Биомиметика что это такое
Что такое биомиметика?
Биомиметика представляет собой подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы. Одним из удачных примеров биомиметики является широко распространенная «липучка», прототипом которой стали плоды репейника, цеплявшегося за одежду Ж. де Местраля.
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:
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:
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»:
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.
Необходимо отметить, что приведенные выше примеры являются лишь первыми пробами биомиметики. Природные конструкции еще более совершенны, чем изобретенные человеком.
Биомиметика что это такое
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.
Джордж де Местраль
Швейцарский изобретатель знаменитой застёжки-липучки, известной в англоязычном мире как Velcro. Свой первый патент он получил ещё в 12 лет, когда разработал игрушечный самолёт.
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.
Питер Агре
Американский профессор, медик и молекулярный биолог, лауреат Нобелевской премии по химии за открытие и исследование аквапорина. Президент Американской ассоциации развития науки (AAAS), крупнейшей научной организации США.
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.
Что такое биомиметика?
29 января 2018
Биомиметика — современное и перспективное направление в косметологии. Объясняем подробно, в чем его суть.
Это разработка косметических ингредиентов с теми же механизмами действия, которые уже успешно существуют в природе.
Яркий пример применения биомиметики — пептиды, работающие в точности, как собственные пептиды, производимые в организме человека. Например, биопептид Arg-Tyr, содержащийся в серии Teana “Пятое чувство”, способствует высвобождению в коже про-эндорфинов — предшественников гормонов счастья.
1. Один из самых известных биомиметических пептидов — аргирелин. Он оказывает эффект, подобный ботулотоксину — ослабляет передачу сигналов, вызывающих сокращение мимических мышц, тем самым уменьшая морщины. Содержится в Криосыворотке от мимических морщин, а также сенсорном геле для кожи вокруг глаз из серии “Пятое чувство”.
2. Ферменты протеобактерий — специфические вещества, вырабатываемые бактериями в экстремальных стрессовых условиях (при сильных холодах, засухе, высоких температурах). Они также нашли применение в средствах по уходу за кожей. Пример — Antarcticine (фермент антарктических протеобактерий), который содержится вампулированных своротках Teana. Он придает клеткам кожи устойчивость к обезвоживанию, снижается чувствительность к холоду или жаре, стимулирует процессы восстановления и омоложения.
3. Нейроактивные пептиды, воздействующие на нейрорецепторы кожи. Пример — Neurophroline (содержится в новых сыворотках серии Stress Control), который снижает негативное воздействие на кожу гормона стресса – кортизола. В результате кожа становится менее реактивной, успокаивается, уходят покраснение и раздражение, восстанавливается ее сияние.
При этом родственные коже вещества (например, гиалуроновая кислота — аналог той, что вырабатывается в нашем организме) — не относятся к биомиметике.
Статья подготовлена специалистами бренда Teana
Всё исключительное и идеальное уже давно существует и инженеры тут не при чем. Разберемся более детально. Что общего у зимородка, стручков коклюша и намибийского жука? Помимо того, что они были живыми организмами, все они служили источником вдохновения для творческих человеческих технологий для решения сложных проблем. Природа создала много шедевров, и чем дальше продвигается человек по пути развития технологий, тем больше полезных уроков живой мир может преподать ученым и инженерам. Само по себе заимствование применялось с давних времен: попытки изготовления конструкций по примеру природных были описаны еще в древнегреческих мифах, однако пионером в этой области считается Леонардо да Винчи, интересовавшийся техникой птичьего полета с целью создания устройства для передвижения в воздухе. Вот лишь небольшая часть таких изобретений.
Репейник вдохновил Джордж де Местраль на крюк и липучка Velcro застежки, которые сегодня применяется в производстве обуви, одежды, различных аксессуаров, в оборудовании станков и даже на орбите – на Международной космической станции.
А спина намибийского жука подсказала людям решение проблемы нехватки воды в пустыне. 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.
Влага, которую жук получил благодаря своей способности, составляет около 40 % веса его тела.Способность этого жука вдохновила людей на создание уникальной техники сбора воды. Создатель данной системы Пак Китэ (Pak Kitae) из Сеульского технического университета. Его изобретение копирует форму и функцию панциря жука, чтобы утреннюю росу превратить в питьевую воду для тех, кто живет в местах с ограниченным доступом к воде.
