Что изобрел человек глядя на рыбу
Чему мы учимся у природы
Почти все, что изобрел человек, уже существовало в природе. Стрекоза была раньше вертолета, рыбы — перед подводными лодками, паутина — прежде всех материалов, а стебли и деревья — до небоскребов. Сегодня мы расскажем, как и чему человек учился у природы.
Плыть, как рыба
Акулья кожа, покрытая мелкими чешуйками, стала основой для разработки энергосберегающего покрытия для авиалайнеров, теплоходов и лопастей ветряных электростанций. По подсчетам немецких ученых-разработчиков, если покрыть самолеты и морские суда этим материалом — особой краской, снижающей сопротивление потоку, можно сэкономить до 4,5 млн т топлива в полетах и около 2000 т в год в морских рейсах.
Сейчас ученые из Гарвардского университета пытаются воссоздать кожу акулы мако с помощью 3D-печати, их конечная цель — изготовить высокотехнологичный костюм для дайвинга, который уменьшит сопротивление воды.
Еще одно современное ноу-хау: робот-разведчик, напоминающий рыбу черная ножетелка, что обитает в донных водах Амазонки. Робот, разработанный американскими инженерами, позаимствовал у ножетелки уникальную способность ориентироваться в полной темноте. Исследователь Малкольм МакИвер занимался изучением сенсорной и двигательной систем этих рыб в течение многих лет. Он выяснил, что для ориентации ножетелка посылает слабый электрический импульс, создаваемый особым органом, а для передвижения совершает волнообразные движения длинным нижним плавником. Оба этих свойства были «подарены» новым роботам-водолазам, которые смогут проводить разведку в труднодоступных и малоосвещенных местах, таких как затонувшие корабли.
Тропическая рыба желтый пятнистый кузовок с ее необычными очертаниями вдохновила компанию Mercedes-Benz на создание бионической машины Bionic Car, которая повторяет форму рыбы и благодаря ей передвигается с большой эффективностью.
Летать, как птица
Птицы, бабочки, стрекозы и другие насекомые издавна вдохновляли людей на создание разнообразных летательных аппаратов. Один из пионеров авиации — Леонардо да Винчи зарисовывал полеты птиц разных пород и летучих мышей и пытался воссоздать их способ передвижения. В 1487 году он разработал орнитопер — летательную машину, основанную на птичьем полете. Еще одна идея да Винчи — втяжные лестницы, прототипом для которых служат ноги стрижа. И хотя придуманные да Винчи машины так и не полетели, идеи, позаимствованные у природы, со временем были воплощены другими изобретателями летательных аппаратов.
Например, стрекоза стала прообразом вертолета. Как и насекомое, машина взлетает с места без предварительного разбега, «зависает» в воздухе, садится без пробега. Ее удивительные летательные способности вдохновляли, в частности, изобретателя Игоря Сикорского. Один из его вертолетов был почти точной копией стрекозы: в распоряжении ученого были 2000 воссозданных на компьютере маневров стрекозы в воздухе.
В настоящее время французские инженеры пытаются максимально приблизить конструкцию крыла самолета к крыльям крупных хищных птиц. «Это позволит повысить подъемную силу самолета при малых скоростях, понизить сопротивляемость воздуха, затраты энергии на полет, и, возможно, даже уровень шума, воздействуя на уровень турбулентности потоков», — поясняет разработчик Марианна Браза, представившая крыло-новинку в этом году. Одним из ноу-хау стали тонкие пластинки, которые вибрируют и снижают турбулентность, — у птиц эту задачу выполняют мелкие перья, расположенные на задней кромке крыльев.
Видеть, как кошка
Видеть в темноте человек учился у кошек и сов. Принципы их зрения были использованы при разработке приборов ночного видения.
Кошачьи глаза легли в основу еще одного изобретения — светоотражателя. Его придумал англичанин Перси Шо, когда на темной трассе увидел отражение фар своей машины в глазах кошки. Изобретение «кошачий глаз» было запатентовано в 1934 году и вскоре появилось на дорогах Великобритании, увеличив их безопасность.
