Что изобрел человек изучив строение глаза
13 действительно крутых изобретений, подсмотренных у природы
В мире существует испытательная лаборатория, внедряющая и тестирующая новые технологические решения вот уже три с половиной миллиарда лет. Конечно же, эта лаборатория – природа. Изобретения, возникшие в ходе эволюции, человечество постоянно берет на вооружение. Вот лишь некоторые из них.
Тысячелетия эволюции создали удивительные «инженерные» решения
Кожа геккона и космические плоскогубцы
Кажется, что на этих ящериц не действует гравитация. Они способны взбираться по совершенно гладким отвесным поверхностям, включая стекло, и даже повисать на одном пальце. Этой способностью гекконы обязаны микроскопическим складкам на лапках, использующим так называемые «вандерваальсовы силы» – физический эффект, возникающий между парами положительно и отрицательно заряженных атомов или молекул. Эта уловка была применена во множестве изобретений – от присосок для лазания по стенам до слесарных инструментов, используемых космонавтами.
Принцип устройства кожи геккона стал основой для многих изобретений
Глаза мотылька и солнечные батареи
Ученые обратили внимание на строение глаз мотылька, когда пытались повысить эффективность тонких солнечных батарей. Поверхность батарей отражала часть солнечных лучей, что вело к снижению коэффициента полезного действия.
Устройство глаза мотылька стало основой для солнечной батареи
Оказалось, что глаза некоторых насекомых, состоящие из микроскопических ячеек, содержат структуры, перенаправляющие отраженный свет обратно в глаз. Изобретатели разработали наноматериал, копирующий принцип устройства глаз мотылька. Это значительно повысило эффективность солнечных элементов.
Репейник и застежка-«липучка»
Каждому знакомы колючие семена репейника, остающиеся на одежде после прогулки по лесу. В 1941 году человек по имени Джордж де Местраль, вернувшись с охоты, удивился тому, как прочно колючки прицепились к его свитеру и шерсти его собаки. Рассмотрев одну из них под микроскопом, он обнаружил мельчайшие крючки, позволявшие репьям цепляться за петельки на шерсти.
Собака вернулась с прогулки вся в репейниках
Несколько следующих лет он провел, испытывая сочетания крючков и петелек в различных материалах. В конце концов он нашел идеальное сочетание и запатентовал то, что известно во всем мире как «велкро», а в России – как «липучка».
Летучие мыши и ультразвуковая трость
Летучие мыши ориентируются в темноте благодаря эхолокации. Они издают крик высокой частоты и улавливают отразившийся от предметов звук, получая четкую картину окружающего. Этот принцип давно применяется в судовых и авиационных радиолокаторах, но не так давно подобное устройство появилось и в быту. Была создана трость для незрячих, облегчающая передвижение по городу. Трость излучает ультразвук и, в случае приближения к препятствию, вибрирует.
Летучие мыши ориентируются в темноте благодаря эхолокации
Паутина и сверхпрочный клей
Благодаря паутине придумали сверхпрочный клей
Лобстеры и LEXID
Лобстеры фокусируют глаза на одной небольшой области, а свет, отраженный этой областью, позволяет им видеть все окружающее. В 2007 году американское правительство вложило несколько миллионов долларов в исследования, посвященные изучению зрения лобстеров. Результатом исследований стала запатентованная технология LEXID, позволяющая человеку видеть сквозь препятствия (даже дерево и бетон) с помощью маломощного пучка рентгеновских лучей.
Лобстеры натолкнули инженеров на создание технологии LEXID
Птицы и сверхскоростные поезда
Нос японского скоростного поезда устроен как нос птички-зимородка
Инженера посетила мысль, нельзя ли применить форму птичьего клюва для улучшения аэродинамики поезда. Локомотив, форма которого напоминает длинный клюв, оказался не только тише, но и быстрее обычного.
Тихоходки и прививки
Тихоходка – самое живучее существо на Земле
Термиты и недвижимость
Термитники выглядят как небоскребы в миниатюре
Особая конструкция термитника создает естественный ток воздуха, поддерживающий одинаковую температуру днем и ночью. Ветер отводит излишки тепла от стен термитника, и сами термиты могут регулировать теплоотдачу, открывая и закрывая отверстия в стенах. Архитектор Мик Пирс построил по образу термитника общественное здание в столице Зимбабве. Редакция uznayvse.ru уточняет, что насекомые пока не предъявляли иска в защиту авторских прав.
Чернотелка и дефицит воды
Намибийский пустынный жук чернотелка умудряется выживать в безводной местности благодаря особому устройству надкрылий. Небольшие хитиновые выступы на надкрыльях притягивают мельчайшие капельки воды из утреннего тумана. К тому же надкрылья чернотелки очень скользкие, и по особым желобкам вода стекает прямо в рот насекомого.
Намибийский жук приспособился к недостатку воды
Инженеры из Массачусетского технологического института на основе этого принципа создали панели для сбора воды, которые помогают собирать влагу из атмосферного воздуха и уменьшать расход водопроводной воды. Такие панели используются сейчас в более чем двадцати странах, где жители испытывают трудности с доступом к воде.
Акулы и антибактериальное покрытие
Галапагосская акула плавает очень медленно, но к ее шкуре не могут прикрепиться ни моллюски, ни даже бактерии. Шкура акул покрыта мелкими ребристыми чешуйками, состоящими из того же материала, что и ее зубы. Эти чешуйки устраняют завихрения в окружающей воде и позволяют акуле тратить меньше сил на передвижение.
