Бионика — наука об использовании свойств, функций и структур живой природы в технических устройствах — известна еще со времен Леонардо да Винчи, который пытался сконструировать летательный аппарат, имитирующий полет птицы. Многие ученые обращаются к природе в надежде найти решение сложных вопросов, стоящих перед человечеством. Живая природа предлагает множество готовых решений — необходимо лишь адаптировать их для конкретных технологических проблем. Результаты своих исследований на эту тему представили в рамках конференций TEDGlobal Маркус Фишер, Жанин Бенюз и Роберт Фулл.

Летающий робот-птица


Многие роботы способны летать, но ни один из них не летает, как настоящая птица. Так было до тех пор, пока инженер Маркус Фишер и его команда из немецкой компании Festo не сконструировали по образу и подобию чайки сверхлегкого робота, самостоятельно летающего с помощью крыльев. Целью этого исследования было создание сверхлегких энергоэффективных механизмов, изучение свойств воздуха и воздушных потоков применительно к таким механизмам.

Робот-птица называется СмартБерд, весит 450 г, длина крыла составляет — 1,6 метра, а размах крыльев — около 2 метров. Робот изготовлен из углеродного волокна, оснащен мотором и передаточным механизмом. Кроме того, он имеет особую конструкцию крыльев, разделенных на две части, за счет чего достигается высокая аэродинамическая эффективность. Потребление энергии составляет 25 ватт для взлета и 16-18 ватт во время полета. Птица обладает отличными аэродинамическими характеристиками и способна самостоятельно летать, взмахивая крыльями.

12 ключевых идей из мира живой природы


Жанин Бенюз, биолог, автор книги «Бионика: инновации, вдохновленные природой», изучает возможности использования явлений живой природы в технологической сфере и в дизайне. Ее исследования вызывают большой интерес среди архитекторов, дизайнеров и инженеров, осознавших, сколько гениальных идей можно почерпнуть, наблюдая за тем, как функционируют живые организмы и биологические системы. 12 наиболее интересных и перспективных идей помогут, по мнению ученого, решить многие научно-технические проблемы.

Самосборка. Этот термин часто употребляется применительно к нанотехнологиям. Что касается живой природы, достаточно вспомнить морские раковины. Морская раковина — это самособирающийся материал. Перламутр также формируется сам по себе из морской воды. Это многослойная структура, очень прочная — во много раз прочнее высокотехнологичной керамики, произведенной в специальных печах. Возможность использования этого явления открывает перспективы создания высокотехнологичной керамики и других твердых материалов с гораздо меньшими затратами энергии и ресурсов.

Биологический силикон. Клетки диатомовых водорослей имеют панцирь, состоящий из кремнезема. Изучение механизма его образования перспективно для получения материалов на основе диоксида кремния и решения проблемы канцерогенных отходов при производстве микрочипов.

Использование углекислого газа в качестве исходного сырья. Для растений СО2 не представляет угрозу существованию. Растения перерабатывают углекислый газ в крахмал и глюкозу. Уже сейчас существуют технологии переработки углекислого газа в поликарбонат — вещество, из которого производят биологически разлагаемый пластик.

Трансформация солнечной энергии. Идет изучение механизмов поглощения солнечной энергии внутри пурпурной бактерии. Кроме того, обнаружен железосодержащий фермент под названием гидрогеназа, способный образовывать водород из протона и электронов. Этот фермент может также вызывать диссоциацию водорода. В топливных элементах этот процесс происходит благодаря платиновому катализатору. В природе это происходит с помощью обычного железа.

Жанин Бенюз — автор книги [«Биомимикрия: инновации, на которые вдохновляет природа»](http://www.amazon.com/Biomimicry-Innovation-Inspired-Janine-Benyus/dp/0060533226), в которой она объясняет очевидную и поэтому совершенно забытую вещь: «самый умный, элегантный и гибкий дизайн уже создан природой. Мир невероятно сложен, взаимосвязан и при этом великолепно продуман».

Форма. Мы знаем, что плавники кита покрыты бугорками. Точно такие же бугорки, расположенные на кромке самолета, повышают его эффективность на 32%, что влечет за собой огромную экономию природного топлива. Возможно ли образование цвета без красящих пигментов? Перо павлина, имея сложную слоистую структуру, синтезирует цвет благодаря своей форме. Свет проходит через одни слои и отражается от других. Это явление называется тонкопленочной интерференцией. Листья лотоса имеют особую структуру поверхности, благодаря которой загрязнения не могут закрепиться на ней. Этот принцип используется при производстве самоочищающейся фасадной краски Lotusan, которая при высыхании имитирует неровности на поверхности листа лотоса. Это позволяет стенам здания легко очищаться — грязь стекает вместе с дождевыми каплями.

Сбор пресной воды. Намибийский жук подсказал людям решение проблемы нехватки пресной воды в пустыне: жук добывает воду из тумана. А мокрица способна «улавливать» воду в воздухе. Установки по отбору воды из воздуха в Атланте и из тумана в Монтерее используют технологии, основанные на изучении этих представителей живой природы.