Ловить ультразвук, как летучая мышь
Летучие мыши помогли ученым открыть эхолокацию — способ определения положения объекта в пространстве по времени задержки возвращений отраженной волны. Первооткрывателем стал итальянский натуралист и физик Ладзаро Спалланцани: в конце XVIII века он наблюдал за перемещениями летучих мышей в темной комнате и заметил, что эти животные прекрасно ориентируются. В ходе опыта он ослепил нескольких особей и обнаружил, что они летают так же хорошо, как и зрячие. После опыта его коллеги, который залепил воском уши летучих мышей и констатировал, что они натыкаются на все предметы, стало очевидно, что эти животные ориентируются по слуху. Эти знания пригодились лишь в XX веке, когда стало известно об ультразвуке. Ученые создали ряд приборов, в том числе сонар для подводных объектов и морского дна. К эхолокации способны не только летучие мыши, но и киты и дельфины, в меньшей степени некоторые птицы (гуахаро, саланганы), землеройки и мадагаскарский еж тенрек.
Недавно британские инженеры из Саутгемптонского университета представили новый тип радара, который позволит извлекать лыжников из-под лавин и шахтеров из подземных завалов. Автор проекта Тимоти Литон придумал это устройство, удивившись сверхспособностям дельфинов: они ориентируются даже в мутной воде благодаря издаваемым импульсам и безошибочно отыскивают пищу.
Менять окрас, как хамелеон
Многие животные умеют менять окрас и сливаться с окружающей средой. Эту их способность позаимствовали создатели камуфляжа. Разработки в этой области продолжаются. Например, в январе 2014 года американские ученые из Гарвардского университета сообщили, что изучают способности к перемене окраса у каракатицы — они надеются, что это исследование поможет улучшить защитную одежду для солдат.
Позже коллектив ученых из университетов Хьюстона и Иллинойса представил материал, который анализирует окружающую обстановку и автоматически меняет собственную окраску, подстраиваясь под цвет фона. Источником для разработки послужили головоногие моллюски: осьминоги, кальмары и каракатицы.
Прилипать, как геккон
«Липкие» лапы геккона легли в основу ноу-хау от ученых из Стэнфордского университета. Они придумали специальные перчатки с присосками, надев которые любой человек может вскарабкаться на вертикальную стену. Силиконовые присоски, как и лапы геккона, покрыты тысячами волосков, и благодаря межмолекулярному притяжению (Ван-дер-Ваальсовы силы) материал словно приклеивается к поверхности. Испытания прошли в этом году и были похожи на съемки фильма о Человеке-пауке.
Приставать, как репейник
Репейник с его маленькими крючками-зацепками стал прототипом текстильной застежки — липучки. Ее придумал швейцарский натуралист и инженер Жорж де Мистраль, когда чистил от репейника свою собаку после прогулки в горах в 1948 году и задумался, отчего так трудно отлеплять эти плоды растения от шерсти.
Приклеиваться, как моллюски
Рыба-прилипала, моллюски, морские черви и многие другие живые организмы на планете обладают способностями вырабатывать сверхлипкое вещество. Именно они натолкнули людей на изобретение клея. В последнее время ученые занимаются усовершенствованием клейкого вещества: последняя разработка из Гарвардского университета — суперклей на основе слизи моллюсков для «залатывания» стенок сердца и сосудов. Ноу-хау от американских ученых — искусственный клей для операций на внутриутробном плоде, воссоздающий свойства слизи морских червей Phragmatopoma californica.
Плести сети, как паук
Паучья нить отличается необыкновенной прочностью: она в пять раз превышает прочность стали. Согласно расчетам ученых она смогла бы остановить даже авиалайнер, если бы имела толщину карандаша. Неудивительно, что люди издавна пытались воссоздать паучью нить. И в конечном итоге у них получилось произвести столь же прочные материалы, например, полиакрилонитрил. Но ученые пошли еще дальше: в Университете штата Юта паучьи гены были добавлены в ДНК козы, в результате паутину можно отфильтровывать из молока. В 2011 году голландские ученые пытались пойти еще дальше: они соединили искусственную кожу с паутиной, полученной из молока генетически измененных коз, и создали пуленепробиваемую ткань: в ходе испытаний она отразила пули калибра 5,56. В их планах было вживление паутины в человеческую кожу, однако до сих пор о появлении Человека-паука ничего не известно.
