10 технологий, которые мы подсмотрели у животных - 19 Сентября 2013

Люди уже много лет подсматривают новые идеи у матушки-природы. Застежки-липучки появились на одежде благодаря загнутым колючкам чертополоха, а первые отражатели света на автомагистралях мы скопировали с кошачьих глаз. Но сегодня наука, занимающаяся копированием природы и известная под названием биомиметика (бионика), превратилась в отрасль с многомиллиардными капиталами. Вот некоторые из наших любимых технологий, которые пришли к нам из дикой природы.

1. Акулья кожа — последнее повальное увлечение изготовителей катетеров

Больницы постоянно озабочены микробами и бактериями. Как бы часто врачи и медсестры ни мыли руки, они все равно непреднамеренно переносят бактерии и вирусы от одного пациента к другому. Каждый год от инфекций, подхваченных в больницах, умирают 100000 американцев. Но акулам как-то удается оставаться абсолютно чистыми на протяжении ста с лишним миллионов лет. И благодаря им инфекция сегодня вполне может последовать путем динозавров.

В отличие от других крупных морских созданий, акулы не собирают на своем теле ил, водоросли и всяких рачков и ракушек. Это явление заинтриговало в 2003 году инженера Тони Бреннана (Tony Brennan), пытавшегося создать более эффективную краску для кораблей ВМС, предотвращающую обрастание их корпусов ракушками. Подробно исследовав акулью кожу, он обнаружил, что все тело акулы покрыто крошечными и бугристыми чешуйками, подобно ковру из миниатюрных зубов. Водоросли и рачки не могут за нее зацепиться, равно как и противные бактерии, такие как кишечные палочки с золотистым стафилококком.

Исследования Бреннана воодушевили компанию Sharklet, которая начала размышлять над тем, где можно использовать идею акульей кожи для изготовления покрытий, отпугивающих микробов. Сегодня эта компания производит по образу и подобию акульей кожи пластиковый оберточный материал, который в настоящее время проходит испытания в больницах на поверхностях, которых люди касаются чаще всего (выключатели, клавиатуры, дверные ручки). Похоже, что пока этот материал вполне успешно отражает атаки микробов. А у компании, между тем, появились более обширные планы. Следующий проект Sharklet предусматривает создание пластиковой обертки, которая защитит еще один частый источник инфекции — катетер.

2. Летучая мышь на службе у незрячих

Это похоже на начало плохого анекдота: встретились в кафе специалист по головному мозгу, биолог, изучающий летучих мышей, и инженер. Но именно так оно и было, когда случайная встреча умов в университете Лидса привела к изобретению «ультратрости» для незрячих людей, которая начинает вибрировать при приближении к объекту.

Трость работает по принципу эхолокации. Такую же сенсорную систему используют летучие мыши, распознавая объекты окружающей среды. Трость испускает 60000 ультразвуковых импульсов в секунду, а затем прислушивается к отраженному эху. Когда одни импульсы возвращаются быстрее других, это указывает на оказавшийся неподалеку объект, и тогда рукоятка трости начинает вибрировать. При помощи такого метода трость не только «видит» объекты на земле, такие как мусорные урны и пожарные гидранты, но и «замечает» предметы над поверхностью земли, такие как низко висящие знаки и ветви деревьев. А поскольку издаваемые тростью сигналы и их отражение беззвучные, пользующиеся ею люди слышат все, что происходит вокруг них. Хотя «ультратрость» не пользуется звездным успехом на рынке, некоторые компании в США и в Новой Зеландии пытаются сейчас придумать, как можно рекламировать аналогичные устройства, в которых используется технология эхолокации летучих мышей.

3. Лобовая часть поезда, позаимствованная у птиц

Когда в 1964 году был построен первый японский «поезд-пуля», получивший название «Синкансэн», он мог мчаться со скоростью 190 километров в час. Но у него был весьма неприятный побочный эффект. Всякий раз, когда такой поезд выезжал из тоннеля, раздавался громкий хлопок, и пассажиры жаловались на неуловимое ощущение того, что поезд сплющивается.

