Собачьи датчики и вентиляция термитов: на какие изобретения ученых вдохновила природа
Собаки: датчики качества воздуха
Одно из последних открытий на эту «подражательную» тему сделали ученые Гарвардского университета. Они поняли: простого и дешевого способа измерения загрязняющих воздух веществ до сих пор не существует. Между тем воздух даже дома может содержать массу неприятных и вызывающих болезни химических субстанций — от формальдегидов до бензола.
Существующие сегодня датчики качества воздуха плохо распознают летучие органические соединения — химические вещества, которые испаряются в воздухе из повседневных продуктов. Многие удивятся, узнав, что если не выкидывать вовремя испорченную еду, можно повысить риск онкологических заболеваний или болезней почек и печени. Но без участия лаборатории проверить образцы на опасность для человека чаще всего невозможно.
Датчики обычно пассивны, они просто берут пробу воздуха и затем анализируют ее. Тогда исследователи решили присмотреться к тому, как собаки обнюхивают друг друга: выяснилось, что они делают несколько коротких быстрых вдохов или более продолжительных втягиваний и задерживают воздух в носу на определенное время, производя таким образом его тщательный комплексный анализ.
Ученые решили совместить этот биопроцесс с алгоритмами машинного обучения. Сенсорная система, над которой работали в Гарварде, обнаружив в воздухе опасное соединение, имитирует биологический процесс, несколько раз «принюхиваясь», чтобы получить больше информации. По данным исследователей, в итоге надежность результатов вырастает с 38% до 98%. Изобретение в компактной коробке с несколькими датчиками и платами внутри получило название SNIFFIA (Sensory Nature-Inspired Fact Finder of Indoor Air, сенсорный исследователь воздуха в помещении на основе природного опыта).
Акулы: анти-биообрастание
Для военных моряков из США проблема обрастания корпусов кораблей и подводных лодок всевозможными моллюсками и водорослями в один момент стала настолько насущной, что они попросили ученых поискать ее решение. Разработкой технологий, препятствующих накоплению нежелательного материала на твердых поверхностях, занялся доктор Энтони Бреннан со своими коллегами из университета Флориды в Гейнсвилле.
Ученый заметил, что акулы, возможно, единственные морские животные, которые не подвержены воздействию этих организмов. Представьте себе брюхо кита или плавники морской черепахи: они часто покрыты ракушками. Но оказалось, что акулья кожа состоит из гладких чешуек, напоминающих крошечные зубы, которые накладываются друг на друга в форме ромба. Эти зубчики сделаны из прочного материала дентина и создают в воде крошечные завихрения, которые кроме того, что уменьшают сопротивление, еще и не допускают прилипания моллюсков и других организмов — того, что называют биообрастанием.
Изначально доктор Бреннан сосредоточился на том, как бактерии прикрепляются к поверхностям и какие из них представляют наибольшую проблему при определенных обстоятельствах. В итоге ученый и его команда поняли: если сымитировать принцип, по которому «работает» акулья кожа, можно создавать поверхности, которые предотвращают размножение организмов не только на кораблях и подводных лодках, но и на медицинских приборах. В частности, основанная Бреннаном компания Sharklet Technologies как раз использует упорядоченные микротекстуры в производстве мочевых катетеров, препятствуя инфекциям.
Термиты: система вентиляции
О том, что Африка — одно из самых жарких и засушливых мест на земле, знают все с малых лет. Однако, несмотря на суровый климат, там есть целые строения, причем отнюдь не рукотворные, сохраняющие прохладу, — огромные термитники. Заметив это, инженеры сочли, что им есть чему поучиться и у термитов и заимствовали дизайнерские идеи у этих насекомых, чтобы обеспечить хорошую вентиляцию зданий.
Так они обнаружили, что в этих строениях, возведенных крошечными лапками насекомых, есть большой изолированный центральный «дымоход», окруженный контрфорсами. В течение дня они нагреваются, перемещая теплый воздух вверх и наружу из «дымохода» и удерживая холодный воздух внутри. Горячий воздух выталкивается вверх по канавкам и вниз по «дымоходу» в закрытой конвекционной камере, а ночью происходит обратная ситуация. Эти циклические потоки «вымывают» углекислый газ из термитника и вентилируют колонию, что является необычным примером получения полезного эффекта от тепловых колебаний. В итоге температура в термитниках постоянная и комфортная.
Использовав эти наблюдения, архитектор Мик Пирс спроектировал крупнейшее коммерческое здание в Зимбабве с системой естественного охлаждения — по этим расчетам в Хараре был построен торговый центр Eastgate, который потребляет на 10% меньше энергии, чем если бы он использовал традиционное кондиционирование.
Китовьи плавники: ветряные турбины
Изучая морских животных, люди давно подозревали, что невероятная ловкость горбатых китов обусловлена выступами на передних краях их ласт. Для тех, кто передвигается под водой, киты делают это со впечатляющей скоростью. Исследователи из Гарвардского университета помогли объяснить эту гидродинамическую особенность. Согласно результатам их работы, подобные неровности на плавниках — бугорки — могут привести к созданию более устойчивых конструкций самолетов, подводных лодок с большей маневренностью и лопастей турбин, которые смогут получать больше энергии от ветра и воды.