Добывать свет, как светлячки
Недавно корейские инженеры изучили наноструктуру брюшка светлячков и создали на ее основе сверхъяркие и более эффективные светодиоды: для этого они изменили микроструктуру поверхности светодиода, повысив его прозрачность. О том, как еще используются свойства светлячков и других светящихся животных, мы уже рассказывали в обзоре «Живые лампочки».
Биомиметика: 24 технологии, на создание которых вдохновила природа
Вертолет, похожий на стрекозу, поезд — на птицу, самолет — на дельфина и многое другое
Человек с незапамятных времен мечтал летать, как птица, плавать, как рыба, и бегать, как лошадь. Все его мечты в итоге сбылись с приходом XX века. И теперь в небе давно уже летают самолеты, под толщей воды бороздят океаны подводные лодки, а по дорогам ездят автомобили, под капотами которых заключены многие десятки лошадиных сил.
Очевидно, что в некоторых нюансах своих технических разработок человек черпал вдохновение от этой самой природы. Это можно увидеть либо в дизайне созданных инженерами технических средств, либо в технологии их работы. Особенно подход заимствования технологий у природы важен на современном этапе, когда это становится все более и более технически реализуемой задачей. Придуман и отдельный термин такому заимствованию — биомиметика.
В нашем топе мы приведем лишь два десятка интересных примеров этой самой биомиметики, но на самом деле заимствований «природных задумок» человеком насчитывается тысячи, и каждая из них по-своему облегчает нашу жизнь.
Биомиметика — это подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы.
1. Почему стрекоза похожа на вертолет
Когда вы впервые увидели стрекозу, маловероятно, что вы заметили, насколько она похожа на вертолет. А ведь присмотревшись к крыльям стрекоз, вернее к их работе в замедленной съемке, можно определить, что они функционируют аналогично лопастям винтокрылых машин — начиная от принципа работы до баланса, оба механизма работают идентично. Угадайте, кто первым придумал непростой баланс работы — природа или человек?
2. Скоростной поезд и птица: какое у них сходство
Пригодилось инженеру увлечение орнитологией…
3. Конкорд и дельфин с одинаковыми носами
Авиалайнер «Конкорд» совместного производства Великобритании и Франции, как и легендарный советский ТУ-144, сумевший превысить скорость звука, совершил свой первый полет в 1969 году.
В дизайне зарубежной машины была достаточно необычная носовая часть (у советского самолета она была еще более технологичной, но речь сейчас не об этом). Для «Конкорда» она была позаимствована у дельфинов… Поскольку это была действительно эффективная форма для уменьшения трения воздуха на поверхностях носовой кромки на сверхзвуковых скоростях.
Также вдохновленные дельфинами инженеры разместили двигатели сзади для улучшения маневренности и балансировки тяжелого самолета.
4. Лента на липучке и репейник
Однажды плод этого растения прицепился к одежде швейцарского инженера и изобретателя Жоржа де Местраля. Когда Местраль увидел, что снять липучку с ткани очень непросто, его осенило…
Разработав аналогичную липучку, Жорж изменил мир текстиля навсегда. А вы замечали, что липучка очень похожа на репейник? Даже колючки схожи.
5. Роботехнологии и пауки
Сегодня быстро развивающаяся робототехника в основном занимается изучением систем насекомых и адаптацией их к электронным системам. Уже сегодня технологии позволяют делать роботов размером с муравья и мухи. Роботы, которые могут летать, как мухи, залезать в мельчайшие щелки, как муравьи, ходить по потолку, как пауки, — это настоящее время!
Спецслужбы разных стран спят и видят, как эти бесшумные шпионы будут работать на них, добывая бесценную информацию.
6. Гидролокатор и дельфин
Благодаря особой анатомии дельфины способны излучать звуковые волны на частоте до 200 тысяч колебаний в секунду, изучая скорость, размеры и форму объектов на своем маршруте.
Система гидролокатора была изобретена на основе того же принципа.
7. Аэрокосмический самолет и сом
8. Бульб и форма морды дельфина
Современные судостроители по-разному пытались уменьшить сопротивление водной глади о борты и носы кораблей. Но, пробуя сделать нос выпуклым, обнаружили, что дельфины лучше расщепляют воду, и этот метод был применен к кораблям. Это также экономит значительное количество энергии, а значит, и топлива.
9. Радар и летучая мышь
Работа радаров основана на том же принципе.