Тогда за дело взялся инженер и любитель птиц Эйдзи Накацу (Eiji Nakatsu). Он выяснил, что поезд толкает перед собой воздух, создавая стену ветра. Когда эта стена ударяется о воздух за пределами тоннеля, возникает громкий звук, а поезд испытывает колоссальное давление. Изучив проблему, Накацу решил, что поезд должен входить в тоннель, разрезая воздух подобно ныряльщику, который без брызг входит в воду во время прыжка. Вдохновение Накацу почерпнул у ныряющей птички зимородка. Зимородок, живущий в ветвях деревьев высоко над поверхностью рек и озер, ныряет в воду и ловит там рыбу. Его клюв, имеющий форму ножа, разрезает воздух, когда зимородок камнем падает в воду — причем практически без брызг.

Накацу поэкспериментировал с различными конфигурациями лобовой части поезда и пришел к выводу, что форма клюва зимородка является практически оптимальной. Сегодня у японских высокоскоростных поездов длинная, похожая на птичий клюв лобовая часть, которая помогает им тихо и спокойно выезжать из тоннелей. Реконструированные таким образом поезда стали ездить на 10% быстрее, а расход топлива у них снизился на 15% по сравнению с предшественниками.

4. Тайная сила плавников

Один ученый считает, что нашел способ частичного разрешения энергетического кризиса — глубоко в океане. Фрэнк Фиш (Frank Fish), являющийся специалистом по гидродинамике и работающий морским биологом в Уэст-Честерском университете, штат Пенсильвания, заметил нечто невероятное в плавниках горбатых китов. У горбача на передней части грудных плавников имеются бугры размером с небольшой мяч, которые разрезают воду и позволяют киту с легкостью скользить в толще океана. Но по правилам гидродинамики эти бугры должны создавать гидродинамическое сопротивление, мешая плавникам делать свою работу.

Профессор Фиш решил изучить этот вопрос. Он поместил 4 метровый макет плавника в аэродинамическую трубу и увидел, как тот опроверг наши представления о законах физики.

Эти бугры сделали плавник еще более аэродинамичным. Оказывается, бугры размещены на нем таким образом, что расчленяют воздух, проходящий через плавник, подобно зубьям расчески, когда мы расчесываем ею волосы. Открытие Фиша, называемое сегодня «бугорковым эффектом», действует не только в воде, но и в воздухе на крыльях у птиц и на лопастях вентиляторов.

Основываясь на своих исследованиях, Фиш сконструировал лопасти с бугорками для вентиляторов, которые разрезают воздух на 20 процентов эффективнее обычных. Он создал компанию Whalepower для их изготовления и скоро начнет лицензировать свою энергоэффективную технологию, повышающую производительность вентиляторов на промышленных предприятиях и в офисах по всему миру. Но главная фишка Фиша это ветроэнергетика. Он считает, что если установить всего несколько бугорков на лопасти ветряных турбин, это станет революцией в отрасли, и ветер обретет огромную ценность.

5. По воде аки посуху: роботизированная ящерица-Иисус

Шлемоносного василиска не зря называют ящерицей-Иисусом. Он может ходить по воде. Точнее, бегать. Аналогичный трюк исполняют многие насекомые, однако делают они это благодаря своему малому весу, которого недостаточно для того, чтобы преодолеть силу поверхностного натяжения воды и погрузиться в воду. А василиск намного крупнее, и на поверхности он держится благодаря тому, что быстро перебирает лапками, ударяя ими по поверхности воды под нужным углом, из-за чего его тело поднимается над водой, и ящерица бежит вперед.

В 2003 году профессор Метин Ситти (Metin Sitti) вел в Университете Карнеги — Меллон занятия по робототехнике, изучая при этом механику мира природы. Приводя в качестве примера странной биомеханики ящерицу-Иисуса, он внезапно решил создать робота, чтобы тот выполнил такой же трюк.

Сделать его оказалось непросто. Моторчики, приводящие в движение робота-ящерицу, надо было сделать сверхлегкими, а его лапки должны были каждый раз касаться воды с идеальной точностью, снова и снова. После долгих месяцев работы Ситти со студентами все-таки смастерил первого робота, способного бегать по воде.

