Бионика

Людям секреты животных долгое время были недоступны из-за несовершенства методов анализа и воспроизведения. Копии, сделанные "на коленке" после оценки "на глаз", не работали. Шло время, конструкторы и инженеры смогли создать множество самых разнообразных устройств, облегчающих жизнь человека, и без знания секретов животных. Параллельно исследователи-биологи здорово продвинулись в изучении живых существ. Несмотря на то, что первые никак не были связаны со вторыми, иногда инженеры воспроизводили в своих конструкциях принципы и механизмы, задействованные в живых системах. В поисках наиболее эргономичных и эффективных решений люди невольно приходили к эскизам, "нарисованным" природой миллионы лет назад.

После этого открытия нерентабельность работы "вслепую" стала очевидной, и конструкторы вплотную занялись изучением животных. Используя уже имеющиеся технологии, ученые могли полноценно исследовать и воспроизводить структуры и механизмы, использующиеся в живых системах. Наука, которая изучает механизмы функционирования живых систем и ищет способы применить обнаруженные принципы в технических средствах, получила название бионики. Это слово берет начало от греческого "бион", что можно перевести как "единица, или элемент, жизни". Официальной датой рождения новой науки считается 1960 год, когда состоялся первый симпозиум по бионике.

Условно в бионике можно выделить несколько направлений. Часть специалистов сосредоточена на изучении механизмов, заложенных в живые системы, их копировании и практическом применении. Несколько в стороне находится медицинская бионика, которая сосредоточена на создании более совершенных протезов или разработке систем, позволяющих, например, вернуть людям зрение или слух.

Совершенно отдельной областью бионики, которую некоторые специалисты и вовсе не причисляют к этой науке, является изучение социального поведения общественных животных. В перспективе принципы, которые используются для регуляции жизнедеятельности внутри колоний муравьев или пчел, могут пригодиться и в человеческом социуме. Совсем недавно немецкие энтомологи выяснили, как муравьям удается избегать "пробок" на подходах к муравейнику. В перспективе используемый ими (неосознанно) метод можно приспособить и для городских магистралей.

Совсем в стороне находятся попытки превзойти природу и смоделировать in silico другую эволюцию. В ходе такой новой эволюции должны сформироваться живые организмы, использующие для адаптации к условиям окружающей среды приспособления, еще не "изобретенные" природой. Пока ученым не удалось получить сколько-нибудь значимых результатов на этом пути. Зато к настоящему моменту исследователи разработали несколько способов моделирования эволюции - от "классической" эволюции в первичном бульоне до эволюции роботов.

Пока наибольшую практическую отдачу принесли первые два направления. Медицинская бионика в основном сосредоточена на изучении систем, присутствующих в организме человека, и это совсем отдельная тема. Ниже рассмотрено несколько работ в области изучения других живых систем и попыток внедрения обнаруженных принципов в технические устройства.

Один в один
Классическим примером биометрического изобретения является застежка-липучка. Две половинки липучки прочно соединяются друг с другом благодаря тому, что одна из них покрыта маленькими крючками, а на другой расположены миниатюрные петельки. Залипание многочисленных крючков и петель обеспечивает прочность крепления. Липучка была изобретена швейцарским инженером Жоржем де Местралем (George de Mestral) еще до появления термина бионика. Вычищая шерсть своего пса после прогулки, де Местраль обратил внимание на плоды репейника, которые крепко держались на шкуре. Он изучил строение плодов под микроскопом и разработал застежку, работающую по тому же принципу.

Позже ученые обнаружили, что похожая схема крепления используется в оперении птиц. Перья плотно соединяются друг с другом благодаря так называемым бородкам. Бородки соседних перьев заходят друг за друга, формируя единый плотный покров.

В природе встречаются примеры и более прочных вариантов "клейких" поверхностей. Небольшие ящерицы гекконы способны удерживаться на вертикальных поверхностях и даже бегать по ним. Лапы геккона прилипают к поверхности и не скользят вдоль нее. При этом, когда животное тянет конечность вертикально вверх, оно может без особых усилий оторвать подошву. Исследуя строение лап геккона, ученые определили, что необычные свойства объясняются наличием на подошвах множества тонких волосков. Когда волоски находятся под прямым углом к поверхности, площадь контакта невелика, и животное может легко отделить лапу. Когда угол изменяется, площадь соприкосновения растет, и соединение с поверхностью становится более прочным.

