Биомимикрия. Укради, если сможешь.

Я хочу рассказать вам о уровнях биомимикрии, от простого до самого продвинутого, и вы поймете, почему инженерам просто необходимо знать биологию.

Начнём с самого простого примера - липучки на одежде. Их изобрёл Жорж де Местраль. Его главной любовью являлась охота вместе со своей собакой. Однажды, он заметил, что она каким-то образом умудряется собрать колючки со всех кустов в округе. Местраль рассмотрел их под микроскопом и увидел крючки, которыми колючки цеплялись за пса. И он решил повторить этот механизм в одежде, только крючки сделал из нейлона, чтобы липучка была многоразовой. Эксперимент оказался удачным, и липучки тут же стали прилепляться к астронавтам. На скафандре Нила Армстронга они были закреплены на туловище, бедре и даже подошве, для устойчивости. МКС вся покрыта такими липучками, чтобы мелкие предметы не разлетались. И это самый первый уровень подражания природе - копирование форм. На этом уровне инженерам достаточно внимательно посмотреть на животное, чтобы увидеть его потенциал. 

Люди сотни лет смотрели на птиц и пытались скопировать их полет, изобретая разные чудеса, которые не летели и разбивались. Ошибка была в том, что люди копировали полет птиц, которые машут крыльями, а нужно было посмотреть на альбатроса. Он может часами парить без единого взмаха. А все потому, что его крыло хитро устроено: воздух над ним движется быстрее, чем под ним, а там где больше скорость - ниже давление, и воздух сам поднимает птицу. Люди догадались до этого, однако с помощью закона об уравнении гидродинамики в жидкостях Даниила Бернулли. ЯК-52 - легкий спортивный самолет. Форма его крыла,снизу плоская, а сверху присутствует горбинка.Такая форма крыла позволяет разрезать воздух так, чтобы скорость потока сверху была выше, а там где скорость выше - давление ниже. То есть, получается снизу давление больше. Осталось только разогнать самолет, и воздух сам начнет его толкать.

Такие штуки копировать не сложно, но, чаще всего, нам требуется микроскоп, чтобы разглядеть потенциал. Например бабочка Морфо. Она имеет переливающийся синий цвет. Возможно, это самая красивая бабочка в мире. Именно с неё и срисовали бабочку для Эмоджи. Но на самом деле про нее ходят слухи, что она какая-то нечестная. Окраску животным и растениям дают специальные пигменты: каротин - красную, хлорофилл у листьев - зеленую, меланин - темную. Именно его мы и накапливаем при загаре. Фламинго, например, рождаются серыми и становятся розовыми, поедая мелких рачков, получая вместе с ними нужный краситель. А белые люди, в чей рацион входит немыслимое количество моркови, становятся желтее из-за избытка каротиноидов. Но вот в чем проблема: синий цвет в природе у животных встречается очень редко, и нашей бабочке цвет дает не химия, а форма ее крыльев на микроскопическом уровне. В наномасштабе крылья Морфа покрыты рядами щетинок-елочек. Они настолько малы, что их размер сравним с длиной волны видимого света, и подобран так, что поглощает все цвета, кроме синего. А это значит, что она синяя, потому что она не синяя. Если мы посмотрим на них с разных сторон - цвет будет меняться, а если заполним микроструктуру спиртом - синий уйдет. Точно так же работают перья павлина и та же реакция со всеми голубыми глазами мира. Такие наблюдения ученым дают новые возможности. 