10. Крылья первых самолетов и крылья стрекозы
У первых самолетов крылья были сделаны по принципу крыльев стрекоз. Упрочненная передняя кромка насекомых избавляет их крылья от вибраций и разрушения. Это был очень важный шаг в покорении неба.
11. Подводные лодки и головоногий моллюск Наутилус помпилиус
Когда головоногий моллюск погружается в воду, он заполняет полые камеры, находящиеся в его теле, водой. Когда он хочет всплыть на поверхность, он перекачивает в эти камеры специальный газ, который производится в его организме, вытесняя воду.
На подводных лодках используется аналогичный принцип всплытия без кренов и работы двигателей и рулей.
12. Мюнхенский Олимпийский стадион и крылья стрекозы
Стрекоза снова в главной роли. Несмотря на то что ее крылья толщиной всего 1 к 3 000 миллиметра, то есть очень тонкие, они отличаются поразительной прочностью.
Причина в том, что ее крылья состоят из тысячи небольших отсеков. Благодаря этим отсекам при полете не происходит разрывов и повреждений мембран. Крыша Олимпийского стадиона в Мюнхене была построена по тому же принципу.
13. Телескоп и пчелиные соты
Новый телескоп будет использовать зеркала в форме шестиугольника, чтобы лучше воспринимать свет от небесных тел. Эта форма обеспечивает максимально широкое поле зрения, высокое качество и прочную структуру. Структура была взята у пчел. Как соты, так и их глаза состоят из множества шестиугольников. Самый большой в мире телескоп, который будет построен в пустыне Атакама, Чили, в 2024 году, будет построен по тому же методу.
14. Ласты и плавники китов
По картинкам мы знаем, что киты обладают очень широким хвостом.
15. Снегоступы и кроличья лапа
16. Лотос и облицовочный материал
Доктор Боннского Университета Вильгельм Бартлотт в своих исследованиях заметил, что листья некоторых растений имеют очень шероховатую поверхность при рассматривании ее через микроскоп. Доктор Бартлотт обнаружил, что на листьях лотоса, к которым грязь не липнет, были крошечные пятна, похожие на миниатюрное ногтевое ложе. Когда пыль или грязь падает на лист, она не может удержаться на этих выпуклостях и легко слетает. Вернее, ее смывает вода. Таким образом, это растение имеет самоочищающийся лист.
17. Солнечные панели и подсолнечник
Три студента из Массачусетского технологического института провели исследование солнечных панелей. Цель эксперимента состояла в том, чтобы иметь возможность получить больше энергии при помощи этих панелей.
Дело в том, что у подсолнухов природой создана структура, идеально походящая для «ловли» солнечной энергии.
18. Реактивные самолеты и каракатицы
Реактивный двигатель первыми придумали морские жители каракатицы, а уже потом его принцип применили люди для полетов в воздушном пространстве.
19. Поверхности корпуса лодок позаимствованы у акул
Исследователи из Университета прикладных наук в Бремене, Германия, взяли образец поверхности кожи акул, поскольку такие естественные загрязнители в воде, как водоросли, мельчайшие мидии и другие представители флоры и фауны, которые легко прилипают к поверхностям судов, ускоряют ржавчину и увеличивают сопротивление воды, никак не влияют на акул.
Дело в том, что кожа акулы не гладкая, а покрыта мельчайшими чешуйками со сложной рифленой поверхностью, отдаленно напоминающими зубы.
Когда ученые разработали аналогично акульей силиконовую кожу, была решена и серьезная проблема в судостроительной промышленности.
20. Система автоматического управления Мерседеса и курицы
Для рекламы высокотехнологичной системы управления подвеской Intelligent Drive Magic Body Control Mercedes-Benz использовал куриц. Дело в том, что устойчивая при любых поворотах подвеска MB аналогична системе «стабилизации» головы курицы.
Рекламный ролик наглядно показывает, как это происходит:
21. В дизайне также часто прибегают к природным стандартам
Дизайн автомобиля Mercedes-Benz, вдохновленный диковинной рыбой.
22. Дизайн второго поколения Chevrolet Corvette C2 был вдохновлен акулой
23. Роботы и люди
Техника продолжает стремиться приблизиться к характеристикам гуманоидов во всех аспектах, и постепенно ей удается этого добиться.
