7 гениальных технологий из природы

Законы природы одинаковы для всех — этот тезис лежит в основе технических решений, придуманных благодаря наблюдениям за окружающим миром. Люди изобрели немало вещей, просто глядя на животных: например, для ловли рыбы начали плести сети, как пауки, и сконструировали самолеты, потому что мечтали подняться в небеса подобно птицам. Таких примеров можно привести немало.

Всерьез изучать живую природу с целью заимствования технических решений начали только лишь в ХХ веке.

В 20-х годах профессор А.А. Богданов написал работу «Тектология», в которой предположил, что все механизмы деятельности человека и окружающей его природы имеют одинаковые принципы. Бионика, сформировавшаяся ко второй половине века, реализовала эту мысль в наиболее прикладном виде — «подглядывая» конкретные процессы у живых существ для реализации их в технике. Сегодня бионика позволяет значительно сэкономить время на разработку и проверку эффективности технических решений.

Другой эффект бабочки

Изобретение электронных чернил сделало чтение книг значительно удобней. Но их недостатком является отсутствие цветов. Компания Qualcomm MEMS Techno­logies подсмотрела принцип создания цвета на крыльях бабочки: дифракционное разложение света на тонких элементах с получением нужных цветов в зависимости от размеров зазоров между чешуйками крыла по отношению к длине световой волны.

Таким образом родилась технология Mirasol — электронные чернила с яркими насыщенными цветами и высокой скоростью реакции. Пока она продемонстрирована лишь на прототипах, однако вскоре обещает появиться на повседневных устройствах. При этом за счет высокой скорости реакции ее применение не ограничится электронными книгами.

В акульей шкуре

Некоторые технологии ученым было бы чрезвычайно трудно придумать самостоятельно. Например, исследуя акул, они обнаружили удивительный механизм, позволяющий предохранять поверхность тела от заражения бактериями. Оказалось, что микроскопическая структура поверхности кожи акул имеет особую шероховатость, неприятную бактериям. Повторив рисунок с акульей шкуры в искусственных условиях, ученые выяснили, что данный механизм отлично справляется с предохранением поверхности от размножения на ней бактерий, причем без применения каких-либо антибиотиков или токсичных веществ.

На основе данной технологии планируется создание специальных покрытий для поручней и прочих поверхностей, с которыми человек контактирует в общественных местах. Таким образом ученые рассчитывают значительно сократить распространение болезнетворных бактерий. Не помешает такая «кожа» и чехлам современных гаджетов (например, смартфонам), ведь сегодня человек не расстается с ними ни дома, ни на улице.

Бионический рой

При изучении микромира перед учеными встает проблема взаимодействия с мельчайшими объектами. Тут обычные инструменты уже не подходят — даже автоматизированные системы не способны обеспечить нужную точность движений. Наиболее подходящим решением могли бы стать микроскопические роботы.

Однако это не так просто, ведь в столь малые габариты необходимо поместить не только механику, но и логическую систему управления, что еще сложней. Существенно приблизиться к решению данной проблемы помогли исследования поведения коллективных насекомых, таких как пчелы. Если не удается поместить интеллект в одного робота — нужно разделить его на целый рой роботов.

Инженеры университета Линкольна в Англии разработали Colias — автономных микро­роботов, способных повторять поведение пчелиного роя, когда они собраны в большом количестве. В будущем такое решение найдет самое широкое применение, от медицины до производства микроэлектроники.

Взгляд мухи

Глаза мухи уникальны тем, что обеспечивают обзор практически всего пространства вокруг насекомого. Эту идею взяли на вооружение инженеры из Университета Пенсильвании, только они решили с помощью такой структуры не принимать свет со всех сторон, а излучать его.

Например, набирающие все большую популярность светодиоды имеют один существенный недостаток: световой поток от них узконаправлен, это затрудняет создание осветительных приборов, так как чаще всего нам нужен не узкий луч фонарика, а рассеянный мягкий свет. Включение же рассеивающего слоя неизбежно снижает эффективность всей лампы.