Выделение. Оказывается, возможно добывать металл без трудоемкой работы на рудниках. Микроорганизмы способны «выхватывать» металл из водного потока. Этот принцип используется в конструкции фильтров, применяющихся для выделения руды из обломочных потоков. Постепенно «зеленая» химия приходит на смену промышленной. Основной средой для этой эко-науки является вода и органические растворы, при этом используются лишь некоторые элементы периодической системы химических элементов.

Запрограммированное разложение. Мидии прикрепляются к скалам с помощью нитей, которые начинают растворяться по истечении двух лет. Эта идея могла бы найти свое воплощение в производстве упаковочных материалов.

Здоровье. Существует проблема обязательного хранения вакцин в холодильниках во время транспортировки. Холодильники часто ломаются, и вакцины не доходят до больных. Решение можно позаимствовать у тихоходки, организма, относящегося к типу микроскопических беспозвоночных. При неблагоприятных условиях тихоходка способна на многие месяцы впадать в состояние анабиоза за счет высушивания, а затем, при наступлении благоприятных условий, оживать. Уже существует способ высушивать вакцины, чтобы их можно было транспортировать без охлаждения.

Обмен информацией. В мире происходит 3,6 миллиона автомобильный аварий в год, а 80 миллионов особей саранчи, движущихся в пределах 1 кв. км, никогда не сталкиваются друг с другом. Почему? Ученые из Ньюкасла выяснили, что избегать столкновений саранче помогает особый крупный нейрон, и сейчас работают над внедрением принципов работы этого нейрона в системы безопасности автомобилей.

Увеличение плодородия. Проблема деградации фермерства и истощения почвы может быть решена с использованием опыта функционирования целостных экосистем, которые сами создают условия, благоприятные для живых существ. Например, растительный мир прерий улучшает состояние почвы; стадо местных копытных животных улучшает состояние пастбища; болота не только очищают воду, но и способствуют увеличению продуктивности. Живые организмы сами создают условия для продолжения жизни: улучшают почву, очищают воздух и воду, производят газы, необходимые нам, чтобы дышать. При этом они полностью удовлетворяют свои потребности — одно не исключает другого. Вот чему нам необходимо научиться в первую очередь — удовлетворять свои потребности, не разрушая среду обитания, в которой будут жить наши потомки.

Насекомые вдохновляют создателей роботов-спасателей


Биолог из Калифорнийского университета Роберт Фулл изучает движение живых существ и затем использует полученную информацию в конструировании роботов. Темой его недавнего исследования является стопа и ее функции. Наблюдая за пауками, тараканами, осьминогом и другими обитателями живыми существами, Роберт Фулл пришел к выводу, что у всех них функции стопы при движении по неровной поверхности распределены по всей длине ноги или даже по всей длине тела. Это позволяет им с легкостью преодолевать сложные препятствия или передвигаться по непривычным поверхностям с привычной скоростью. Данный принцип был использован при создании робота RHex, передвигающегося на шести ногах, имеющих полукруглую форму.

Другое интересное наблюдение: лапки тараканов покрыты маленькими иголочками, которые легко сгибаются в одном направлении, чтобы насекомое могло вытащить лапку, которая застряла между неровностями, а в противоположном направлении эти иголочки не сгибаются, чтобы лапка лишний раз никуда не проваливалась при беге. Роберт Фулл протестировал эти иголочки на крабах, и эффект был точно такой же. Краб, который был не способен бежать по сетке, с иголочками смог без проблем быстро передвигаться по сетчатой поверхности. Иголочки были добавлены на ноги робота, и он стал еще более ловким — смог перелезть через гладкие стальные рельсы, которые раньше представляли для него большую трудность.

Наблюдения за ящерицами показали, что при беге по сухому песку и по воде их лапы действуют как ласты, позволяя передвигаться с большой скоростью. Этот принцип лежит в основе создания робота Aqua RHex — очень ловкого водоплавающего родственника робота RHex.

Следующим рубежом для робота стала возможность взбираться по вертикальным поверхностям. Некоторые насекомые, например муравьи, используют специальное клейкое вещество, благодаря которому они прикрепляются к поверхности. Но еще более интересный механизм есть у ящериц гекконов. Внутренняя поверхность их лап покрыта очень мелкими волосками, кончики которых расщеплены на множество еще более мелких волосков. Каждая лапка имеет около миллиарда таких расщепленных кончиков размером в 200 нанометров, что позволяет им очень тесно соприкасаться с поверхностью и прикрепляться к ней только за счет силы межмолекулярного притяжения. Этот механизм используется для разработки самоочищающейся клейкой ленты из полиуретана, которая обладает уникальными свойствами: она воздухопроницаема, легко отклеивается, не вызывает раздражения, может использоваться в воде.

Роберт Фулл также делится подробностями создания поисково-спасательного робота, который мог бы передвигаться в горной местности. Робот называется Rise, имеет 6 ног и хвост. В конструкции его стопы используются все упомянутые выше приспособления.

Rise действительно способен карабкаться по гладкой вертикальной стене, и Роберт убежден, что со временем роботу покорятся и более сложные поверхности.