Но робот-Иисус нуждается в доработке. Это механическое чудо время от времени заваливается на бок и тонет. Но когда все неполадки и недочеты будут устранены, у машины, передвигающейся по суше и по воде, может появиться блестящее будущее. Ее можно будет использовать для контроля качества воды в водоемах и даже для спасения людей во время наводнений.

6. Магическая морская губка

Оранжевая морская губка не представляет собой ничего особенного. Она похожа на мяч из поролона, лежащий на морском дне. У губки нет ни отростков, ни органов, ни пищеварительного тракта, ни кровеносной системы. Он просто лежит целыми днями на дне и процеживает воду. И тем не менее, это непритязательное создание может стать катализатором очередной технической революции.

«Скелет» этой круглой губки представляет собой каркас из кальция и кремния. Он похож на тот материал, который мы используем для изготовления солнечных панелей, микрочипов и батареек. Но когда человек делает все эти вещи, он расходует огромное количество энергии и самые разные ядовитые химикаты. У губки это получается намного лучше. Она просто выбрасывает в воду особые ферменты, извлекая из нее кальций с кремнием, а затем строит из этих материалов точные фигуры.

Профессор Дэниел Морс (Daniel Morse), преподающий биотехнологию в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, изучил процесс выработки ферментов губками, а в 2006 году успешно воспроизвел его. Он уже изготовил несколько электродов, применив эту чистую и эффективную технологию губок. А сейчас несколько компаний создают объединение с многомиллионным капиталом в целях серийного изготовления подобной продукции. Пройдет несколько лет, и когда солнечные панели появятся в Америке на каждой крыше, а микрочипы будут продавать за гроши, не забудьте поблагодарить маленькую оранжевую губку, благодаря которой все это началось.

7. Рогохвосты — они знают, как надо сверлить

Не бойтесь двух гигантских, похожих на штыри игл на кончике брюшка рогохвоста. Это не жало, это сверло. Рогохвосты пользуются этими иглами (которые иногда длиннее их тела!), чтобы сверлить деревья и проникать вовнутрь, где они откладывают личинок.

Долгие годы биологи не могли понять, как работает бур у рогохвоста. В отличие от обычного сверла, которое требует дополнительного усилия (вспомните строителя с отбойным молотком), рогохвост может сверлить древесину под любым углом, не прилагая при этом особых усилий. После многолетних исследований ученые наконец поняли, что штыри вгрызаются в древесину, отталкиваясь друг от друга и усиливая друг друга подобно застежке-молнии.

Британские астрономы из Университета Бата считают, что сверло рогохвоста пригодится в космосе. Они давно уже знают, что в поисках жизни на Марсе им может понадобиться бурить его поверхность. Но поскольку сила тяжести там невелика, они не уверены в том, что сумеют найти достаточное усилие, чтобы пробурить твердую поверхность красной планеты. Пользуясь примером насекомых, исследователи сконструировали пилу с дополнительными полотнами на конце, которые отталкиваются друг от друга подобно штырям рогохвоста. Теоретически это устройство сможет работать даже на поверхности метеорита, где вообще нет никакой силы тяжести.

8. Посмотрите в глаза лобстеру

Рентгеновские аппараты не без причины такие большие и громоздкие. В отличие от видимых лучей, рентгеновские лучи не любят преломляться, и ими трудно управлять. Единственный способ для сканирования чемоданов и сумок в аэропортах и людей в кабинете врача — это на короткое мгновение облучить объект потоком радиации. А для этого нужен огромный аппарат.

А у лобстеров, живущих в темных океанских водах на глубине 100 метров, «рентгеновское зрение», и оно гораздо лучше «зрения» любого из наших аппаратов. В отличие от человеческого глаза, который видит изображение в преломленном виде, в связи с чем мозгу приходится его расшифровывать, лобстер видит прямое отражение, которое можно сфокусировать в единой точке, а потом собрать для формирования изображения. Ученые придумали, как воспроизвести такой прием и сделать новый рентгеновский аппарат.

Рентгеновский формирователь изображения под названием Lobster Eye (глаз лобстера) — это портативный «фонарь», который «видит» сквозь стальную стену толщиной 7,5 сантиметра.

