Оглянитесь вокруг! Нас окружают растения и животные, которые плавают, летают, прыгают, сверлят, перемалывают, стреляют, роют, пережёвывают, поют, строят и так далее, и так далее. И для всех этих действий Природа придумала специальные инструменты. Как вы думаете, можем ли мы позаимствовать их у неё?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №7(23). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Человек, как это ни странно, существо совершенно неприспособленное к жизни. У нас нет ни клыков, ни когтей, ни развитых мышц, даже нет приличной шкуры, чтобы не замёрзнуть в холодную погоду. Вместо всего этого у нас есть мозг, благодаря которому мы не только успешно выживаем, но и, как принято говорить, доминируем на этой планете, а сами себя мы называем, без ложной скромности — «венцами творения». Человек, как правило, вместо того, чтобы приспосабливаться к окружающему миру, пытается этот мир изменить под свои нужды. При этом очень много открытий человек сделал благодаря наблюдению за другими животными — от первобытных инструментов на основе зубов других животных до первых летательных аппаратов.

Намного позже человеческая цивилизация определила целое направление в науке, которое исследует механизмы в природе для использования во благо человека — биомиметика (от латинского «биос» — жизнь и «мимесис» — имитация). С помощью биомиметики были решены многие задачи из медицины, архитектуры, транспорта и энергетики.

Однажды швейцарский учёный Джордж де Местраль, возвращаясь с охоты, обратил внимание на то, что к шерсти его собаки прикрепились головки растения лопуха, которые не падали, как бы сильно собака не тряслась и не бежала. Его заинтересовала причина этой «липкости». Оптический микроскоп показал, что на концах лопуха имеются маленькие крючки. Ведь существует множество путей «скрепить» два разных тела — использовать клейкое вещество и магниты или стянуть их нитью, но природа выбрала самый простой и эффективный способ.

Медики нашли оригинальное применение подобным крючкам, ведь им очень часто приходится иметь дело с соединением тканей организма во время операции. Была придумана специальная нить для наложения швов, на которой расположены маленькие крючки. Эта нить позволяет наложить шов без завязывания узлов, как это принято с традиционными нитями. Нить сама держится в ткани организма благодаря тем же крючкам, которые оказывают сопротивление при натяжении нити. Такая конструкция нити не позволяет ране разойтись и крепко держит ткань организма вместе.

Благодаря биомиметике мы нашли способ очистки воды с помощью протеинов. Протеин — это большая органическая молекула, присутствующая во всех живых организмах. Протеины, используемые для очистки воды, называются аквапоринами. Изначально они были найдены на мембране биологической клетки. Их основная функция — регулирование потока воды через мембрану клетки. Они обладают выборочной пропускной системой: молекулы воды проходят беспрепятственно через аквапорин, тогда как ионы, протоны, бактерии, вирусы, минералы, ДНК, соли отторгаются им из-за электростатической настройки внутри канала этого протеина. За открытие аквапоринов в 2003 году учёный Питер Агре был удостоен Нобелевской премии.

Одна из острых проблем современности — доступ к питьевой воде. За решение этой проблемы взялись учёные из Дании, они создали фильтр из тонкого слоя переплетённого аквапорина. Диаметр каналов в фильтре составляет всего 2,2 нм. Примечательно, что эта тонкая мембрана имеет проницаемость в 100 раз выше, чем у обычных фильтров воды. Они пропускают воду, но не пропускают соли и углеводные составляющие. Этот метод применяется для превращения морской или загрязнённой воды в питьевую воду.

Сегодня с помощью аквапоринов может решиться глобальная проблема очистки воды. Дело лишь за удешевлением производства подобных фильтров, над этой задачей продолжают работать учёные.

Жители пустынных регионов знают, что воду при определённых условиях можно получить из воздуха. Например, люди долго наблюдали за Намибийским жуком. Он во время тумана поднимает свою спину выше головы и замирает. Если присмотреться, можно увидеть, что на поверхности его тела собираются капли конденсированного тумана. Благодаря тому, что спина приподнята, капли воды стекают вдоль неё и попадают жуку прямо в рот. Таким образом жук утоляет жажду. Но в чём секрет?

Секрет кроется в панцире жука, а именно — в её бугристости и водопритягивающих и отталкивающих свойствах. Каждый бугорок на спине жука имеет водопритягивающую вершину и водоотталкивающие края-основания. Поверхность между буграми также обладает водоотталкивающими свойствами. Получается, что туман конденсируется на вершинах бугорков, затем конденсат скатывается вниз по водоооталкивающей поверхности, нигде не впитываясь и не собираясь.