24. Самолеты и птицы
Клин. Клином летают перелетные птицы, и каждую весну и осень мы можем наблюдать это величественное действо. Причина, по которым птицы летают V-образной формой, клином, заключается в том, что так стая экономит силы. Подобную технику полета люди позаимствовали для своих стальных «птиц», летающих в группе.
Чему мы научились у природы
Почти все, что изобрел человек, уже существовало в природе. Стрекоза была раньше вертолета, рыбы — перед подводными лодками, паутина — прежде всех материалов, а стебли и деревья — до небоскребов. Сегодня мы расскажем, как и чему человек учился у природы.
Плыть, как рыба
Сейчас ученые из Гарвардского университета пытаются воссоздать кожу акулы мако с помощью 3D-печати, их конечная цель — изготовить высокотехнологичный костюм для дайвинга, который уменьшит сопротивление воды.
Еще одно современное ноу-хау: робот-разведчик, напоминающий рыбу черная ножетелка, что обитает в донных водах Амазонки. Робот, разработанный американскими инженерами, позаимствовал у ножетелки уникальную способность ориентироваться в полной темноте. Исследователь Малкольм МакИвер занимался изучением сенсорной и двигательной систем этих рыб в течение многих лет. Он выяснил, что для ориентации ножетелка посылает слабый электрический импульс, создаваемый особым органом, а для передвижения совершает волнообразные движения длинным нижним плавником. Оба этих свойства были «подарены» новым роботам-водолазам, которые смогут проводить разведку в труднодоступных и малоосвещенных местах, таких как затонувшие корабли.
Тропическая рыба желтый пятнистый кузовок с ее необычными очертаниями вдохновила компанию Mercedes-Benz на создание бионической машины Bionic Car, которая повторяет форму рыбы и благодаря ей передвигается с большой эффективностью.
Летать, как птица
Птицы, бабочки, стрекозы и другие насекомые издавна вдохновляли людей на создание разнообразных летательных аппаратов. Один из пионеров авиации — Леонардо да Винчи зарисовывал полеты птиц разных пород и летучих мышей и пытался воссоздать их способ передвижения. В 1487 году он разработал орнитопер — летательную машину, основанную на птичьем полете. Еще одна идея да Винчи — втяжные лестницы, прототипом для которых служат ноги стрижа. И хотя придуманные да Винчи машины так и не полетели, идеи, позаимствованные у природы, со временем были воплощены другими изобретателями летательных аппаратов.
Например, стрекоза стала прообразом вертолета. Как и насекомое, машина взлетает с места без предварительного разбега, «зависает» в воздухе, садится без пробега. Ее удивительные летательные способности вдохновляли, в частности, изобретателя Игоря Сикорского. Один из его вертолетов был почти точной копией стрекозы: в распоряжении ученого были 2000 воссозданных на компьютере маневров стрекозы в воздухе.
В настоящее время французские инженеры пытаются максимально приблизить конструкцию крыла самолета к крыльям крупных хищных птиц. «Это позволит повысить подъемную силу самолета при малых скоростях, понизить сопротивляемость воздуха, затраты энергии на полет, и, возможно, даже уровень шума, воздействуя на уровень турбулентности потоков», — поясняет разработчик Марианна Браза, представившая крыло-новинку в этом году. Одним из ноу-хау стали тонкие пластинки, которые вибрируют и снижают турбулентность, — у птиц эту задачу выполняют мелкие перья, расположенные на задней кромке крыльев.
Видеть, как кошка
Видеть в темноте человек учился у кошек и сов. Принципы их зрения были использованы при разработке приборов ночного видения.
Кошачьи глаза легли в основу еще одного изобретения — светоотражателя. Его придумал англичанин Перси Шо, когда на темной трассе увидел отражение фар своей машины в глазах кошки. Изобретение «кошачий глаз» было запатентовано в 1934 году и вскоре появилось на дорогах Великобритании, увеличив их безопасность.
