Принято считать, что человек, "Венец эволюции", и, наверное, это правда, ведь только человеку может прийти в голову такая дерзновенная мысль, чтобы начать повторять и улучшать природные решения, которые природа разрабатывала миллионы лет!
Человек изучает природу, и старается использовать её достижения в своих целях, в процессе создания искусственных объектов.
Одним из таких интересных направлений инженерного искусства являются, так называемые "биомиметические подходы"...
Под термином "биомиметика" - скрываются целых два греческих слова: bios – жизнь и memesis - подражание, в совокупности обозначающих собой специальную область знаний, где, на основе инженерного подхода, изучаются природные: явления, процессы, формы, взаимодействия объектов и (или) субъектов друг с другом, где, в результате такого анализа природной среды, инженеры могут выявлять интересные высокоэффективные подходы, за которыми обычно стоят миллионы лет работы "природного инженера".
Природные решения обычно отличаются остроумностью, эффективностью, минимализмом, и, иногда, неочевидностью, так как люди до этого ещё не дошли, однако, каждое такое маленькое открытие позволяет науке совершать скачки в развитии.
Сам термин появился ещё в 1950-х годах, будучи введённым в оборот, с лёгкой руки американского биофизика и инженера Отто Шмидта, где, трудясь над своей докторской работой, он попытался воспроизвести механизм передачи нервных импульсов кальмара, где в процессе их изучения заметил, что передача сигнала у кальмаров имеет некоторый пороговый уровень, то есть, возникает, только при определённой интенсивности стимуляции, ниже которой сигнал отсутствует.
Размышляя над всем этим, он подумал, что было бы неплохо воспроизвести этот механизм в технике, например, чтобы, базируясь на переменчивом аналоговом сигнале, высокой зашумленности, при определённом его значении, выдавать единицу на управляющую схему.
В итоге, его работа увенчалась успехом, и было разработано новое электронное устройство, которое нам теперь известно как Триггер Шмидта, в котором появилась логическая зона, получившая название гистерезис (от греч. "запаздывание"): если величина сигнала находится в пределах этой зоны, то система находится в последнем положении, в котором находилась.
Если сигнал превысит некоторый пороговый уровень, то система резко переключается на 1 (если система была в состоянии "0").
Если система была в состоянии логической единицы, а сигнал падает ниже определённого низкого уровня, то происходит переключение в "0".
Подобный подход позволяет успешно фильтровать дребезг контактов и всевозможные помехи, исключая ложные срабатывания системы.
Однако, корни понятия биомиметики, несмотря на относительно недавнее появление термина, простираются ещё дальше в историю: например, по дошедшим до нас преданиям, в Древнем Китае жил некий мастер Лу Бань, который явился первым создателем известного типа китайского зонта, где источником вдохновения для него послужил лист лотоса, под которым, как он увидел как-то раз, дети прятались от дождя.
В наше время эти зонты известны под названием Цзялу:
Основа для такого зонта изготавливается из бамбука, после чего, на него натягивается бумага, пропитывается маслом и оставляется на солнце.
После высыхания масла, края бумаги подрезаются, а на зонт наносятся краска и узоры.
В дальнейшем, этот зонт распространился на всю юго-восточную Азию, где, например, в Японии, стал известен под зонтом Гифу (по имени японского города, где они производятся).
Или, из истории ещё известен пример древнеиндийского хирурга Сушрута, который создал свои хирургические инструменты, позаимствовав их конструкцию у челюстей животных.
Много позже, уже в эпоху Возрождения, вдохновлялся природой и знаменитый Леонардо да Винчи, который, при создании концепции своего орнитоптера (искусственного махолёта) очень хорошо изучил механику полёта птиц и летучих мышей.
Но, научные познания тех лет ещё были далеки до создания искусственного летательного аппарата, поэтому, ему не было суждено увидеть полёт подобных систем при своей жизни:
В наше время, такие системы стали абсолютно реальны и, энтузиасты строят как полноразмерные, так и довольно маленькие аппараты.
