Биомиметика: роботы-стрекозы и застежки-липучки

Материал подготовлен редакцией ИноСМИ специально для раздела РИА Наука >>

Сейчас все больше повышается интерес к биомиметике как к области копирования уникальных функций и производственных процессов живых организмов, применения этих технологий при разработке и создании продукции. Ученые и технологи всего мира обратили взор на технологии будущего, которые могут стать ключом к решению проблем экономики, окружающей среды и энергетики.

Этой весной внимание всех привлек один робот. Это BioniCopter, разработанный немецкой компанией Fest. Одного взгляда на эту машину достаточно, чтобы понять, что этот летательный робот разработан как подражание стрекозе. Стрекоза летает не только с помощью хлопанья крыльями, но также умеет скользить по воздуху, остановив их. Она может при необходимости передвигаться на быстрой скорости, а может зависнуть в воздухе, мгновенно изменять скорость и направление. Во время полета она практически не издает звуков, а экономия энергии в полете достойна восхищения. Летательных аппаратов, способных передвигаться с такой же свободой, как у стрекозы, на данный момент не существует. Даже последние достижения авиационной промышленности, вобравшие в себя все знания, накопленные человечеством, не могут сравниться со стрекозой, которая летает у вас перед глазами.

Биомиметика привлекает взоры всего мира

Биомиметикой называют область применения лучших характеристик живых организмов при разработке новейших материалов и продукции, как в случае с BioniCopter. Также существуют «биомимикрия» и «технологии, вдохновленные природой», у каждого направления существуют свои нюансы, но в укрупненном плане можно считать, что это одно и то же. Само понятие биомиметики довольно старое и ведет свое начало с 1950-х годов. Застежка-липучка, на идею о которой натолкнул чертополох, цепляющийся к одежде, водоотталкивающая краска, в которой были использованы свойства листьев лотоса – все это примеры первой продукции биомиметики.

С началом нового столетия эта область пережила новую волну подъема. Практичные продукты биомиметики изобретаются один за другим.

Например, следующие вещи:

— клейкая лента повторного использования, идею о которой подсказали лапы ящериц, свободно передвигающихся по стенам и потолку.

— пленка с пониженными отражающими свойствами, практически не реагирующая на свет, была создана на основе строения глаза моли.

— краска для кораблей, разработанная на основе особенности чешуи тунца с низкой сопротивляемостью в воде на высоких скоростях.

В начале 2013 года стало известно, что немецкая авиакомпания Lufthansa приступила к испытаниям нового покрытия фюзеляжа Airbus A-340, строением повторяющего кожу акулы. Круговая структура верхнего слоя акульей кожи, которую называют «либретто», снижает образование турбулентности и имеет эффект ослабления сопротивляемости потоку. Между прочим, скоростные плавательные костюмы, ставшие темой обсуждения на пекинских Олимпийских играх, тоже были разработаны в подражание либретто акульей кожи и являются продуктом биомиметики.

Таким образом, особенностью биомиметики является копирование удивительных функций живых организмов и применение их при создании технологий и вещей. Однако в последние годы растет внимание к еще одной особенности – это производственные процессы с экономией энергии, используемые живыми существами (и пока этими технологиями владеют только они). Например, раковина морского ушка настолько прочна, что ей не причинит никакого вреда даже переехавшая через нее машина, это природная керамика, сочетающая в себе прочность к воздействиям и эластичность. Секрет кроется в многочисленных нанослоях структуры из чередующихся карбоната кальция и белка. Что удивляет еще больше – это способность морского ушка с легкостью вырабатывать этот высокопрочный материал, который намного превосходит продукты нашей промышленности, при нормальной температуре и давлении.

Производственные процессы живых организмов выделяются экономией энергии и в корне отличаются от способов современного производства товаров с использованием огромного количества энергии и материалов. Нет сомнений, что природа может дать нам подсказку для решения проблем окружающей среды и энергетики, с которыми столкнулось человечество. Многие люди начинают это понимать, и экономисты связывают с биомиметикой большие надежды на то, что она станет движущей силой для изобретений инноваций следующего поколения. Существуют даже расчеты зоологического парка в американском Сан-Диего, который через пятнадцать лет будет производить 300 миллиардов долларов ВВП в год и обеспечит рабочими местами 1,6 миллиона человек.