При проектировании стратегических самолетов-разведчиков в шестидесятых придумали рассекатель воздушного потока, созданный по аналогии с устройством нозрей сокола-сапсана. Когда воздухозаборник двигателя принимает полный объем воздушного потока, проходящего через поперечное сечение его входного отверстия, воздухозаборник двигателя работает, как говорят, в «полном режиме». Если по какой-то причине, такой как неспособность двигателя пропускать весь воздушный поток или из-за другого ограничения, воздухозаборник двигателя не может принимать полный объем набегающего потока воздуха, избыточный воздух уходит вокруг наружного обтекателя, и воздухозаборник двигателя летательного аппарата, как говорят, работает в «режиме сброса». Система, защищающая его легкие от чрезмерного давления на высоких скоростях, позволила в том числе достичь скоростей в три раза выше скорости звука.
Это и есть биомимикрия (от др.-греч. βίος «жизнь» + μίμησις «подражание») – область инженерии, в которой мы черпаем вдохновение из окружающей среды, – является частью науки на протяжении тысячелетий, однако сам термин возник лишь в 1997 году в книге «Бионика: инновации, вдохновлённые природой» Джанин Бенюс. Это подход к инновациям, определяемый Институтом биомимикрии в штате Монтана (где занимаются поддержкой проектов, вдохновленных живыми системами) как поиск: устойчивых решений человеческих проблем путем подражания проверенным временем моделям и стратегиям природы. В природе существует множество решений, и мы узнаем о них все больше и больше.
Компания Altair Engineering, Inc. – один из мировых лидеров на рынке программных систем компьютерного инжиниринга и разработчик универсальной платформы HyperWorks, предназначенной для решения мультидисциплинарных задач, включая задачи оптимизации, – приняла участие в торжественном открытии выставки «Inspiring Nature, inspired Technology: Biomimicry and Transportation» в Музее изобретений Жозефа-Армана Бомбардье (г. Валькорт, Канада). Среди экспонатов выставки – примеры оптимизированных с помощью программных систем Altair изделий и конструкций, в основе разработки которых лежат принципы биомимикрии, а центральное место в экспозиции выставки заняла модель силового каркаса автомобиля, которая была спроектирована и оптимизирована с применением программных продуктов Altair OptiStruct, RADIOSS и solidThinking Inspire.
Кузовковые (рыба-коробочка) и бионический автомобиль В мире автомобильного дизайна, где аэродинамика, безопасность, вместительность и экологичность являются взаимоисключающими атрибутами, некоторые ищут путь, который позволит соединить все эти характеристики в одну машину. Инженеры в компании Mercedes-Benz обратили внимание на рыбу- коробочку. Несмотря на то, что с первого взгляда рыба выглядит
довольно неуклюже, ее формы развились таким образом, что в воде она передвигается с большой эффективностью. В результате эксперимента появился бионический автомобиль (Bionic Car), который отличается легкой конструкцией и удивительными аэродинамическими способностями.
Платформа HyperWorks, разработанная Altair Engineering, включает в себя препроцессоры для создания расчетных моделей объектов и сборок, генерирования 2D и 3D конечно-элементных сеток, ряд решателей задач прочности, линейной и нелинейной динамики, теплопроводности, гидроаэродинамики, электромагнетизма, расчета композитных конструкций, моделирования краш-тестов и дроп-тестов, программы моделирования производственных процессов (экструзия, штамповка, литье) и ряд постпроцессоров для обработки полученных результатов и автоматизированного создания отчетов. Также платформа HyperWorks включает в себя программные системы многокритериальной топологической оптимизации как изотропных материалов, так и анизотропных конструкций (созданных технологией 3D-печати из анизотропного порошка) и композитных структур.
птиц. Человеку при любом освещении стекла здания кажутся совершенно прозрачными, птицы видят тонкий рисунок-паутину, отражающуюся в UV-лучах, и облетают здание. Исследовательский деревянный павильон (совместный проект институтов ICD и ITKE, а также Штутгартского университета) построен из сотен разных пластин. Проект появился благодаря
наблюдениям за морфологией скелета плоского морского ежа. Офисное здание в немецком городе Эссен – один из вариантов реализации проекта гомеостатического фасада: металлические «перья» на фасаде здания реагируют на изменения окружающей среды и регулируют собственную тень.
Такими вопросами задается наука биомимикрии. Ответы на эти вопросы, а также на те, что были заданы другими дисциплинами, ищущими способы решения сложнейших задач, дали нам в результате многочисленные значительные технологические достижения.
В Парке науки имени Дэвидсона при научно-исследовательском институте Вейцмана в Реховоте 1 июля 2019 открылась большая летняя выставка для всей семьи «Животные, растения, природа – имитирующие изобретения» – первая выставка такого рода для всей семьи. Эта экспозиция – уникальная возможность заглянуть в мир природы, технологий и науки и поразмышлять о взаимоотношениях человека и нашего ежедневного быта с этими сферами.