Ученые смоделировали плавники горбатых китов для ветряных турбин, добавив те самые бугорки, которые помогают улучшить аэродинамику. Фрэнк Фиш, профессор биологии в университете Вест-Честер, который также проводил свои изыскания на эту тему, по совместительству президент компании WhalePower. Эта компания стала демонстрировать преимущества бугорков, интегрируя их в передние кромки лопастей ветряных турбин. По данным WhalePower, бугорки улучшают подъемную силу на 8%, снижают лобовое сопротивление на 32% и позволяют увеличить угол атаки на 40% по сравнению с гладкими ластами.
Кроме того, опытные образцы лопастей ветряных турбин с бугорчатым покрытием показали, что задержка торможения удваивает производительность при скорости ветра около 17 миль в час и позволяет турбине извлекать больше энергии из низкоскоростных ветров. Вдобавок такие лопасти более устойчивы, долговечны, а производят меньше шума, чем обычные.
Зимородок: скоростные поезда
Япония славится своими высокоскоростными поездами и сетью железных дорог «Синкансэн». Эти поезда развивают скорость более 300 км/ч и, очевидно, преодолевают большие расстояния между крупными городами довольно быстро. Но поначалу судьба этого произведения инженерной мысли складывалась не самым безоблачным образом. Предыдущие модели «Синкансэн» очень сильно шумели, выезжая из тоннелей. На это постоянно жаловались жители районов, которые пересекали железнодорожные пути.
Эйджи Накацу, директор по техническому развитию сети скоростных поездов «Синкансэн», долго ломал голову, как решить эту проблему, до тех пор, пока ему не пришло на помощь его хобби — Накацу очень любил наблюдать за птицами. Его вдруг осенило, Эйджи вспомнил, как зимородок охотится на свою добычу: птица ныряет в воду на скорости 40 км/ч и почти не поднимает при этом шума, брызг и волн. Так происходит благодаря обтекаемой форме клюва зимородка, который смягчает удар при погружении в воду. Тогда Накацу взял дизайн клюва зимородка и применил его к скоростному поезду.
В результате новый поезд с обтекаемым длинным острым носом стал на 10% быстрее, при этом потреблять на 15% меньше электроэнергии, а уровень шума в жилых районах теперь не превышает 70 децибел — это тише пылесоса.
Дятел: «черные ящики»
Мир птиц подарил миру людей немало важнейших изобретений. Если вы когда-то задумывались, как дятлам удается целый день долбить клювом по стволам деревьев и каким-то образом продолжать функционировать, то вы точно не одиноки. Во всяком случае Динара Асанова в 1974 году поставила на «Мосфильме» фильм именно с таким названием — «Не болит голова у дятла». Действительно, удивительно, что дятлы не страдают от головных болей, хотя они долбят дерево со скоростью 12 000 ударов в день, а их голова испытывает нагрузку в 1000–1200 g. Для сравнения: человеку достаточно перегрузки в 80–100 g, чтобы упасть в обморок. А, например, пилоты и космонавты тренируются, чтобы выдерживать перегрузки, которые могут достигать 9 g (что в 9 раз больше силы тяжести Земли), но даже в таких условиях их тело все еще испытывает серьезный стресс.
Сан Хи Юн и Сон Мин Парк из Калифорнийского университета в Беркли изучили видео- и компьютерную томографию головы дятла. Оказалось, у этих птиц особое строение черепа: кости имеют губчатую структуру и защищают мозг от сотрясения при ударах. Кроме того, у них эластичный клюв и упругая структура в виде подъязычной кости, распределяющая механическую нагрузку равномерно.
По сути, можно сказать, что черепа дятлов «оснащены» встроенными амортизаторами. Ученые использовали их естественный дизайн для создания более ударопрочных бортовых самописцев, также известных как «черные ящики». Но это еще не все: понимание того, как устроен череп дятла, поможет не только защитить электронику в черных ящиках нового поколения. Технологию тестируют также для защиты космических аппаратов от попадания микрометеоритов и фрагментов космического мусора. Также подобные идеи могут помочь обеспечить безопасность и спасти жизнь пилотам в автоспорте.
Пауки: безопасное для птиц стекло
Где только не встретишь паутину. В природе ее можно увидеть практически везде, где есть птицы. Но ученые заметили, что птицы в полете не причиняют паутине вреда, уклоняясь от нее. В отличие от стеклянных окон, к сожалению. Стеклянные конструкции и окна — причина гибели миллионов птиц по всему миру. Птицы видят в них либо собственное отражение, либо отражения деревьев, других растений, или небо, которое кажется им открытым пространством, заставляя их лететь прямо к нему на полной скорости.
Ученые из Института биомимикрии 3.8 обратили внимание на паутину пауков-ткачей, которые строят свои сети из особого шелка, отражающего ультрафиолетовые лучи. Это защищает паутину, потому что, видя эти лучи, птицы легко распознают их как предупреждение держаться подальше. Так вероятность того, что птица наткнется на паутину и лишит паука возможности поймать добычу, значительно снижается.
