Леонардо да Винчи обращался к природе в поисках конструкторских решений. Он пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.
Гюстав Эйфель, построивший в 1889 году чертеж Эйфелевой башни, также применял метод биомиметики. Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе профессора Хермана фон Мейера. За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав и при этом не ломается под тяжестью тела.
В настоящее время у его метода появилось официальное название: биомиметика, заимствование идей у природы и использование их для решения задач, стоящих перед человеком.
В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по биомиметике, который официально закрепил рождение новой науки. В России, вместо биомиметики, чаще употребляется термин бионика.
Открытия в области биомиметических систем готовят революционный переворот в области синтеза новых материалов. Различают:
- биологическую биомиметику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
- теоретическую биомиметику, которая строит математические модели этих процессов;
- техническую биомиметику, применяющую модели теоретической биомиметики для решения инженерных задач.
Биомиметика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Основные направления работ по биомиметике охватывают следующие проблемы:
- изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробиомиметика);
- исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
- изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
- исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
В последнее время рассматриваемое направление бурно развивается. Импульсом этого послужило развитие нанотехнологий, которые позволяют копировать миниатюрные конструкции с большей степенью точности. Основные преимущества «природных конструкций»:
- Энергоэффективность. Способность к жизнедеятельности живых организмов при потреблении минимального количества энергии, основана на уникальном метаболизме животных и на обмене энергией между разными формами жизни. Заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.
- Дешевизна.
- Распространенность в огромном количестве.
- Качество. Например, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям;
- Дизайн.
- Адаптивность. Форма биологического объекта обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных, так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в совокупности обеспечивает невероятную прочность изделия на протяжении всего жизненного цикла. Такая адаптивность в процесс формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой интеллектуальной системой.
Примеры биомиметических изобретений
Микропроцессор. Компания IBM разработала микропроцессор Airgap с использованием методов самосборки, обнаруженных в ходе исследования процесса образования снежинок. Колонии пчел послужили основой для алгоритмов оптимизации Интернет-серверов.
Компьютерный алгоритм. Новый алгоритм под названием «инфотаксис», разработанный учеными в институте Пастера, университете О-Марсель и университете Калифорнии, имитирует поведение мотылька при поиске источника запаха, чтобы повысить точность целевого поиска. Мелани Митчелл, профессор кафедры вычислительной техники в университете Портленда, применяет теорию естественного отбора к поиску мультимедиа-материалов, идентифицируя наиболее полезные критерии поиска и сохраняя лишь самые эффективные методы.
Самоочищающееся покрытие. Американские исследователи из университета Клемсона на основе детальных исследований структуры листьев лотоса создали «самоочищающееся» покрытие, которое отталкивает гораздо больше воды и грязи, чем обычные ткани. По словам химика-текстильщика Фила Брауна, покрытие не очищает само себя, оно просто отталкивает грязь лучше, чем любая существующая сегодня ткань. Принцип действия позаимствован у природы. Как было установлено, листья лотоса обладают свойством «самостоятельного очищения», их поверхность отталкивает большую часть грязи и воды. Поверхность листа лотоса устроена таким образом, что капля воды катится по нему, собирая грязь. А на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте.
Созданная ткань, даже если ее пытаться сильно испачкать, будет отталкивать большинство мокрой грязи. А оставшуюся можно будет легко смыть обычной водой. Использование различных наночастиц в составе нового покрытия, безвердного для окружающей среды, позволит ткани приобрести ряд полезных свойств: от поглощения неприятных запахов до уничтожения микроорганизмов.
Новое запатентованное покрытие пока не имеет официального названия. Его можно нанести практически на любую ткань, включая шелк, полиэфир и хлопок. Однако технологический процесс достаточно сложен и не может быть реализован в промышленности, пока не будет создан простой и надежный принцип обработки ткани в несколько этапов. Тем не менее, ткани, обработанные новым покрытием, могут появиться на рынке уже к 2010 году.
Монопод. Ученые Стенфордского университета разработали одноногого прыгающего монопода человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. В дальнейшем планируется создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы.
Печатная схема. В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox отсутствуют подвижные части. В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.
Печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.
Архитектура. Примерно через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня. Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева». Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м., а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами — перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов — разновысокие дома с вертикальными садами.
Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты — аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить еще несколько таких зданий-городов.
Оптоволокно. Исследователи из Bell Labs, структурного подразделения Lucent Technologies, обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях.
Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно может оказаться лучше искусственного. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации — при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция.
Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение природы. Если удастся смоделировать этот процесс, он будет, помимо всего прочего, еще и экономически выгодным. По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки.
Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.
Анализатор. Ведутся работы и по имитации слухового анализатора человека и животных. Изучаются органы обоняния животных с целью создания «искусственного носа» — электронного прибора для анализа малых концентраций пахучих веществ в воздухе или воде. Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение, у акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры на 0,1С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям обладают улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха. Комары двигаются по замкнутым маршрутам в пределах искусственного магнитного поля. Некоторые животные хорошо чувствуют инфра- и ультразвуковые колебания. Некоторые медузы реагируют на инфразвуковые колебания, возникающие перед штормом. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в диапазоне 45–90 кгц, мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют «приёмник ультразвука» для обнаружения летучих мышей.
Искусственная кожа. Исследование морфологических особенностей живых организмов также даёт новые идеи для технического конструирования. Так, изучение структуры кожи быстроходных водных животных (например, кожа дельфина не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что обеспечивает устранение турбулентных завихрений и скольжение с минимальным сопротивлением) позволило увеличить скорость кораблей. Создана специальная обшивка — искусственная кожа «ламинфло» , которая дала возможность увеличить скорость морских судов на 15–20%.
Авиастроение. У двукрылых насекомых имеются придатки — жужжальца, которые непрерывно вибрируют вместе с крыльями. При изменении направления полета направление движения жужжалец не меняется, черешок, связывающий их с телом, натягивается, и насекомое получает сигнал об изменении направления полёта. На этом принципе построен жиротрон - вильчатый вибратор, обеспечивающий высокую стабилизацию направления полёта самолёта при больших скоростях. Самолёт с жиротроном может быть автоматически выведен из штопора. Полёт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из причин этого — особая форма движения крыльев, имеющая вид восьмёрки.
Необходимо отметить, что приведенные выше примеры являются лишь первыми пробами биомиметики. Природные конструкции еще более совершенны, чем изобретенные человеком.