наружу, через вентиляционные отверстия. Термиты могут даже контролировать поток воздуха, открывая или блокируя туннели. Несмотря на колебания температуры окружающей среды (в Африке амплитуда может достигать 42 °C), в термитниках температура остается постоянной.
Мик Пирс использовал эту стратегию при проектировании Истгейт-центра, офисного комплекс в Хараре, Зимбабве. В девятиэтажном многофункциональном здании не используется активная система отопления и охлаждения для регулирования температуры. Теплый воздух выходит через ряд дымоходов в верхней части комплекса, а холодный поднимается из-под земли. В жару здание остается прохладным без искусственного кондиционирования воздуха и благодаря этому использует только десятую часть энергии, расходуемой обычным зданием такого же размера.
Шелк паука и безопасное стекло
Шелк паука в пять раз прочнее стали и может растягиваться в несколько раз. В течение многих лет ученые безрезультатно пытались искусственно воспроизвести этот материал. Калифорнийский стартап Bolt Threads добился успеха в этом направлении, создав искусственное волокно Microsilk. Его производят генетически модифицированные микроорганизмы, которые могут изменять свои свойства для создания различных типов волокон, имитируя естественный процесс пряжи протеинов шелка пауками.
Полученный материал по своим свойствам прочнее нейлона и более гладкий, чем хлопок. Его уже активно используют для производства легкой, мягкой и прочной одежды. Производители планируют расширить производство и применять новую ткань во множестве других сфер. Например, для изготовления биоразлагаемых предметов или разработки улучшенных пуленепробиваемых жилетов.
Еще одна особенность паучьего шелка — способность отражать ультрафиолетовые лучи. Инженеры немецкой компании Arnold Glas использовали это свойство, чтобы создать защитное стекло для зданий. Инновация снизила процент смертности среди птиц: пернатые часто врезаются в окна, поскольку им сложно распознать прозрачную поверхность стекла. Птицы могут видеть и идентифицировать отражающие нити пауков и таким образом избегать столкновения.