От липучки до бронежилетов инженеры давно черпают идеи для инноваций в конструкциях природы. Сегодня высокотехнологичные инструменты и усиление межотраслевой кооперации приводят эту область «биологического вдохновения» в новые, захватывающие горизонты, приводя к таким изобретениям, как мягкие аккумуляторы и роботы-бегуны по воде. Тем не менее, сокращение государственного финансирования угрожает прогрессу в этой перспективной области исследований.
Cassandra Donatelli, биолог из Университета штата Вашингтон Такома, считает, что биотехнологическое вдохновение переживает золотой век. Она подчеркивает решающую роль межотраслевого сотрудничества: «У нас здесь есть лаборатория биомеханики, где работают шесть или семь инженеров и 10 биологов. Мы все физически находимся в одном здании и работаем вместе», — объясняет она. Такая среда совместной работы способствует перекрестному опыту, который необходим для перевода биологических принципов в практические технологии.
Предложенные администрацией Трампа сокращения бюджета Национального научного фонда (НФ) представляют собой серьезную проблему для биотехнологического вдохновения. Приоритезируя такие области, как искусственный интеллект и квантовые вычисления, эти сокращения угрожают перенаправлению финансирования от исследований мягких аккумуляторов, самовосстанавливающихся материалов и других революционных концепций, вдохновленных природой. Дункан Иршик, биолог из Университета Массачусетса, предупреждает: «Эта работа пострадает от новых приоритетов НФ. Я искренне беспокоюсь о том, что руководство в области исследований, основанных на биологии, перейдет Китаю».
Несмотря на эти опасения, уже достигнутые успехи в области биотехнологического вдохновения дают представление о ее трансформационном потенциале:
Липучка Природы
Шишки растения Будяк (Burdock) снабжены крошечными крючками, которые цепляются за шерсть и одежду, эффективно распространяя семена. Швейцарский инженер Жорж де Местраль наткнулся на это гениальное устройство во время охоты в 1941 году. Последующее его микроскопическое исследование показало сложные крючкообразные структуры и заставило его задуматься: что, если эти структуры можно было бы воспроизвести для создания многоразового замка? Обнаружив, что нейлон подходит для изгибания в постоянные крючки, он запатентовал свое изобретение в 1955 году, назвав его «Липучка», сочетание французских слов для «вельвета» и «крючков».
Разработанные под скоростью клювы
В 1980-х годах японские инженеры столкнулись с неожиданной проблемой при разработке высокоскоростныхbullet поездов. Поскольку эти элегантные машины проносились по тоннелям со скоростями более 220 миль в час, они создавали ударные волны из-за накапливающегося воздуха впереди них. Эидзи Накацу, железнодорожный инженер с увлечением орнитологией, искал вдохновения в конструкциях природы. Он наблюдал за клювом kingfisher, который плавно входит в воду без образования волн.
Накацу внедрил этот принцип в свои поезда, придавая округлые и заостренные концы своим машинам, имитируя профиль kingfisher. Это изменение конструкции эффективно снизило давление воздуха внутри тоннелей на 30%, что привело к более тихому и эффективному функционированию этих высокоскоростных чудес техники.
Поток Китов: Эффективность от природных шипочков
Грудные плавники горбатых китов обладают отличительными выступами вдоль переднего края — трубочками, которые играют важную роль в их подводном мастерстве. Эти трубочки, установленные как критически важные для создания гладкой струи воды по краю плавника и генерации дополнительной подъёмной силы, стали предметом интереса Франка Фиша, биолога из Университета Вест-Честер.
Фиш и его команда поняли потенциал применения этого конструкторского принципа за пределами морской биологии и запатентовали свое открытие. С тех пор трубочки были внедрены в различные области: продление срока службы лопастей ветряных турбин, повышение эффективности промышленных вентиляторов на потолках и даже улучшение работы стабилизаторов для досок для серфинга и дизайн боковых зеркал грузовиков.
Гекконы, безклеевые адгезивы
Невероятная способность геккона легко цепляться за гладкие поверхности — в том числе стеклянные стены — обусловлена миллионами крошечных волосков на его лапах. Каждый волос расщепляется на сотни микроскопических веток, которые создают невероятно сильную силу Ван-дер-Ваальса при контакте с поверхностью, позволяя геккону прилипать без использования клея.
