Привет, Хабр! Природа остаётся величайшим источником инженерных решений, вдохновляя учёных и разработчиков на создание технологий, меняющих мир. От микроскопических слизевиков до крыльев бабочек — биомимикрия открывает новые горизонты, позволяя нам переосмысливать материалы, структуры и механизмы.

В этой статье мы продолжаем рассказывать вам о том, как природные механизмы вдохновляют на создание новых технологий. Впереди ещё больше примеров, где биология, физика и инженерия пересекаются, рождая инновации будущего.

Часть 1.

Как плесень вдохновила на создание карты Вселенной

Кто бы мог подумать, что крошечный организм, известный как слизевик, сможет помочь нам разгадать одну из величайших загадок космоса? Учёные из Калифорнийского университета в Санта-Крус пошли по стопам природы и создали алгоритм, который точно моделирует формирование космической паутины — грандиозной сети, соединяющей галактики во всей Вселенной. Идея этого подхода родилась через наблюдение за тем, как в поисках пищи слизевики строят свои сложные сети.

Космическая паутина, возникшая вскоре после Большого взрыва, представляет собой массивную сеть из взаимосвязанных «нитей», по которым распределена материя, включая тёмную. Она соединяет галактики и определяет структуру Вселенной. Однако создание алгоритма, способного точно моделировать эти сложные структуры, оказалось задачей не из лёгких. Традиционные методы на основе распределения тёмной материи помогают, но они не всегда дают полный и точный результат.

Решение стало возможным благодаря слизевикам, которые при поиске пищи создают паутиноподобные структуры, находя оптимальные маршруты между источниками ресурсов. Этот подход стал основой для алгоритма Physarum, разработанного в 2010 году, и его дальнейшей адаптации для работы в трёх измерениях.

Модифицированный алгоритм протестировали на базе данных Sloan Digital Sky Survey, содержащей информацию о строении 37 000 галактик. Результаты подтвердили точность воссоздания структур, полученных методами на основе распределения тёмной материи. Более того, этот алгоритм стал ключевым инструментом для моделирования карты локальной Вселенной в пределах 100 миллионов световых лет от Земли.

Основным преимуществом алгоритма является его способность не только предсказывать формирование космической паутины, но и воспроизводить её с большей точностью, чем традиционные методы.

Чешуя как инженерное решение: природа снижает турбулентность

Учёные Лондонского городского университета создали биомиметическую текстуру, вдохновленную чешуёй морского окуня и карпа. Она способна радикально снижать сопротивление и улучшать эффективность движения в воде.

Любая поверхность объекта неизбежно взаимодействует с окружающей средой, будь то вода или воздух. Гладкие поверхности традиционно считаются более эффективными: чем меньше трения, тем выше скорость и ниже затраты энергии. Однако шероховатость рыбы заставила учёных усомниться в этом стереотипе. Почему же рыбы, с их выпуклыми чешуйками, движутся с такой лёгкостью, несмотря на эту кажущуюся технологическую неэффективность? Ответ оказался скрытым в уникальной структуре чешуи.

Первым шагом учёных стало создание симуляции для изучения того, как вода течёт по чешуе. Оказалось, что структура чешуи создаёт выпуклые ряды в форме ракушек: чередование пиков и углублений формирует полосы ламинарного слабого течения. Такая поверхность, вместо того чтобы вызывать турбулентность, наоборот, замедляет переход к ней, сохраняя поток стабильным. То есть чешуя рыб — это не просто защитный слой. Она представляет собой высокоорганизованную систему, в которой каждая чешуйка работает в паре с соседними. Выпуклости создают слабые потоки, а перекрывающиеся края — оптимальные «долины» для воды. Эта комбинация минимизирует сопротивление, позволяя рыбе двигаться быстрее, используя меньше энергии.

Чтобы подтвердить эти данные, учёные создали биомиметическую чешую на основе рыбьей. Эксперименты показали снижение сопротивления более чем на 25 % по сравнению с гладкими поверхностями. Другими словами, текстура, вдохновлённая природой, позволила существенно сэкономить энергию, имитируя природную адаптацию рыб к движению в воде.

Разработанная технология имеет широкий спектр применения: в авиации, судоходстве и подводных лодках. Уменьшение сопротивления снижает расход топлива, что не только экономично, но и экологично.

Улитки в робототехнике: адаптивные рои для сложных задач

Если вы когда-либо наблюдали за медленным, но уверенным движением улитки, то могли и не подозревать, что этот скромный обитатель сада приведёт к прогрессу в робототехнике. Учёные взяли за основу способность улиток перемещаться по любым поверхностям и разработали роботизированные рои, которые способны работать даже в самых жёстких условиях. Эти купольные роботы не только двигаются индивидуально, но и объединяются для выполнения сложных задач. Поисково-спасательные операции или мониторинг окружающей среды — их возможности впечатляют.