Эпоха биомимикрии, в отличие от промышленной революции, основана не на потреблении природных ресурсов, а на том, чтобы перенять опыт природы, – пишет Джанин Бенюс в статье «Жизненные уроки биомимикрии».
Исследователи в области материаловедения и инженерии работают над множеством различных веществ. К ним относятся биоматериалы (имплантируемая керамика, зубная керамика и титановые сплавы) и различные технологии нанесения покрытий (термические барьерные покрытия в турбинных двигателях, коррозионностойкие покрытия и каталитические носители).
Биомимикрия помогла ученым разработать решения, которые мы в противном случае, вероятно, не исследовали бы. Вдохновение пришло от самих организмов, от того, как организмы создают материалы и как организмы работают вместе. Например, на основе структур, наблюдаемых на листьях растений, специалисты выращивали керамические покрытия при комнатной температуре для изготовления масляных и водяных фильтров на бумаге и на медной сетке.
Как работает биомимикрия
Разве без летающих насекомых, птиц и плавающих семян мы смогли бы создать самолеты, планеры, парашюты или вертолеты?
Посмотрите, как семя клена падает на землю или как семя одуванчика парит в воздухе, и я уверен, что вы начнете задавать больше вопросов.
Люди, как правило, любопытны и наблюдательны, и инженеры сделали много новшеств, глядя на природный мир в поисках вдохновения. Мы стремимся понять, а затем “копируем” существующие решения. Процесс биомимикрии также заключается в том, чтобы быть любопытным и наблюдательным. Мы следуем дисциплинированному процессу, чтобы задавать вопросы и искать ответы, глядя на то, что уже есть в природе.
Зачем нужны рельефные (папиллярные) линии на пальцах? На шинах колес протекторы увеличивают сцепление с дорогой, достигается это за счёт выдавливания воды из-под поверхности соприкосновения колеса с дорогой. Данные исследования, очень схожи с прикосновениями человека, так как сцепление пальцев человека с определенной поверхностью образуется при оптимальной влажности, то есть количестве жидкости, между определенными
Почему ноготь легко сломать поперёк пальца и сложно сломать вдоль пальца? Оказывается волокна кератина, (кератин – это фибриллярный белок, основа ногтя), расположены вдоль кромки пальцев с внутренней части ногтей (в глубине ногтевого слоя). За счет разнообразного направления волокон кератина по поверхности ногтя, ноготь защищен от ломкости во всех его направлениях.
Почему зубы у человека имеют волнистую кромку? Данная кромка способствует хорошему удержанию пищи во рту, и оказывает отличную помощь для её размельчения (косой кромкой зуба).
Почему при ходьбе мы размахиваем руками? Оказывается, размахивание руками уменьшает энергетические затраты человека при ходьбе, а достигается это за счет уменьшения крутящего момента в определенной точке касания ноги с поверхностью земли, все это подтверждается множественными экспериментами.
Затем мы определяем механизмы, с помощью которых выполняются эти функции, — мы переходим к химии и физике этих механизмов. Последняя стадия — это абстрагирование естественной формы, процесса или экосистемы в другую цель — имитацию для нашего собственного использования.
Наблюдение и создание модели в бионике — это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижение требуемых в задаче показателей.
И поэтому многие бионические модели, до того, как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.
На основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них — изыскание лучшей экспериментальной технологической основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт неформализованного «размытого» моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач оптимального управления, экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п.
Стоит обратить на это внимание. Рассмотрим исследовательский проект по разработке новых способов получения структурированных катализаторов (покрытий, которые лучше всего позволяют проводить химические реакции.) Команда обрабатывала металлическую проволочную сетку для получения керамических волосоподобных структур, на которые мы должны были нанести металлические наночастицы.
Инженеры могли бы изготовить сетку, но однажды один аспирант сказал, что происходит что-то “странное”. Он не смог получить раствор прекурсорананочастиц (смесь химических веществ, которая помогает сделать конечный продукт), чтобы смочить обработанную проволочную сетку. Проволочная сетка плавала в жидкости на водной основе.