Дункан Иршик и его коллеги из Университета Массачусетса кропотливо воспроизвели этот принцип в своей «Geckskin» ткани. Этот синтетический материал обладает адгезией, сравнимой с мощными клеями, но при этом допускает чистый отрыв — существенное преимущество во многих приложениях, таких как робототехника, медицинские устройства и даже альпинистское снаряжение.
Птичьи кувшинки: Уроки природных скользких поверхностей
Птичьи кувшинки соблазняют не подозревающих насекомых в свои ловушки с обтекаемыми краями, полные соблазнительно выглядящей жидкости с пищеварительными ферментами. Когда на край собирается роса или капли дождя, микроскопические бугорки и гребни захватывают воду в адгезивную пленку, которая ловит попавших в ловушку жертв.
Джоанна Аизенберг, инженер из Гарвардского университета, исследовала этот механизм и воспроизвела его в области материаловедения. Эти покрытия, вдохновленные растениями-кувшинками, противостоят накоплению пыли и обладают превосходными очищающими свойствами. Представьте себе трубы, свободные от засорения вязкими жидкостями, или корпусы судов, невосприимчивые к зарастанию водорослями — всё это благодаря тому, что немного ботаники было применимо к материаловедению.
Боевой омароподобный: Сила за ударом
Боевая омароподобный, вооружённый булавовидными придатками под названием дactyl клубы, обладает невероятной силой удара, способным разрушить панцирь ракообразных с силой, равной .22-калиберному патрону. Что же мешает этим мощным ударам раздробить собственные конечности омароподобного?
Ответ кроется в сложной многослойной структуре внутри дactyl клубов, напоминающей как гребень рыбы, так и пучки винтовых пружин. Эта сложная конструкция эффективно рассеивает энергию каждого удара, защищая сам клуб при этом, но одновременно оказывая разрушительный удар.
Исследователи из Национального института стандартов и технологий успешно воспроизвели эту амортизирующую многослойность в искусственном материале. Во время испытаний с высокоскоростными ударами он поглощал силу без растрескивания, что потенциально может открыть путь для создания лёгких щитов для защиты космических аппаратов от метеоритов.
Волшебные клопы: Крохотные роботы, бегущие по воде
Представьте себе крошечных роботов размером всего с зернышко риса, которые без усилий проскальзывают по поверхности воды со скоростью до 120 длиENGTH тела за секунду — эквивалентно 400 милям в час для человека! Это невероятное достижение является результатом работы волшебных клопов, которые используют специализированные веер-образные волосы на средней паре ног. Когда они погружают эти ноги в воду, поверхностное натяжение заставляет жесткие пластинки мгновенно распространиться, выступая как весла.
Виктор Ортега-Хименес, биолог из Калифорнийского университета в Беркли, и его команда черпали вдохновение из этого гениального механизма, чтобы создать свои собственные «Rhagabots» — крошечных роботов, имитирующих движение волшебных клопов по поверхности воды. Эти боты могут эффективно перемещаться, быстро менять направление и резко тормозить, все при этом расходуя минимальную энергию благодаря тому, что большую часть работы выполняет поверхностное натяжение.
Электровые угря: Мягкие аккумуляторы для имплантатов
Электровые угри генерируют мощные разряды через специализированные ткани, способные производить высокое напряжение. Исследователи сейчас обращают внимание на эти уникальные биологические батареи в поисках вдохновения для более безопасных источников питания для имплантируемых медицинских устройств. Проблема заключается в том, чтобы воспроизвести способность угря хранить и высвобождать электрическую энергию без вредных химических побочных продуктов, содержащихся в обычных батареях.
Хотя перед ними остаются проблемы — включая поиск подходящих биосовместимых материалов и масштабирование производства — потенциал мягких аккумуляторов, основанных на физиологии электрового угла, огромен для революционизации медицинской технологии, позволяя создавать более долговечные и безопасные источники питания для кардиостимуляторов, инсулиновых помп и других жизненно важных имплантов.
Биотехнологическое вдохновение продолжает развиваться, являясь мощным свидетельством гениальности, присущей как естественному отбору, так и человеческому инновациям.