Любопытным здесь является то, практически каждый может попробовать свои силы и собрать подобный орнитоптер, так как в сети существуют целые сообщества людей, которые строят успешно летающие орнитоптеры, а для машущего полёта используют обыкновенные сервомашинки, для хобби-творчества!
К слову, этот подход является самым привлекательным, так как он самый простой - в противном случае, если использовать специальный машущий привод (а такие тоже есть), то он весьма сложен и дорог.
Поэтому, использование сервомашинок является предпочтительным из-за своей простоты, что даёт шанс каждому приобщиться к машущему полёту:
Однако, вернёмся к нашей истории...
Много позже, уже в 1941 году, также, опираясь на природу, была изобретена и знаменитая "липучка" для одежды, автором которой явился швейцарский инженер Жорж де Мистраль, который, после очередной прогулки со своей собакой, очищая её от репейника, неожиданно проявил повышенный интерес к причинам, за счёт чего репейник так хорошо удерживается на собаке, где ведомый своим интересом, изучил репейник под микроскопом.
Результат мы все знаем - был создан материал, с искусственной имитацией крючков, как у настоящего репейника, и этот материал затем широко распространился по всему миру...
Также, удивляет хрестоматийный пример рака-богомола, который обладает фантастическим приспособлением, для нанесения страшных ударов: одна из пар его грудных ногочелюстей, способна нанести удар, со скоростью в 80 км/ч за миллисекунды!
Так как сам рак живёт в воде, то, в результате такого быстрого удара возникает кавитация: образование полости низкого давления, которая затем схлопывается с огромной силой, в результате чего, образуется ударная волна, а также кратковременный скачок температуры, по разным оценкам, достигающей от 3000°С до 5000°С (возможно и больше)!
Таким образом, поражающих эффектов возникает два: непосредственный удар клешнями по противнику (сравнимый с попаданием пули 22 калибра!), а также воздействие на него мощной ударной волны от кавитации.
Удар настолько мощен, что разрушает раковины моллюсков, и, даже если рак промахнулся, то это мало поможет жертве: её на расстоянии поражает ударная волна от кавитации!
Но, для нас интересен не этот его природный арсенал, а каким образом он сам остаётся целым - ведь "сила действия равна силе противодействия"?!
В процессе изучения клешней этого рака, выяснилось, что она состоит из интересного материала, называемого структура Булигана которая представляет собой столбик из закрученных в спираль пластин из хитина:
Если на такой материал воздействует ударная волна, то она, распространяясь по нему, рассеивается, в процессе воздействия, заставляя структуру несколько скручиваться, вместо того чтобы распространяться по прямой линии, и расколоть (если бы это был какой-то иной, например, монолитный материал).
Таким образом, это структура в клешнях рака, обладает очень малым весом, и в то же время, очень большой прочностью, для сопротивления таким неблагоприятным факторам, как ударная волна.
Это открытие привело к целому ряду практических разработок композитных материалов, например, для аэрокосмической отрасли, для создания бронежилетов и бронепанелей для транспортных средств, где последние показали повышенную стойкость к удару, превосходящую примерно на 25% броню других типов.
А идея с практическим использованием кавитации, подтолкнула к разработке новых способов разрушения горных пород и даже камней в почках!
Или, взять того же самого жука бомбардира (ещё один хрестоматийный пример!), у которого имеется в арсенале, возможно, ещё более потрясающий механизм: у него в брюшке расположено две ёмкости, в одной из которых находится смесь гидрохинонов, а в другой - перекись водорода.
В момент потребности атаковать, эти компоненты впрыскиваются в третью камеру, стенки которой покрыты катализатором, где возникает весьма активная реакция термического разложения перекиси водорода с параллельным окислением гидрохинонов, где этот кипящий и нагретый до 100°С яд резко выбрасывается в сторону врага, который получает химический и термический ожог одновременно!
Причём, что интересно, на самого жука это не оказывает никакого вреда!
В процессе изучения этого механизма, учёные выяснили, что тело жука выдерживает такие перегрузки, так как он выстреливает этой жидкостью импульсно, где импульсы могут следовать с частотой до 1000 Гц.