Ученые воспроизвели структуру подошвы лап геккона, используя нанотрубки. Однако в ходе ранних работ исследователи не могли добиться той же эффективности прилипания. Дальнейшее изучение строение лап ящерицы показало, что волоски на подошвах имеют многочисленные ответвления, которые еще больше увеличивают площадь контакта с поверхностью. Ученые заменили в искусственных "лапах" обычные нанотрубки на ветвящиеся и в итоге смогли обогнать геккона в способности прилипать.

Помимо рептилий, еще один класс живых организмов является любимым объектом специалистов в области бионики. Это насекомые. Странные на вид существа считаются самыми совершенными созданиями среди беспозвоночных. Разные представители этого класса развили множество высокоэффективных приспособлений для выживания. В частности, таким приспособлением является система зрения. Глаза насекомых являются фасеточными - то есть, состоят из множества маленьких "глазков", информация от которых преобразуется мозгом в единую картину.

Изучение фасеточных глаз мухи показало, что это насекомое способно очень точно определять скорость объектов, движущихся относительно глаз на огромной (относительно мухи) скорости. Изображение предмета последовательно воспринимается каждой из фасеток и информация о нем передается на индивидуальные рецепторы. В итоге возникает серия независимых изображений. Инженеры скопировали принцип мушиных глаз для создания детекторов, очень быстро определяющих скорость летящих самолетов. Такой прибор получил название "глаз мухи".

Другой прибор, на создание которого инженеров вдохновили все те же мухи, необходим для поддержания верного курса самолетов, ракет и кораблей. Прибор получил название вибрационного гироскопа, а его прототипом послужили жужжальца мух - парные придатки, расположенные в грудном сегменте и по форме напоминающие булавки. Как следует из названия, жужжальца издают характерный звук при полете мухи. В последние десятилетия выяснилось, что они нужны насекомым не только для того, чтобы раздражать людей. При движении жужжальца вибрируют, и по изменению натяжения "ножек" муха "понимает", что направление полета изменилось. Ориентируясь по колебаниям жужжалец, насекомое поддерживает желаемый курс.

Другое насекомое, саранча, возможно, поможет инженерам создать новый тип миниатюрных летательных устройств. Саранча считается одним из самых лучших летунов среди насекомых - она способна преодолевать огромные расстояния за счет крайне эффективного потребления энергии при полете. Крылья саранчи имеют очень сложную форму - они покрыты морщинками и ребрышками и снабжены многочисленными выпуклостями и впадинами. Биологи давно подозревали, что секрет полета саранчи скрыт в крыльях, но как именно они проявляют себя "в деле", ученым было неясно.

Авторы одной из недавних работ составили чрезвычайно детализированную модель крыльев саранчи и определили, как влияют особенности их строения на характеристики полета. Кроме того, исследователи "заставили" летать компьютерную модель саранчи, на крыльях которой не было морщинок и ребрышек. Во второй серии опытов ученые дополнительно убрали и изгиб. Эффективность полета саранчи-"инвалида" оказалась существенно ниже, чем у "здоровой" модели, причем основной спад произошел при удалении изгиба.

Небольшие аппараты, летающие так же, как саранча, могут оказаться полезными экологам, которым необходимо проводить мониторинг состояния окружающей среды. Пригодятся они и военным, создающим миниатюрные приборы-шпионы.

За месяц до появления результатов исследования полета саранчи группа ученых из Массачусетского технологического института заявила о создании роборыб. Роборыбы состоят из единого куска пластика, "начиненного" механическими внутренностями, и плавают точно так же, как тунцы или форели. Ученые просчитали и воссоздали характеристики пластика по всей длине тела роборыбы так, чтобы оно совершало те же движения, что и настоящие рыбы. Правда, пока механические животные перемещаются в десять раз медленнее обычных, но авторы пообещали в ближайшее время улучшить их характеристики.

Что-то свое?
Постепенно исследователи учатся все лучше воспроизводить изобретенные природой механизмы, хотя до создания абсолютно точных копий еще очень далеко. Так, химикам до сих пор не удалось синтезировать молекулу, которая по эффективности работы могла бы сравниться с ферментами. Кроме того, terra incognita для исследователей все еще остается человеческий мозг. С высокой вероятностью, в будущем ученые смогут выяснить принципы работы большинства функционирующих в живых системах механизмов. Другой вопрос, смогут ли они когда-нибудь создать что-то, отличное от уже изобретенного природой.