Роботизированные рои давно доказали свою полезность в лабораториях или других контролируемых условиях. Но вот беда: как только они оказываются в реальной, неструктурированной среде, всё становится гораздо сложнее. Жёсткие конструкции и слабые соединения между роботами ограничивают их маневренность, делают систему нестабильной и менее надёжной. А большинство существующих роев вообще неспособны перестраиваться и адаптироваться к изменениям. Итог? Ограничения в применении и узкий спектр задач.

Новый подход к наземным роботам вдохновлён биологией улиток, и это открывает массу новых возможностей. Улитки издавна удивляют своей способностью прилипать к любым поверхностям, будь то вертикальная стена или перевёрнутая крыша. Их секрет кроется в структуре стопы, которая сочетает мускульные движения и выделяемую слизь с уникальными химическими свойствами. Эта слизь позволяет улитке адаптироваться к условиям окружающей среды, обеспечивая как сцепление, так и плавное движение. Именно эта двойная способность стала прототипом для механизма соединений роботов.

Роботы оснащены магнитными гусеницами, которые дают им маневренность и позволяют динамически реагировать на изменения в окружающей среде. Этот режим идеально подходит для ситуаций, где важна скорость и гибкость реагирования.

Но когда на пути возникают серьёзные препятствия — пересечённая местность, плохие погодные условия — система активирует усиленный режим. Тут в игру вступают вакуумные присоски, дополненные полимерными структурами, имитирующими клеящие свойства улиточной ноги. Это обеспечивает невероятную устойчивость и надёжное сцепление даже в самых сложных условиях. Таким образом, рой может переключаться между высокой подвижностью и прочностью конфигурации в зависимости от задач.

Адаптивность двухрежимной системы делает таких роботов незаменимыми в самых разных сферах. Они могут обследовать сложные районы после природных катастроф, мониторить экологические условия или выполнять ремонтные работы в труднодоступных местах. 

Бабочки и водород: как крылья вдохновили на создание точных датчиков

Исследователи из RMIT University создали инновационный датчик водорода, вдохновлённый уникальной структурой крыльев бабочки. Их работа открывает путь к безопасным и энергоэффективным решениям для работы с этим газом.

Водород — бесцветный и горючий газ, который требует тщательного контроля. Традиционные датчики справляются с этой задачей, но есть проблема: они работают только при высоких температурах (150–400 °C). Это не только увеличивает энергозатраты, но и делает процесс менее безопасным. А как обеспечить точное измерение водорода при комнатной температуре?

Крылья бабочки, несмотря на их цвет, чёрные не благодаря пигменту, а благодаря своей способности поглощать свет. Это достигается с помощью сложной микроструктуры: выпуклостей, гребней и отверстий на поверхности чешуек. Такая конструкция направляет свет внутрь чешуек и рассеивает его столбообразными тканями, пока он практически полностью не поглощается. Это гениальное решение природы стало основой для разработки нового типа датчика. Он покрыт тонким слоем сферических фотонных кристаллов, которые имитируют выпуклости крыльев бабочки. Эти микроструктуры невероятно эффективно поглощают свет, что позволяет датчику получать энергию не от тепла, а от луча света.

Процесс выглядит так: на электронный чип наносят слой фотонных кристаллов, а поверх него — композит из титана и палладия. Когда молекулы водорода попадают на чип, они преобразуются в воду, генерируя ток. Измеряя силу тока, датчик определяет концентрацию водорода, причём даже в присутствии таких примесей, как оксид азота. Устройство способно обнаруживать водород в диапазоне от 10 до 40 000 частей на миллион — от уровня, необходимого для медицинской диагностики, до потенциально взрывоопасной концентрации.

Оглянитесь вокруг, и вы увидите идеальную мастерскую, работающую миллиарды лет без права на ошибку. Биомимикрия — это искусство и наука подсматривания у природы, когда её структурные, функциональные и эстетические решения становятся основой для технологий будущего. Этот подход не только вдохновляет, но и напоминает нам: в природе уже есть ответы на многие наши вопросы. Нужно лишь внимательно присмотреться. Биомимикрия — это путь не только к техническим инновациям, но и к лучшему пониманию нашего места в этом мире. Это напоминание, что лучший инженер — это природа, а мы лишь её ученики. И в ней заложен огромный потенциал для наших будущих инноваций.