Применив гексагональную фасеточную структуру глаза мухи к микроскопической конфигурации светодиодов, можно получить уникальные устройства, дающие равномерный свет по всей полусфере. В технологическом процессе создания фасеточного светодиода ученые воспользовались настоящими глазами насекомых, покрыв их слоем соединения алюминия (900 нм). Позднее были созданы синтетические матрицы, позволяющие воссоздать аналогичный процесс.

Уроки скрытности от насекомых

Ученые уже давно бьются над созданием камуфляжа, который способен адаптироваться под окружающую среду, повторяя ее цвет. Идеальным примером такого материала является кожный покров некоторых осьминогов. Эти удивительные морские животные умеют быстро менять цвета, чтобы скрыть свое присутствие от хищников и потенциальной добычи. Специалисты Университета Райса (Хьюстон) решили испробовать бионический подход для решения данной задачи.

Ученые обнаружили на коже осьминогов белки того же типа, что и в сетчатке глаза: распределенные чешуйки дают возможность дифракционно преломлять свет, получая нужный оттенок. Инженеры решили воссоздать эту структуру, разместив на поверхности полимера сетку из алюминиевых нанотрубок, смещаемых по поверхности магнитным полем и связанные с ними светочувствительные детекторы CMOS-типа. Так, адаптивный камуфляж может появиться в реальной жизни совсем скоро.

Идеальный нюх

Несмотря на прогресс в развитии детекторов химических веществ, сегодня по-прежнему самым надежным методом поиска взрывчатки или наркотиков остаются собаки. Эти животные обладают нюхом, многократно превосходящим возможности самых лучших образцов промышленных детекторов. Однако устройство носа собак непостижимо сложное, поэтому ученые из Страсбургского университета нашли в природе более подходящий прототип. Им оказался обычный шелкопряд, чьи усы также обладают поразительной чувствительностью.

Их микроскопическое устройство позволяет значительно увеличить потенциальную площадь контакта с молекулами детектируемого вещества. Воссоздав этот уникальный механизм с помощью силиконовой матрицы и нанотрубок из диоксида титана, инженеры смогли разработать детектор тринитротолуола, по своим характеристикам в четыре раза превосходящий существующие до этого образцы. Внедрение такого детектора в массовое производство даст возможность оснастить аэропорты, вокзалы и прочие места массового скопления людей не бесполезными рамками металло­искателей, а действительно необходимыми и функциональными средствами противодействия террористам.

Механические животные

Заставить роботов шагать — задача не из легких. Человек во время ходьбы не замечает, как много мышц и нервных окончаний задействовано в таком интуитивном действии. С роботами все гораздо сложней, так как необходимо полностью понимать механику движения, чтобы не только обеспечить устойчивость каждого шага, но и оптимизировать работу всех составляющих. И в решении этой проблемы, конечно, не обойтись без бионики: инженеры Массачусетского технологического университета подробно изучили устройство конечностей гепарда, чтобы сформировать идеальную конфигурацию ног.

Очевидно, что выбор животного-прототипа был не случаен: гепарды демонстрируют лучшие показатели скорости среди всех животных на Земле, вызывая зависть у роботостроителей по всему миру. Скопировав устройство костей и связок и заменив мышцы сервоприводами, инженеры получили весьма бодро скачущего робота, причем буквально: механический гепард способен не только перемещаться шагая, но и перепрыгивать через препятствия. Осталось только подсмотреть у природы, где брать энергию для всех этих сложных движений.

 

Текст: Сергей Яковлев; Фото: Emmanuelle Guillou, studio5050, Ocean spirit, tomatito26, Oleksandr Delyk, jeffy1139/Fotolia.com; Legion-Media; Biomimetic Robotics Lab/Massachusetts Institute of Technology; Qualcomm Technologies, Inc.; University of Lincoln; Sharklet Technologies, Inc.; J. Olson/Rice University; Tachi Laboratory; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA