Украденные технологии: что человечество заимствует у природы

Время чтения: 3 минуты

Колесо и космический корабль не имеют аналогов в природе, однако многие другие технологические достижения человечества не более чем плагиат инженерных решений, уже найденных биосферой

Вся человеческая цивилизация — история заимствований у природы. Сначала мы просто собирали плоды и коренья, позже научились выделять чуть более сложные вещества вроде пенициллина, а под конец стали использовать биосферу совсем уж изощренно — меняя гены живых существ ради собственных целей. Однако есть и другой способ воспользоваться наработками миллиардов лет эволюции: заимствовать у природы не материальные ресурсы, а идеи. Несмотря на наступление эры высоких технологий, которыми мы так гордимся, примеры природы по-прежнему способны послужить образцом для новых инженерных решений.

Вода

Рак-богомол роскошный (Odontodactylus scyllarus) из семейства ротоногих, он же «павлиновая креветка» — один из самых интересных организмов, если рассматривать его с точки зрения технологических перспектив. Главное достижение этого рака (вернее, не его самого, а эволюции, которая его взрастила) — уникальное устройство зрения. В глазу человека есть лишь три типа цветочувствительных колбочек: два из них помогают отличать синий цвет от желто-зеленого, а еще один дополнительный тип позволяет видеть красный. Для млекопитающих и это роскошь: у большинства наших собратьев-зверей, включая некоторых обезьян, цветорецепторы всего двух типов, и красный они не видят. А у Odontodactylus scyllarus есть не три, а целых 16 типов белков-рецепторов, и можно только фантазировать о том, в каких удивительных красках это членистоногое видит мир. Возможно, раки-богомолы могут видеть и ультрафиолетовое излучение.

Устройство глаз этих животных, от расширенного диапазона цветовосприятия до способности вести линейную и круговую поляризацию света, стали основой идеи камер нового типа.

Еще одним примером, когда существа из морских глубин оказались полезными для ученых, стали осьминоги. Внимание инженеров привлекла их гибкость и способность кардинально изменять свою форму, чтобы взаимодействовать с окружающим миром. Пока исследователям, вдохновлявшимся осьминогами, удалось воссоздать поверхность, изменяющую свой рельеф. В перспективе копирование осьминожьих принципов изменения формы позволит развить гибкую электронику и робототехнику.

Земля

Имитация движения тел животных — давняя фишка инженеров. У автомобиля четыре колеса ровно по той же самой фундаментальной причине, по которой наземные позвоночные имеют четыре конечности. Роботы-андроиды, по сути, имитируют движение тела человека, промышленные роботы-манипуляторы в точности копируют все шесть степеней свободы человеческой руки, а машины компании Boston Dynamics уже сейчас можно по повадкам принять за животных.

Но робототехники продолжают обращаться к природе за вдохновением, и недавно их внимание привлекли тараканы. Ученые из университета Гарварда изучали манеру передвижения насекомых, в результате чего выяснили, что крепкий внешний скелет таракана позволяет ему преодолевать препятствия необычным способом. Таракан вначале фактически врезается в преграду, после чего меняет направление движения, не теряя скорость (другими словами, очень экономно расходует кинетическую энергию). Благодаря этому свойству таракан легко спасается от своих недоброжелателей. Большой интерес для инженеров представляет также способность насекомых проникать в самые узкие щели, несмотря на наличие жесткого хитинового панциря.

Говоря о технологиях, подсмотренных у животных, нельзя не упомянуть об авиации: создатели первых самолетов пытались подражать птицам даже чересчур буквально, заставляя свои машины махать крыльями. Но время расставило все по своим местам: от птиц человек стал учиться их аэродинамике и применил ее даже в наземном транспорте.

Инженеры скоростных железных дорог в Японии столкнулись с проблемой из-за гористой местности этой страны. Для прокладки путей приходилось строить много тоннелей, но при въезде в них локомотив сжимал воздух перед собой. Выход из рукотворных пещер сопровождался громким хлопком, пугающим как пассажиров, так и внешних наблюдателей.

Проблема была решена благодаря одному из инженеров, который помимо работы увлекался орнитологией. Он обратил внимание, что зимородки, ныряя в воду, практически не создают всплеска воды. По мнению инженера, это связано с формой их клюва. Конечно, чтобы развить эту идею, потребовалась масса экспериментов в аэродинамической трубе, но отправной точкой для испытаний стала форма птичьего клюва. В результате локомотивы получили «птичий нос» и стали выходить из тоннелей гораздо тише.

Еще одна технология летающих животных могла бы найти применение в электронных книгах. Ученые использовали принцип отражения света чешуйками на крыльях бабочек-нимфалид, разработав на его основе материал для цветных электронных чернил Mirasol. Кроме того, свойство крыльев бабочки менять цвет в зависимости от температуры ляжет в основу создания датчиков перегрева.

Исходники

Электромотор и генератор — это все же вполне честные человеческие изобретения. Подсмотреть в природе их прототип изобретатели никак не могли: в XIX веке еще не было электронных микроскопов, позволяющих в деталях рассмотреть устройство и принцип работы фермента АТФ-синтазы, молекулярной машинки размером порядка десятков нанометров. Между тем принцип работы электрических машин воплощен в этом белке с исключительным изяществом.

Неподвижная часть (аналог статора) закреплена в мембране митохондрии или хлоропласта, а внутри находится вращающаяся часть молекулы — ротор. Этот молекулярный мотор использует разность потенциалов на мембране: при клеточном дыхании из митохондрии выталкиваются положительно заряженные ионы водорода. Оттуда они стремятся проникнуть обратно внутрь, где заряд отрицательный, однако их единственный путь в митохондрию пролегает через молекулярный мотор АТФ-синтазы. Поворачивая «ротор», протоны заставляют белок синтезировать молекулу АТФ — внутриклеточное топливо. У АТФ-синтазы может быть и другой режим работы: когда АТФ много, а напряжение на мембране недостаточное, фермент может использовать топливо и качать протоны в другую сторону, увеличивая разность потенциалов. Таким образом, единственная молекулярная машинка размером в 20 нм сочетает в себе свойства генератора и электромотора.

Остается лишь надеяться, что сроки действия патентов на изобретения природы истекли сотни миллионов лет назад, и нам удастся подсмотреть у нее еще много интересных инноваций.