Используя этот механизм, в котором особенную важность играют округлость поверхности и комбинированность её свойств (водопритягивающая и водоотталкивающая), исследователи из Национального университета технологий Сеула разработали бутылки для собирания питьевой воды — Dew Bank Bottle.

Влага из воздуха собирается в ­пустое пространство с прокатанной нижней частью вдоль наклонной поверхности, образуя росу

Как заявляют изготовители «водособирающей» бутылки, она способна накопить до трёх литров воды в час, когда погодные факторы благоприятны. Этот метод можно использовать и в более масштабной форме, например, когда целое здание, находясь в прибрежной зоне, вытягивает влагу из воздуха с помощью круглой сетки в виде паруса, по которой капли воды стекают в специальные канистры и хранятся при низкой температуре, чтобы предотвратить испарение.

Большая часть населения Земли проживает в тёплых или жарких странах, поэтому проб­лема охлаждения жилья, возможно, более насущная, чем её обогрев. Можно ли найти решение проблемы в природе? На помощь пришли термиты, которых считают великими природными архитекторами! Эти древнейшие общественные насекомые занимаются строительством уже более 250 млн лет!

Если вы внимательно изучите «дома-небоскрёбы» термитов, вы обратите внимание, что снаружи они усеяны мелкими дырочками. Это концы узких трубочек, расходящихся от центральной огромной трубы внутри «здания». Как работает эта система? В течение дня воздух в мелких трубах нагревается быстрее и стремится наружу, а в образовавшуюся область низкого давления тут же устремляется прохладный воздух из центра. Так происходит постоянная циркуляция внутри термитника, при этом не затрачивается никакой энергии. В ночное время система вентиляции работает наоборот, воздух в мелких трубах охлаждается быстрее, чем в центральной трубе. Смена направления воздушного потока, в свою очередь, вытесняет богатый углекислым газом воздух — результат метаболизма термитов — который накапливается в подземном гнезде в течение дня. Таким образом температура в термитнике остаётся практически постоянной.

Подобный принцип, например, был успешно применён в Зимбабве для снижения температуры в жилых домах, причём опять же без затрат энергии. Такие задания не наносят вред окружающей среде и экономят приличные деньги владельцам.

Все приведённые примеры были очевидными, то есть люди копировали ту или иную функцию у животных и растений для решения своих аналогичных задач. Но есть примеры, когда подобная связь не так очевидна. Например, крылья у бабочек состоят из многослойных пластин, каждая из которых состоит из более мелких гребней, которые формируют цвет крыльев. Благодаря высокой плотности этих гребней, крылья имеют высокую отражающую способность. 

Цвет без красителей. Свет, поглощённый крыльями бабочек, создаёт цвета без красителей и пигментов

Как это ни странно, но именно такие параметры необходимы для дисплеев электронных книг. Благодаря бабочкам в современных экранах электронных книг используются электрически заряженные гибкие мембраны, которые выложены на зеркальной поверхности, чтобы имитировать отражающие способности биологических пластин. Световые лучи, отражённые от зеркала, преломляются, проходя через мембрану, и интерферируют, создавая цвет. Экраны, разработанные по новой технологии, потребляют до 30% меньше энергии, чем жидкокристаллические экраны. Это связано с тем, что цвет создаётся отражённым лучом, а не самим экраном.

В наши дни для повышения эффективности тех или иных машин, в частности — аэродинамических показателей, часто используют внешнюю форму птиц и рыб. Так, конфигурация передней части японского высокоскоростного поезда скопирована с формы клюва зимородка.

Японский поезд на магнитной подушке Maglev L0 с заострённым носом без высокого воздушного сопротивления может развить скорость до 500 км/ч.

Японские сверхскоростные поезда, выезжая из тоннелей, издавали страшный звук, напоминающий раскатистый гром. Это происходило из-за скопившегося воздуха перед поездом, который резко из-за высокой скорости движения (300 км/ч) высвобождался из тоннеля. Инженеры решили изменить носовую часть поезда, которая формой напоминала пулю. За основу новой конфигурации они взяли клюв зимородка, так как эта птица при нырянии в воду почти не создаёт какого-либо всплеска. Новая конфигурация передней части поезда позволила не только уменьшить в разы грохот при выезде из тоннелей, но и, благодаря аэродинамичности, сэкономить 10–15% на энергозатратах.

Зимородок имеет клиновидный клюв, что позволяет врезаться в другую среду (воду) без создания фронта волн. Если бы клюв у зимородка был закруглённый, то он толкал бы воду вперёд и пугал рыбу, на которую охотится.