Такие быстрые и короткие импульсы служат двум целям:
реакторная камера успевает охлаждаться (потоком новой порции реагентов);
в реакцию за один раз вступает малое количество вещества, что предотвращает взрыв.
Кроме этих двух факторов, спасает и то, что стенки реакторной камеры выложены термостойким материалами, а сама геометрия реакторной камеры и сопла устроены таким образом, что после возникновения реакции (взрывного типа) - возникающая паровая подушка отбрасывает агрессивный кипящий материал от стенок и сопла, изолируя его от стенок организма!
Каждый этап цикла протекания реакции занимает очень короткое время, поэтому, этого хватает и, можно считать, что в течение этого короткого времени все стенки покрыты паровым защитным колпаком…
В результате исследования механизма жука бомбардира, были разработаны на основе микрофлюидных технологий миниатюрные реакторы, для проведения реакций с опасными реагентами; также, появилась идея о практическом применении реагентов, которые, в результате реакции, мгновенно генерируют некие вещества - и эта идея нашла своё применение в системах пожаротушения, с быстрым выделением огнегасящих газов.
Справедливости ради, тут надо отметить, что иногда "природные изыскания" и человеческие идут в том же русле, без заимствования - свидетельством этого, является открытие примерно в 1930-1940-х годах XX века вещества "гидразин", который, в дальнейшем, стал использоваться в ракетной технике, где, он, при смешивании с кислородом, бурно самовозгорается, без какого-либо поджигания - что является весьма удобным: подали два вещества в камеру сгорания и всё - "мы полетели"...
Может быть, вы обращали внимание, на кадрах съёмки запуска ракет - где наблюдается оранжевый дым? Вот это оно и есть, гидразин...
Или, взять тот же самый высокоскоростной японский поезд Shinkansen:
Удивительно, но его заостренная форма носа была продиктована также природными мотивами, где инженеры вдохновлялись формой клюва птицы "зимородка":
Да даже если взять фонарный столб уличного освещения, можно заметить, что он расширяется к низу и утончается кверху и это не случайность - такая структура была позаимствована из природы, а, именно - основой для такой идеи послужили стебли растений!
Этих фактов вдохновления природой в истории человечества набралось великое множество, и никакой статьи не хватит, чтобы их охватить полностью, поэтому, вынужденно, мы обзорно прошлись по некоторым из них, наиболее ярким.
Но, за пределами рассмотрения остался ещё очень большой пласт различных материалов, химии, поверхностных явлений (в частности, роботов, липнущих к вертикальным поверхностям, на манер насекомых) и т.д.
Но, зато можно совершенно точно сказать, в каком направлении движется биомиметика в последние годы, что является основным трендом: массовое использование технологий машинного обучения и ИИ для анализа больших данных из области биологии и природы в целом.
В прошлом, идеи черпали из природы учёные, каждый из которых специализировался в какой-то определенной области, что, соответственно, определяло и направление разработок, - с одной стороны, а с другой, их и ограничивало: скажем, биолог мог не знать тонкости электроники или механики, а самые прорывные концепции находятся как раз на стыке напрямую не связанных между собой дисциплин - это отмечал ещё и Эйнштейн в своё время, как ограниченность науки, из-за практически полного отсутствия "межинституциональных" людей, которые могли бы в одном лице объединять знания из абсолютно разных сфер, в итоге, привнося в мир новые, прорывные вещи.
Теперь, возможно, впервые, в истории человечества, появился шанс, объединять разные сферы, зачастую, достаточно неожиданным образом…
Таким образом, в качестве основного вывода можно сказать, что биомиметика в последнее время движется в направлении "биомиметического дизайна" (здесь слово "дизайн", подразумевает не узкое значение из области красоты, а более широкое - "конструкция"), то есть, не простого копирования природных решений, а разработки на их основе, синтезированных, искусственного происхождения, объединяющих разные природные идеи.
Желающие более подробно почитать о современном движении научной мысли в этом направлении, с задействованием в этом процессе ИИ, могут обратиться к этой статье, где довольно подробно разбирается поднятый вопрос.