Изкуството да имитираш

01 октомври 2017 г., 18:00
976

solarseven / Shutterstock

Крила на самолети с покритие като на акула? Звучи странно, нали? Инженерите от европейската фирма Airbus обаче не мислят така. Те отдавна са почерпили вдъхновение от грубата кожа на този морски обитател, за да създадат нов тип покритие за крилата на своите летателни апарати, което впоследствие довежда до 6% по-малко съпротивление и съответно до икономия на гориво.

А какво ще кажете за „умни” дрехи, имитиращи шишарки, които се адаптират спрямо постоянно променящите се температури? Подобно на плода на иглолистните растения материята на едно яке например може да се „разтваря”, когато е топло, и да се „затваря”, в случай че застудее. Науката е посветила цяла

област на тези необикновени открития, наричайки я биомиметика или бионика. 

Първият термин е изкован от американеца Ото Шмит през 50-те години на миналия век и е съставен от думите bios (живот) и mimicry (имитация). А биониката се ражда като име благодарение на сънародника му Джак Стийл през 1958 г. Съществуват различни теории за това кои точно думи я съставляват, като например някои твърдят, че е образувана от биология и електроника.

Така или иначе учените, занимаващи се с биомиметика, изучават основните принципи, по които природата функционира, и се опитват да ги приложат в нови продукти в медицината, роботиката, строителството, дизайна и т.н. Въпреки че двете думи - бионика и биомиметика, се използват като синоними, първата се среща най-често в случаите, когато става дума за изграждането на протези. Затова днес изследователите предпочитат да говорят за биомиметика, когато имат предвид имитация на природата в най-общ смисъл, като целта е

постигането на технологични иновации. Без значение дали става дума за копиране на естествените производствени методи на природата (като например създаването на химически съединения от растенията и животните), на нейните механизми, или за имитация на основните организационни принципи на социално поведение, каквото наблюдаваме при мравките, пчелите и микроорганизмите.

На практика това е нещо, което

хората са правили през цялата своя история

Погледнете към самолетите например - нима формата на тези машини не е вдъхновена от птиците? Още преди повече от 500 години Леонардо да Винчи се е опитал да имитира полета на пернатите, за да създаде своя прословут летателен апарат, така че спокойно можем да го наречем един от първите биомиметици!

Примерите за подобни открития в историята са много. Прословутият механизъм за бързо закопчаване велкро (съставна дума от френските velours - кадифе, и crochet - кукичка) се е появил, след като швейцарският инженер Жорж дьо Местрал отишъл на разходка в планината със своето куче. Когато се прибрал вкъщи, решил да изследва полепналите по козината му казашки бодили и открил, че те са снабдени с малки кукички, които позволявали на растението да се задържи за нещастното животинче. Така ципът бил свален от своя пиедестал, а велкрото било използвано дори от НАСА в екипировката на космонавтите от мисията „Аполо”.

През 1933 г. пък Пърси Шоу създава пътен светлоотразител, помагащ на шофьорите да виждат през нощта и по време на мъгла. Той се вдъхновява от способността на котешките очи да отразяват светлина. Една година по-късно го патентова, а през 1935 г. започва и неговото производство.

Днес биомиметиката е основната цел на Джоана Айзенберг,

която вече години наред държи природата под лупа. „Вглеждам се в нея и се опитвам да я разбера, да използвам естествените стратегии и материали, за да подобря вече съществуващите”, споделя Айзенберг - харвардски учен, член на техническия екип на Bell Labs от 1998 г. насам - една от водещите лаборатории за биомиметика. Именно в нея изследователите откриват (постфактум), че структурата на тропическите водни гъби от рода Euplectella наподобява тази на стоманобетона и съответства на механични и инженерни принципи, приложени в постройки като Айфеловата кула в Париж, хотел „Де Лас Артес” в Барселона и „Суис Ре” в Лондон. Например фибрите, които съставляват скелета на гъбата, се преплитат под формата на своеобразна мрежа. Те са подсилени допълнително от още фибри, разположени по диагонал и в двете посоки. Тази техника се използва често при небостъргачите и при някои рафтове за книги за по-добра стабилност.

Естествено, не всяка биологична форма би била полезна. Айзенберг насочва вниманието си най-вече към онези, които имат специални свойства - оптични, структурни или магнетични. „След това използваме тези принципи и се опитваме да ги интегрираме в онова, което вече знаем в материалната наука, вплитаме ги в съществуващи материали или директно произвеждаме такива от ново поколение, които са базирани на биологичните принципи.”

А въпросната водна гъба е наистина специална.

Тя живее на стотици метри дълбочина и често е наричана „цветарската кошница на Венера” заради своята бяла и деликатна структура. Именно тя може да ни покаже как да създаваме изключително ефикасни от енергийна гледна точка строителни материали. Нейният скелет е изграден от своеобразно естествено стъкло. От една страна, то е изключително здраво, а от друга, е способно да провежда светлина. Един идеален пример за това как природата може да увеличава функционалността на даден материал така, че той да служи за няколко различни неща едновременно - особено важна характеристика, която често се пренебрегва в технологиите.