Инженеры не понимали, что происходит, и поэтому рассматривали структуру в микроскоп. Они по-прежнему ничего не понимали и поэтому «обратились к природе». Один из инженеров отправился в теплицу в кампусе, вооружившись бутылкой с водой. Управляющий показал множество растений, которые удивительным образом отталкивали воду. Он побрызгал на них водой, чтобы посмотреть, что произошло…
Гидрофобные (водоотталкивающие) покрытия, основанные на структуре восков, обнаруженных на листовых поверхностях, используются во многих областях применения — от красок до производства электроэнергии, где эффективность может быть достигнута путем контроля образования капель в конденсаторах и котлах. Обращая внимание на то, как ведет себя природа, и приступая к изучению химических и физических механизмов, мы можем создавать биоинспирированные решения из других материалов и для различных применений.
Рост костной ткани
В старших классах мой друг рассказал мне о дефекте кости в ноге — большой дыре в бедренной кости. Он бежал, и его бедренная кость сломалась, он упал. Очнулся в больнице на пять сантиметров короче. Почему? Потому что 25 лет назад дефекты костей не могли быть легко восстановлены, и поврежденные ткани пришлось удалять хирургическим путем. Там не было ничего похожего на кость, что можно было бы поместить на место поврежденной ткани, чтобы вырастить новую кость. Его совершенно здоровую ногу тоже пришлось укоротить.
Сегодня, благодаря биомимикрии, мы можем восстанавливать и регенерировать костную ткань — сломав ногу, вы не обязательно станете короче! Как мы можем теперь делать то, что не могли раньше? Мы узнали, как организм выращивает костную ткань, и смогли стимулировать рост костей, имитируя природные процессы.
Теперь мы можем делать стекло в лаборатории, имплантировать его, и на его месте вырастет новая кость. Три месяца спустя от стекла не осталось и следа. Это звучит очень похоже на зелье «Скель-Гро» из серии «Гарри Поттер», но без мерзкого вкуса! Наши инновации были вдохновлены нами самими – ведь мы тоже часть природы.
Биоактивное стекло, кремнеземное стекло на основе фосфата кальция, которое стимулирует резорбцию материала и рост костей, часто используется в стоматологических приложениях для костных трансплантатов. Материал помещается в костный дефект, и со временем, под воздействием биологической среды, стекло разъедается и сигнализирует костным клеткам (остеобластам) прикрепляться и размножаться на поверхности и формировать новую кость. Имплантированное стекло полностью растворяется и заменяется новой костью.
Биомимикрия и будущее
А как насчет будущего? Мы видим и узнаем так много нового о том, что происходит в естественном мире через время и сложные научные исследования, что трудно предсказать, что мы можем узнать в будущем. Производственные процессы живых организмов отличаются высокой энергоэкономичностью и в корне отличаются от способов современного производства товаров с использованием огромного количества энергии и материалов. Нет сомнений, что природа может дать нам подсказку для решения проблем окружающей среды и энергетики, с которыми столкнулось человечество. Многие люди начинают это понимать, и экономисты связывают с биомиметикой большие надежды. Они верят, что она может стать движущей силой для изобретений инноваций следующего поколения. Существуют даже расчеты зоологического парка в американском Сан-Диего, который через пятнадцать лет будет производить 300 миллиардов долларов ВВП в год и обеспечит рабочими местами 1,6 миллиона человек.
При жизни Стив Джобс говорил: «Инновации 21 века появятся из области пересечения биологии и технологии. Начинается новая эпоха, точно так же как начиналась цифровая эра в то время, когда мне было столько же лет, сколько моему сыну».
Изучение биомиметики быстро развивается, но с другой стороны в этой области остается много нерешенных вопросов. Самым основным из них является вопрос коммуникации исследователей из разных сфер науки. Решением может стать возможность быстрого обмена информацией и знаниями между и внутри самих областей, занимающихся биомиметикой, таких как биология, естественная история, инженерия. Однако сейчас эти области сильно разведены, в каждой продолжаются свои исследования, и организовать совместную работу, которая бы привела к появлению новых идей, довольно сложно.
Профессор Ситамура из университета Тохоку, один из лидеров исследования биомиметики в Японии, поясняет ситуацию: «Например, термины, использующиеся в таких сферах как биология, естественная история и инженерия, отличаются в зависимости от области науки, ученые просто не понимают друг друга. Ситуация такова, что исследователи по инженерии не понимают того, что написано в работах по биологии. Как бы ни были уникальны достижения биологов, они не будут связаны с изобретением новых технологий и продуктов, если о них не будет известно инженерам».
Исходя из этого, Ситамура занялся созданием базы данных, которая проводит параллели между терминами и информацией из двух областей: биологии и инженерии. Особенностью этой базы станет новая поисковая технология, которая поможет инженерам получить ссылку на информацию по биологии после ввода в поисковое окно своего привычного термина.