Узнав о результатах исследований, немецкая инжиниринговая компания Arnold Glas использовала эффективность шелковой паутины при производстве специального стекла, защищающего от птиц, под названием Ornilux. Человеческому глазу стекло кажется гладким и прозрачным. При этом оно обладает уникальными невидимыми свойствами, позволяющими птицам видеть препятствие перед собой и избегать столкновения, покрыто рисунком, имитирующим паутину, и отражает ультрафиолетовые лучи, видимые только птицам. Таким образом, птицы могут видеть и идентифицировать якобы отражающие нити пауков и избегают столкновения.
Светлячки: светодиодные лампочки
Еще один пример того, чему мы можем научиться, внимательно наблюдая за природой, подают светлячки. Их мерцание в ночном небе вдохновило международную группу ученых на то, чтобы снять вспышки с брюшек биолюминесцентных насекомых и нанести их на покрытие для повышения эффективности светодиодов. Их метод оказался намного эффективнее оригинального светодиода.
Устройство брюшка насекомых изучала группа физиков под руководством Ки-Хун Чона (Ki-Hun Jeong) из Института передовой науки и технологий Кореи в городе Тэджон. Они выяснили, что светлячки используют светогенерирующие органы для обмена сигналами с особями противоположного пола. Эти органы имеют микроструктуру, или асимметричные микроскопические выступы, которые испускают свет. Светлячки создают свет в результате химической реакции, которая происходит в специальных клетках, — фотоцитах, и этот свет излучается через часть экзоскелета насекомых — кутикулу. Свет проходит через кутикулу медленнее, чем через воздух, и несоответствие означает, что часть света отражается обратно, приглушая свечение. Однако уникальная геометрия поверхности кутикулы некоторых светлячков может помочь свести к минимуму внутренние отражения, позволяя большему количеству света проникать в глаза потенциальных поклонников.
Вникнув в принцип свечения, используемый насекомыми, ученые обнаружили, что добавление микроструктур к поверхности светодиодов, которые обычно имеют симметричные выступы, позволяет пропускать больше света, делая их более эффективными и улучшая светоотдачу. В итоге авторам удалось добиться повышения прозрачности поверхности светодиода с 94% до 98%, а это близко к максимально возможным значениям с точки зрения оптики.
Бабочки: борьба с поддельными банкнотами
Кто бы мог подумать, что бабочки могут способствовать борьбе с фальшивомонетчиками? Но это так. Исследователи из Кембриджского университета расшифровали способ получения неуловимых цветов, которые можно найти на крыльях тропических бабочек. Утверждается, что индустрия защищенной печати извлечет настоящую пользу из этого открытия, поскольку это затруднит подделку банкнот и кредитных карт.
Яркие переливающиеся цвета на жуках, бабочках и других насекомых долгое время завораживали и физиков, и биологов, но скопировать самые красочные, привлекающие внимание поверхности природы, цвета не удавалось. Имитация естественных переливов долгое время ускользала от ученых, поскольку они производятся легким перемещением микроскопических частиц на крыльях насекомых.
Матиас Колле, Ульрих Штайнер и Джереми Баумберг из Кембриджского университета изучали индонезийского павлина или бабочку с ласточкиным хвостом (Papilio blumei), чешуйки крыльев которой состоят из сложных микроскопических структур, напоминающих внутреннюю часть коробки из-под яиц. Используя нанотехнологии, Колле с коллегами сумели воспроизвести структурно идентичные копии чешуи бабочки, и они приобрели те же яркие цвета, что и крылья бабочки. Теперь эти искусственные структуры могут быть использованы для шифрования информации в виде оптических подписей на банкнотах или других ценных предметах для защиты их от подделки.
Репейник: застежка-липучка
Самый же знаменитый пример биомимикрии в действии — то, как была изобретена застежка-липучка. Речь идет о репейнике и его таком раздражающем серьезных взрослых и радующем озорных детей свойстве, как способность цепляться за одежду и шерсть животных. Ирония в том, что именно это качество репейника натолкнуло инженера Жоржа де Местраля из Швейцарии на изобретение, получившее самую широкую известность.
Идея пришла инженеру в голову в 1948 году. Однажды де Местраль, как обычно, снимал после прогулки с шерсти своего ирландского пойнтера головки репейника. Он заметил несколько заусенцев, прилипших к его штанам и шерсти собаки. Ему пришло в голову рассмотреть их под микроскопом. И тогда де Местраль увидел тысячи крохотных крючков, с помощью которых головки цепляются за шерсть животных, пряди волос или одежду. Так у заинтригованного способностью репейника прилипать де Местраля появилась идея застежки-липучки.
На ее реализацию у инженера ушли годы экспериментов, в результате которых изобретатель подобрал оптимальный материал — нейлон. Он объединил прочный хлопок и нейлон и прикрепил их к отдельному куску ткани с помощью крошечных петель. Так и родилась липучка. В 1955 году Жорж де Местраль наконец запатентовал свое изобретение и назвал его Velcro (от французских слов velours, что означает «бархат», и crochet, что означает «крючок»).