Муза для ученых

Благодаря многообразию живущих на Земле существ у современных учёных есть практически неисчерпаемый источник вдохновения

На протяжении всей истории человечеству было свойственно подражать и учиться у природы, будь то боевой порядок «черепаха» римской пехоты или вычурный дизайн всемирно известной церкви Святого Семейства в Барселоне. В современной науке подобный подход получил название биомиметики (от греч. bios - жизнь, и mimesis - имитировать).
Однако, если раньше люди копирововали лишь внешнюю сторону какого-либо природного явления или процесса (восковые крылья Икара, летательные машины Леонардо да Винчи и т.д.), то сегодня, с развитием инструментальных методов анализа, у ученых появилась возможность выяснить в мельчайших деталях физические и биохимические основы тех уникальных свойств, что присущи многим живым существам.
Интенсивные исследования ведутся как в области создания новых биомиметических материалов (бесклеевые липкие ленты на основе эффекта геккона, покрытия морских судов, имитирующие акулью кожу, и т.д.), так и в сфере разработки «природоподобных» процессов (способы генерирования энергии растениями, алгоритмы кооперативного поведения насекомых и др.).
Такие страны, как Великобритания, США, Германия и Нидерланды, вкладывают значительные усилия и средства в разработку и развитие «подсмотренных у природы» продуктов и технологий. Объем рынка последних на сегодняшний день составляет около 1 млрд. долларов в год и продолжает стремительно расти.
Сегодня мы хотели бы познакомить читателей с некоторыми из многих коммерчески успешных достижений биомиметической науки.

Рыбомобиль от «Мерседес-Бенц»
Несмотря на свои угловатые формы, тропическая рыбка желтый кузовок-кубик (Ostracion cubicus) обладает необычайно низким коэффициентом гидродинамического сопротивления, что позволяет ей за секунду проплывать расстояние, в шесть раз превышающее длину ее тела.
В 2005 году инженеры автомобильного концерна «Даймлер-Крайслер» попытались по возможности воссоздать коробчатую внешность этого обитателя коралловых рифов в своем экспериментальном автомобиле.
Результат превзошел все ожидания. Имея просторный и высокий салон, машина немецких конструкторов в то же время показала одни из лучших в своем классе значений коэффициента лобового сопротивления (0,19) и топливной экономичности (2,8-4,2 л на 100 км).

Подсмотрено у китов
Изучая строение горбатых китов (Megaptera novaeangliae), профессор биологии Франк Фиш из Университета Вест Честер (Пенсильвания, США) обратил внимание на пилообразные наросты на внешней стороне грудных плавников этих гигантов.
Подобная зазубренность шла в разрез с традиционными представлениями гидродинамики, утверждавшей, что атакующая поверхность лопастей винтов должна быть как можно более гладкой.
Дальнейшие исследования показали, что создаваемые наростами торнадоподобные завихрения предотвращают срыв водных потоков, что снижает сопротивление при движении в воде и обеспечивает китам лучшую маневренность.
В числе прочего, данное открытие было использовано при производстве промышленных вентиляторов и ветряных турбин. В последних использование «зубчатых» лопастей позволило значительно снизить уровень шума и на 20% увеличить выработку электроэнергии за счет более эффективной работы при малых скоростях ветра.

Быть или казаться
В 1665 году английский натуралист Роберт Гук, изучая под микроскопом роскошные перья надхвостья павлинов, высказал верное предположение, что яркая радужная окраска обусловлена особенностями строения перьев, а вовсе не присутствием каких-либо пигментов.
Более поздние исследования показали, что коричневый меланин - это единственный краситель, вырабатываемый павлинами.
Восхищающие же нас всевозможные оттенки зеленых и синих цветов возникают исключительно вследствие интерференции (наложения) и дифракции (преломления) световых волн в перьях этих птиц, имеющих сложную слоистую структуру.
Примерно ту же физическую природу имеет радужная и переливчатая окраска мыльных пузырей и нефтяных пленок.
Как оказалось, подобное окрашивание, получившее название структурного, в живой природе довольно распространенное явление. В отличие от растений, большинство животных и насекомых не способно вырабатывать синий и зеленый пигменты.
По этой причине все те виды бабочек, птиц, жуков и прочих живых созданий, что, подобно павлинам, имеют возможность похвастаться подобной окраской, делают это, за редким исключением, с помощью оптических принципов, а не красителей.
В свою очередь, ученые не могли не обратить внимания на столь элегантное решение, предложенное природой. Так, японская компания «Тейжин Файберс» разработала полиэфирную ткань Морфотекс, поверхность которой имитирует строение ярко-голубых крыльев тропической бабочки Морфо Пелеида (Morpho peleides). Переливающийся металлом Морфотекс никогда не выцветает, и его производство не требует ни грамма красителя.

Мал, да удал
Принцип работы большинства современных инфракрасных сенсоров заключается в использовании полупроводниковых материалов, изменяющих электрическое сопротивление под действием теплового излучения.
В особо чувствительные приборах (тепловизоры высокого разрешения) подобные датчики необходимо охлаждать до температуры жидкого азота, чтобы устранить влияние тепловых шумов.
В то же время, как показали исследования, чувствительность инфракрасных рецепторов (0,13 МВт/м2) жуков-златок из рода Melanophila, способных обнаружить тепло от лесных пожаров на расстоянии в 130 км, превосходит показатели большинства существующих коммерческих ИК-детекторов и сравнима с чувствительностью астрономических радиотелескопов.
Секрет этих насекомых заключается в оригинальном строении их термочувствительных органов, которые представляют собой микроскопические полости, заполненные жидкостью. Последняя под действием теплового излучения расширяется, и возникающее давление передается на особые сенсорные волоски, которые затем трансформируют подобное механическое воздействие в нервный импульс.
Взяв за основу «изобретение» жуков-златок, ученые из Боннского университета (Германия) создали модель высокочувствительного инфракрасного детектора нового типа, где тепловое излучение регистрируется не полупроводниковой матрицей, а микроскопической емкостью, заполненной обычной водой.

Гладко только на бумаге
В заключение отметим, что, несмотря на все достижения современной науки, ученые, как правило, не в состоянии пока что в точности, без определенной доли упрощения, воспроизвести предлагаемые природой решения. Так, например, до сих пор все попытки получения искуственного шелка пауков заканчивались неудачей, при том что как анатомия этих членистоногих, так и состав белков, используемых для построения паутины, довольно хорошо изучены.
Как оказалось, уникальные свойства паутинного волокна определяются не только его химическим составом, но и сложно оркестрированной работой прядильных органов - паутинных бородавок, где 600 прядильных трубочек формируют 7 различных видов первичных шелковых волокон, которые затем сплетаются для производства специализированных (липкая, крепежная и т.д.) нитей.
Воспроизвести такое в лабораторных условиях ученым все еще не под силу.

Александр ЛЕОНТЬЕВ