„Знаехме, че този организъм притежава наистина здрав стъклен скелет. Но никой не очакваше, че водната гъба ще има и фиброоптични свойства. В основата й може да откриете сноп от изключително красиви влакна, които се разпростират от вътре на вън, подобно на обърната корона. Открихме, че организмът използва именно тях, за да излъчва светлина и по този начин да привлича своята плячка.”

Можем само да мечтаем, че един ден ще успеем да създадем толкова здрави влакна, които на всичко отгоре провеждат и светлина, но би било добре да се поучим от „майсторството” на водната гъба и да започнем производството на по-качествени оптични кабели, които не изискват високи температури за своето изграждане. За сравнение - този организъм създава влакната при 0 градуса по Целзий, докато в промишлени условия са ни необходими 2000 градуса, за да разпънем стъклото по желания от нас начин.

И морският таралеж може да ни даде ценни уроци.

„Това, което ме вълнува най-много, е как природата създава адаптивни материали, които оптимизират поведението на организмите, в случай че настъпят промени в обкръжаващата ги среда - заявява Айзенберг. - Една от системите, която се опитваме да изкопираме в лабораторията ми, е свързана с повърхността на морските таралежи. Те покриват телата си с микроцветя, които постоянно се отварят или затварят, предпазвайки по този начин основното тяло от зараза.” Следвайки указания от природата път, екипът на Айзенберг успява да изгради нановлакна, които се накъдрят в спираловидни снопове, щом бъдат изложени на водна пара. Бихме могли да сравним този феномен с къдравата коса, която се сгъстява и навива на кичури, когато е мокра.

Диаметърът на въпросните нановлакна, създадени от епоксидна смола, е около 100 нанометра, или една хилядна от широчината на човешкия косъм. Какво обаче би било тяхното приложение? Според Айзенберг накъдряйки и извивайки се, нановлакната прихващат близкостоящите частици - свойство, което може да се използва за разработването на нов начин за улавяне и доставяне на лекарства в определени части на тялото. От тази структура ще се възползват дори в оптиката. Постоянното свиване и отпускане на нишките кара материала да променя и свойствата си - той става ту отразяващ, ту не.

Няма как да пропуснем и т.нар. умни покрития.

Те са изградени от полимерен хидрогел и отново са вдъхновени от поведението на морските таралежи. Когато малките частици в тях (с формата на своеобразна палатка) се затворят, те започват да привличат вода. Отворят ли се - ще я отблъскват. Целта на Айзенберг е да ги използват, за да създадат „умно” покритие, което привлича влагата, когато е сухо, и я отблъсква по време на дъжд. Интересно е, че в целия този процес цветът на покритието също се променя. „Представете си сгради с такава “боя” – казва Айзенберг, – техният цвят ще се сменя заедно с влажността на въздуха.”

Много лаборатории по света се занимават с биомиметика. В Бат, Англия, и в Уестчестър, Пенсилвания, се разработват крила, които би трябвало да направят самолетите в пъти по-маневрени. Изследователите там използват за вдъхновение перките на гърбатия кит. В Япония пък се опитват да направят биенето на инжекции по-безболезнено, търсейки отговора в тънките хоботи на комарите.

Андрю Паркър от Националния исторически музей в Лондон

също се нарежда сред най-големите застъпници на тази все още млада наука. Неговите проучвания са свързани с австралийския бодлив дявол, който приема вода по най-необичаен начин. Достатъчно е да потопите някой негов крайник във вода, и тя ще бъде попита за секунди. Миг по-късно ще се озове в устата му и той ще я преглътне със задоволство. Тази негова способност му помага да оцелява в неблагоприятните за живот условия и да го снабдява с вода дори тогава, когато стъпва по влажен пясък. Проф. Паркър се надява, че ще може да се възползва от уникалното умение на „дявола”, за да създаде приспособления, които ще помагат на хората да събират по-големи количества от безценната течност в пустинята.

Инженери от Университета в Лийдс пък, ръководени от проф. Анди Макинтош, проучват защитния механизъм на определен вид бръмбар, който бомбардира нападателите си със струя горяща течност. По този начин те се надяват, че ще открият как газотурбинният двигател на самолет може да се запали повторно по време на полет, в случай че настъпи някаква авария. „Никой не е изучавал бръмбара от физична и инженерна гледна точка - дълго време си мислехме, че това насекомо няма на какво да ни научи.”

Перспективите пред биомиметиката изглеждат безгранични. Тя наистина е относително млада дисциплина, която тепърва ще се развива, но вече е включена в учебния план на Масачузетския технологичен институт. Предвид постиженията на изследователи от ранга на Джоана Айзенберг и Андрю Паркър през последните 10-12 години, със сигурност можем да очакваме подобрения в почти всеки аспект от науката и технологиите. При това скоро.

Автор: Владимир Тодоров

Коментари