Исследования по биомиметике в Японии

В сложившихся условиях Германия стала очевидным мировым лидером в области биомиметики и с 2012 года начала сертификацию ISO биомиметических технологий. На самом деле Японию долгое время называли отстающей в области биомиметики. Однако в последних работах японские ученые занимают одну из центральных ролей в стандартизации биомиметики, включая председателя рабочей группы.

Один из членов группы международной стандартизации доктор Хосота из организации исследования структуры материалов считает: «В условиях такого всеобщего внимания к биомиметике нашей первоочередной целью является определение биомиметики, стандартизация ее понятий путем совместного подтверждения. За счет этого мы планируем избавиться от «подделок», ставших проблемой в последнее время, и задать правильный путь развития биомиметики».

Ситуация меняется не только в области стандартизации, но и в сфере разработок технологий и товаров в Японии. Повсеместно происходит сотрудничество университетов, исследовательских организаций, заводов и некоммерческих организаций в развитии новых технологий и продукции. Упомянутые выше «липучка ящерицы», «глаз моли» и «тунцовая краска» изобретены в таких коллаборациях и являются продуктами японской биомиметики.

Создание базы данных биомиметики

Изучение биомиметики быстро развивается, но, с другой стороны, в этой области остается много нерешенных вопросов. Самым основным из них является вопрос коммуникации исследователей из разных сфер науки, решением может стать возможность быстрого обмена информацией и знаниями между и внутри самих областей, занимающихся биомиметикой, таких как биология, естественная история, инженерия. Однако сейчас эти области сильно разведены, в каждой продолжаются свои исследования, и организовать совместную работу, которая бы привела к появлению новых идей, довольно сложно.

Профессор Университета Тохоку Ситамура, один из лидеров исследования биомиметики в Японии, поясняет ситуацию: «Например, термины, использующиеся в таких сферах, как биология, естественная история и инженерия, отличаются в зависимости от области науки, ученые просто не понимают друг друга. Ситуация такова, что исследователи по инженерии не понимают того, что написано в работах по биологии. Как бы ни были уникальны достижения биологов, они не будут связаны с изобретением новых технологий и продуктов, если о них не будет известно инженерам».

Исходя из этого, Ситамура занялся созданием базы данных, которая проводит параллели между терминами и информацией из двух областей: биологии и инженерии. Особенностью этой базы станет новая поисковая технология, которая поможет инженерам получить ссылку на информацию по биологии после ввода в поисковое окно своего привычного термина.

«Этот способ поиска отличается от Google. Я хочу, чтобы после завершения эта база помогла в создании новых технологий и продуктов биомиметики. Помимо этого, важно убедиться в том, что общество готово принять эти товары и технологии. Думаю, что мы хотим и должны развивать биомиметику», — считает профессор.

В 2012 году профессор Ситамура запустил новый исследовательский проект «Инженерия на основе биологии» и начал работу по разработке инноваций с командой из смежных сфер в производстве, науке и государственном аппартате.

К инновациям, открывающим дверь в будущее

Уникальные свойства и производственные процессы, которыми обладают живые организмы, в каком-то смысле намного превосходят все придуманное человечеством. Когда человек узнает об удивительных возможностях живых существ, он поймет, что скромных знаний человечества еще недостаточно и что нужно еще многому учиться у природы и ее обитателей. При этом именно за счет неопытности у человека есть возможность обнаружить ранее неизвестные вещи, применить их на своих знаниях и получить уникальный результат. Поэтому биомиметика может привлечь большое количество исследователей. «Хочу когда-нибудь научиться летать так же свободно, как стрекоза», — такие мысли должны стать первым шагом на пути к новому будущему, смене старых парадигм.

При жизни Стив Джобс говорил: «Инновации 21 века появятся из области пересечения биологии и технологии. Начинается новая эпоха, точно так же, как начиналась цифровая эра в то время, когда мне было столько же лет, сколько моему сыну».

Оригинал публикации здесь