Это устройство выстреливает небольшой поток рентгеновских лучей малой мощности сквозь объект, и часть из них возвращается, отразившись от препятствия на противоположной стороне. Подобно глазу лобстера, обратные сигналы проходят через крошечные трубки, создавая изображение. Министерство национальной безопасности США уже вложило 1 миллион долларов в проект Lobster Eye, надеясь на то, что с его помощью можно будет отыскивать контрабанду.

9. Притворись мертвым — сохранишь жизнь

Когда приходится трудно, самые крутые притворяются мертвыми. Таков девиз двух самых стойких обитателей нашей планеты, к которым относится плаун скальный, или «возрождающееся растение», и тихоходка. В совокупности их поразительные биохимические приемы могут дать ученым указание на то, как можно спасти миллионы жизней в странах развивающегося мира.

Плаун скальный относится к группе пустынных плаунов, которые в сухой сезон съеживаются и высыхают, и на протяжении нескольких лет и даже десятилетий кажутся умершими растениями. Но стоит пройти дождю, и это растение снова буйно зеленеет, как будто ничего с ним не произошло. Тихоходка пользуется аналогичным приемом, притворяясь мертвой. Это микроскопическое беспозвоночное может по сути дела самоконсервироваться, впадая в состояние анабиоза и выживая в самых суровых условиях окружающей среды. Скажем, она может выжить при температуре, приближающейся к абсолютному нулю и при 150 градусах Цельсия со знаком плюс, десять лет обходиться без воды, выдержать в 1000 раз больше радиации, чем любое другое животное на Земле, и даже остаться в живых в космическом вакууме. В нормальных условиях тихоходка похожа на спальный мешок с пухленькими ножками, но в экстремальных условиях этот мешок съеживается и уменьшается в объеме. А когда условия снова становятся нормальными, этому малышу нужна только капелька воды, чтобы вернуться в свое естественное состояние.

Секрет живучести этих организмов — их способность впадать в глубокую спячку. Всю воду в своем теле они заменяют на сахар, который затвердевает. В результате происходит временное прекращение жизненных функций. Сохранить таким способом консервации человека не удастся (если заменить воду в нашей крови на сахар, мы умрем), но для сохранения вакцин он вполне подходит.

По оценке Всемирной организации здравоохранения, 2 миллиона детей умирает ежегодно от таких болезней как дифтерия, столбняк и коклюш. Эти болезни можно предотвратить при помощи вакцинации. Но поскольку в составе вакцин содержатся живые организмы, которые быстро умирают в тропической жаре, их очень трудно доставлять в сохранности в те места, где они нужны. Вот почему одна британская компания воспользовалась примером скального плауна и тихоходки. Она создала консервант на основе сахара, который делает твердым живой материал внутри вакцины, превращая его в микроскопические стекловидные капли. В таком состоянии вакцина может храниться более недели даже в иссушающей жаре.

10. Легкий и крепкий

Клюв у тукана такой большой и массивный, что он, казалось бы, должен перевешивать птицу. Но тукан чувствует себя с таким клювом великолепно. Дело в том, что туканий нос — это настоящее чудо инженерии. Он настолько прочен, что пробивает самую твердую скорлупу фруктов. И он достаточно крепок, чтобы обороняться от других птиц. И тем не менее, клюв у тукана по плотности такой же, как чашка из пенопласта.

Профессор Марк Мейерс (Marc Meyers), преподающий инженерное дело в Калифорнийском университете Сан-Диего, понял, почему клюв такой легкий. На первый взгляд он похож на пеноматериал в жесткой оболочке, типа шлема велосипедиста. Однако Мейерс обнаружил, что на самом деле пеноматериал — это сложная конструкция, состоящая из тонких мембран и крохотных трубок, составляющих прочный каркас. Сами трубки — это тяжелые кости, но они расположены на расстоянии друг от друга, и в результате удельный вес клюва в десять раз меньше, чем у воды. Мейерс считает, что скопировав конструкцию клюва тукана, мы сможем создавать корпуса автомобилей, которые будут значительно прочнее, легче и безопаснее. Держите нос (то есть, клюв) по ветру!