Семена одуванчика, взлетающие вверх от малейшего дуновения ветра и подолгу парящие в воздухе на своих ажурных парашютах, — зрелище вполне привычное. Однако, как ни странно это звучит, наука до сих пор не знала, каким образом это происходит. Более того: согласно примерным расчетам, подъемной силы «парашюта» должно быть совершенно недостаточно для такого долгого полета. Лишь совсем недавно загадка одуванчика была разгадана математиками из Эдинбургского университета, о чем они сообщили в своей статье, опубликованной в Nature.
Парашют семени одуванчика — так называемый «паппус» — состоит из отдельных ворсинок, разделенных воздушными зазорами. Инженеров ставило в тупик следующее обстоятельство: если бы вместо паппуса семя одуванчика имело сплошной парашют такой же площади, оно бы довольно быстро падало на землю. Казалось бы, воздушные зазоры между ворсинками способны лишь ухудшить ситуацию. Однако выяснилось, что это совсем не так: именно благодаря зазорам и возникает подъемная сила, в десять раз превышающая ту, которую обеспечил бы сплошной парашют.
Исследователи заметили, что число ворсинок на паппусе может изменяться в довольно узких пределах, примерно от 90 до 100 штук. Они заподозрили, что такая геометрия неслучайна. Расчет аэродинамики семени одуванчика, подтвержденный экспериментами с рукотворными моделями, показал, что речь идет о совершенно новом принципе полета.
Суть эффекта в том, что, как и в случае крыла самолета, подъемная сила возникает из-за разности скоростей воздушного потока. Однако в данном случае речь идет о воздушном потоке, огибающем паппус снаружи, и тем воздухом, который проходит вежду ворсинками. В результате образуется воздушный вихрь особого типа — отделенный, то есть возникающий над паппусом на некотором расстоянии от него. Оказалось, что геометрия ворсинок на паппусе одуванчика — соотношение их толщины и зазоров между ними — идеально приспособлена для создания подъемной силы и стабилизации полета при минимальном весе использованного материала.
Итак, эволюция подарила одуванчику способ летать, основанный на принципах, незнакомых человеческим инженерам. Оказалось, что «отделенные вихри» используются и другими земными существами: к примеру, ворсинки, имеющиеся на краях крыльев многих насекомых, могут выполнять ту же функцию. Тем не менее, ни в каких инженерных приспособлениях, созданных людьми, этот способ летать никогда не использовался.
Конструирование летательных аппаратов тяжелее воздуха началось с подражания птицам, а также растительным плодам-крылаткам. Потребовалось немало проб и ошибок, прежде чем этот принцип был воплощен в первых самолетах. К каким инженерным прорывам способно привести понимание механизма полета одуванчика, предсказать пока нельзя, однако очевидно, что потенциал у этого открытия немалый.
Мы имеем дело с нейронной сетью, способной с удивительной быстротой и точностью восстанавливать недостающие фрагменты изображения.
В истекшем месяце вышла еще одна научная работа, где описан природный механизм, который может лечь в основу новых технологий. В этой статье, тоже опубликованной в Nature, речь идет о каракатице — головоногом моллюске, способном менять свой цвет в зависимости от окружающей среды и настроения. Кожа каракатицы содержит особые клетки — хроматофоры — содержащие пигмент, своего рода «пиксели», из которых складывается окраска моллюска. Цвет участка кожи зависит от напряжения подкожных мышц, а теми, в свою очередь, управляет множество моторных нейронов.
О том, как именно происходит процесс изменения окраски у каракатицы, рассказывает популярная статья в том же журнале Nature. Для тех, кто интересуется разработкой новых технологий, наиболее интересен следующий аспект работы: чтобы сделаться незаметной на фоне подводных пейзажей, каракатица имитирует их окраску. Другими словами, она воспринимает картину морского дна с помощью зрения и своими силами восполняет те недостающие пиксели изображения, которые в данный момент закрывает тело самой каракатицы. Тем самым мы имеем дело с несложной нейронной сетью, способной с удивительной быстротой и точностью восстанавливать недостающие фрагменты изображения — навык, который очень пригодился бы разработчикам систем искусственного интеллекта.
Таким образом, сразу две научные работы, опубликованные в октябре, показывают, как многому могли бы научиться инженеры, просто копируя те механизмы, которые природа выработала методом проб и ошибок за сотни миллионов лет эволюции. Напомним еще раз, что развитие авиации начиналось с наблюдения за полетом птиц, а принципы реактивного движения задолго до Циолковского были взяты на вооружение теми же головоногими моллюсками. Возможно, в природе удастся найти множество других вдохновляющих примеров, которые послужат новым технологическим свершениям.