Скрытые свойства - это второй уровень сложности. Это значит, что мы можем создать аналоги природных механизмов, которые не похожи на оригинал, но с тем же функционалом. Чтобы перейти на этот уровень, нужно задаться просто обычным, глупым, детским вопросом: "Болит ли у дятлов голова?". Нет, серьезно. Они стучат по дереву 22 раза в секунду. Попробуйте сами размахнуться и удариться о дерево носом. Хотя я бы вот не советовала, конечно. А они делают так по 12 тысяч раз в день своей головой. Один удар дятла создает перегрузки в 1200G.  Для сравнения, самая сильная перегрузка, которую когда-то испытывал человек составляет всего 214G. Она длилась миллисекунды, и дорого обошлась гонщику Кенни Браку. Множественные переломы, травма позвоночника и 18 месяцев реабилитации. Но дятлу, кажется, на физику наплевать. Он долбит себе и долбит. На самом деле, физику не обмануть, и у дятла есть четыре приспособления, которые защищают его от самоубийства. Итак: жесткий, но при этом эластичный клюв, пористый череп, маленький отсек с жидкостью, который гасит удары и пружинящая кость, которая поддерживает язык, а еще помогает ему доставать червяков. Инженеры смогли воспроизвести каждое из этих свойств для защиты, ни за что не догадаетесь чего, хрупкой электроники. В защитной капсуле есть жесткий внешний корпус из стали, мягкий слой из алюминия, резиновая поддержка и море стеклянных шариков. Такая конструкция выдерживает 60.000G. Ричард Хаммонд сделал похожую конструкцию. Положил внутрь обычную лампочку и сбросил ее из космоса. Лампочка осталась целой. Такая защита отлично подойдет для черных ящиков в самолетах, укрытий от противобункерных бомбили защиты орбитальных станции от космического мусора. 

А теперь давайте выйдем на самый крупный уровень биомимикрии. Для этого нужно будет научиться думать крупно, в масштабах целой экосистемы. Экосистема. Что если превратить в оазис самое смертоносное место на планете? Пустыню Сахару. Кажется легко. Осталось решить только одну маленькую проблему нехватки пресной воды. Но подождите, верблюд-то как-то же живет без воды. Авторы "sahara forest project" прямо сейчас делают из Сахары оазис, в котором растут цветы, есть растения, вода. А всего лишь нужно было посмотреть на нос верблюда. Кстати, у верблюдов в горбах не хранится вода. Это заблуждение. Или на спину пустынного жука. Оба этих животных научились извлекать влагу там, где ее по сути и быть не должно. Жук собирает росу и капли тумана на особом рельефе панциря, а в носу верблюда влага из вдыхаемого воздуха конденсируется на маленьких волосиках. В искусственном оазисе морскую воду сталкивают с горячим воздухом, который заставляет ее испаряться. Испарение - один из способов превратить морскую воду солёную в пресную. За счет испарения воды, как пар на зеркале, она оседает в виде капель пресной воды. Все это обеспечивает водой оранжерею площадью 10 тысяч квадратных метров. И это лишь часть экосистемы, которую люди могут построить с нуля в песках Сахары. Но тот же трюк, что и в теплицах, можно провернуть и под открытым небом. Простые конструкции, построенные по типу верблюжьего носа, позволят создавать целые поля и сады под палящим Солнцем. Сложно, но у нас нет выбора.

Да, большинство идей биомимикрии лишь только на бумаге. Мы не используем паутину вместо стальных тросов, мы не используем светлячков у нас дома, когда включаем свет. Но давайте посмотрим на развитие биомимикрии. Здесь есть покрытие скопированное с чешуи галапагосской акулы. На нем не размножаются бактерии, и она уже используется в медицинских инструментах. Пленка для солнечных батарей, вдохновленная глазами мотылька, которая позволяет поглощать максимальное количество света, и даже умные датчики электроэнергии, которые общаются между собой как рой пчел, что дает возможность не тратить энергию там, где она не нужна. Но я не ответила на главный вопрос: почему природа, несмотря на все научные открытия, пока превосходит человека в своих изобретениях? Человеческие изобретения испытываются десятки лет и во многом зависят от интереса спонсоров, от политики, от pr-кампании. В то время когда у природы было более 3 миллиардов лет, бесконечное количество энергии и бескрайний полет для фантазии. Никакой критики, никакого денежного вопроса. Быть может поэтому во многих сферах нашей жизни, нам не стоит изобретать велосипед заново, а нужно просто остановиться и посмотреть на гениальное в мире, который нас окружает.

Ознакомиться с основами мимикрии вы также можете здесь.