Ловить ультразвук, как летучая мышь
Летучие мыши помогли ученым открыть эхолокацию — способ определения положения объекта в пространстве по времени задержки возвращений отраженной волны. Первооткрывателем стал итальянский натуралист и физик Ладзаро Спалланцани: в конце XVIII века он наблюдал за перемещениями летучих мышей в темной комнате и заметил, что эти животные прекрасно ориентируются. В ходе опыта он ослепил нескольких особей и обнаружил, что они летают так же хорошо, как и зрячие. После опыта его коллеги, который залепил воском уши летучих мышей и констатировал, что они натыкаются на все предметы, стало очевидно, что эти животные ориентируются по слуху. Эти знания пригодились лишь в XX веке, когда стало известно об ультразвуке. Ученые создали ряд приборов, в том числе сонар для подводных объектов и морского дна. К эхолокации способны не только летучие мыши, но и киты и дельфины, в меньшей степени некоторые птицы (гуахаро, саланганы), землеройки и мадагаскарский еж тенрек.
Недавно британские инженеры из Саутгемптонского университета представили новый тип радара, который позволит извлекать лыжников из-под лавин и шахтеров из подземных завалов. Автор проекта Тимоти Литон придумал это устройство, удивившись сверхспособностям дельфинов: они ориентируются даже в мутной воде благодаря издаваемым импульсам и безошибочно отыскивают пищу.
Менять окрас, как хамелеон
Многие животные умеют менять окрас и сливаться с окружающей средой. Эту их способность позаимствовали создатели камуфляжа. Разработки в этой области продолжаются. Например, в январе 2014 года американские ученые из Гарвардского университета сообщили, что изучают способности к перемене окраса у каракатицы — они надеются, что это исследование поможет улучшить защитную одежду для солдат.
Позже коллектив ученых из университетов Хьюстона и Иллинойса представил материал, который анализирует окружающую обстановку и автоматически меняет собственную окраску, подстраиваясь под цвет фона. Источником для разработки послужили головоногие моллюски: осьминоги, кальмары и каракатицы.
Прилипать, как геккон
«Липкие» лапы геккона легли в основу ноу-хау от ученых из Стэнфордского университета. Они придумали специальные перчатки с присосками, надев которые любой человек может вскарабкаться на вертикальную стену. Силиконовые присоски, как и лапы геккона, покрыты тысячами волосков, и благодаря межмолекулярному притяжению (Ван-дер-Ваальсовы силы) материал словно приклеивается к поверхности. Испытания прошли в этом году и были похожи на съемки фильма о Человеке-пауке.
Приставать, как репейник
Репейник с его маленькими крючками-зацепками стал прототипом текстильной застежки — липучки. Ее придумал швейцарский натуралист и инженер Жорж де Мистраль, когда чистил от репейника свою собаку после прогулки в горах в 1948 году и задумался, отчего так трудно отлеплять эти плоды растения от шерсти.
Приклеиваться, как моллюски
Рыба-прилипала, моллюски, морские черви и многие другие живые организмы на планете обладают способностями вырабатывать сверхлипкое вещество. Именно они натолкнули людей на изобретение клея. В последнее время ученые занимаются усовершенствованием клейкого вещества: последняя разработка из Гарвардского университета — суперклей на основе слизи моллюсков для «залатывания» стенок сердца и сосудов. Ноу-хау от американских ученых — искусственный клей для операций на внутриутробном плоде, воссоздающий свойства слизи морских червей Phragmatopoma californica.
Плести сети, как паук
Паучья нить отличается необыкновенной прочностью: она в пять раз превышает прочность стали. Согласно расчетам ученых она смогла бы остановить даже авиалайнер, если бы имела толщину карандаша. Неудивительно, что люди издавна пытались воссоздать паучью нить. И в конечном итоге у них получилось произвести столь же прочные материалы, например, полиакрилонитрил. Но ученые пошли еще дальше: в Университете штата Юта паучьи гены были добавлены в ДНК козы, в результате паутину можно отфильтровывать из молока. В 2011 году голландские ученые пытались пойти еще дальше: они соединили искусственную кожу с паутиной, полученной из молока генетически измененных коз, и создали пуленепробиваемую ткань: в ходе испытаний она отразила пули калибра 5,56. В их планах было вживление паутины в человеческую кожу, однако до сих пор о появлении Человека-паука ничего не известно.
Добывать свет, как светлячки
Недавно корейские инженеры изучили наноструктуру брюшка светлячков и создали на ее основе сверхъяркие и более эффективные светодиоды: для этого они изменили микроструктуру поверхности светодиода, повысив его прозрачность.