Галапагосская акула
Такое решение использовалось в разработке скоростных плавательных костюмов. У галапагосской акулы эти чешуйки расположены особым образом, не позволяющим микроорганизмам закрепиться на шкуре.
В больницах можно использовать меньшее количество антибактериальных средств
Лотосы и самоочищающаяся краска
Лепестки цветов лотоса тоже покрыты мельчайшими чешуйками, отталкивающими грязь и пыль. Эти образования, видимые только под микроскопом, не позволяют посторонним частицам прилипать к цветку, поскольку площадь соприкосновения лепестка и частиц очень мала. Дождевая вода легко смывает загрязнения.
У лепестков лотоса специфическая поверхность
После четырех лет исследований германская компания-производитель красок выпустила продукцию, копирующую свойства поверхности цветка лотоса. Стены домов, покрытые этой краской, не нуждаются в мойке и не собирают уличную грязь.
Плавники китов и ветрогенераторы
Киты – самые большие животные на планете, однако они передвигаются в воде с неожиданным изяществом. Выяснилось, что не в последнюю очередь это обусловлено формой их плавников, покрытых вдоль кромки особыми полусферическими выростами.
На плавниках у китов имеются особые выросты
Инженеры, вдохновленные китовьей грацией, поместили такие выросты на лопасти вентиляторов, ветрогенераторов и водяных насосов. Лопасти ветряной турбины, повторяющие форму плавника кита, на 20% эффективнее обычных.
Лопасть ветряной турбины устроена как китовый плавник
Испытания в аэродинамической трубе доказали, что такая турбина испытывает на 30% меньшую вибрационную нагрузку. Существуют даже проекты самолетов с крыльями, покрытыми такими выпуклостями. Они будут еще надежнее и экономичнее.
Прогресс – дело настолько же почетное, насколько и опасное. Множество исследователей, которые двигали науку вперед, пострадали из-за своих изобретений, а то и заплатили за них жизнью.
Зримый прогресс
Эволюция офтальмологии от Древнего Вавилона до наших дней
Человек по природе своей стремится к знанию, а главный его инструмент в этом — глаз. С таким тезисом можно поспорить, но впервые его выдвинул еще Аристотель: с этого начинается его «Метафизика». Люди всегда страдали от различных нарушений зрения — уже во времена Аристотеля не понаслышке были известны и близорукость, и дальнозоркость, не говоря о воспалениях и травмах глаза. И к тем же далеким временам восходят первые попытки коррекции зрения и лечения глаз. Редакция N + 1 при поддержке офтальмологической клиники Эксимер решила выяснить, как менялись технологии в офтальмологии от древности до наших дней.
Ланцетом и молитвой
«Если врач откроет абсцесс (в глазу) человека с бронзовым ланцетом и разрушит глаз человека, они отрежут ему пальцы», — гласит кодекс Хаммурапи. Вот так вот: офтальмология существовала уже в древнем Вавилоне, то есть ей около 4000 лет. Описания болезней глаз можно найти не только на клинописных табличках жителей Междуречья: содержатся они и в египетских папирусах, и в древнеиндийских текстах.
Древние хирурги уже тогда умели удалять катаракту и знали о блефарите, дакриоцистите и некоторых других болезнях глаз. Правда, в том, что не касалось хирургии, в основном приходилось полагаться на молитвы жрецов и дурнопахнущие лекарства, которые должны были отпугнуть духов болезни.
Первым врачом, который попытался избавить «проофтальмологию» от ореола сверхъестественности, был Гиппократ. Он призывал изучать болезни глаз как объективное явление, судил о работе глаза по его внешнему строению (разумеется, ошибочно) и, похоже, знал о существовании зрительного нерва, хотя и не понимал его функций. Это не помешало Гиппократу описать множество способов лечения глаз: диету, ванны для ног и даже рассечение кожи на голове — считалось, что это поможет удалить «болезненные гуморы» из глаза.
Окончательно представления древних о глазе сформировал римский ученый Гален. Он описал сетчатку, роговицу, радужную оболочку, слезные протоки, веки, хрусталик, который Гален счел важнейшей для зрения структурой глаза.
Галеновскую «теорию зрения» переняли и сохранили арабские врачи, и она почти без изменений просуществовала до XVII века.
Коучинг с изумрудом
Инструменты офтальмологов не менялись десятками веков. Мы не слишком хорошо представляем, как тогда работали офтальмологи, но можем предположить, что единственной серьезной операцией, за которую брались древние врачи, был коучинг — процедура по лечению катаракты, во время которой стараются иглой сместить хрусталик, чтобы убрать из поля зрения его пораженную часть. В большинстве случаев такие попытки приводили к тяжелым осложнениям, вплоть до слепоты.
Египетские иглы из погребения врача, предположительно — для коучинга
National Museums Liverpool
Римская бронзовая игла для коучинга
Офтальмологические инструменты для удаления катаракты и наростов на глазах. Гравюра Р. Парра, 1743-1745. У разных народов в разные эпохи форма хирургические инструменты для коучинга были очень похожи, и почти не менялись до XVIII века
Очков у древних тоже не было, хотя люди неплохо знали оптику: линзы из полированного кварца или хрусталя делали еще до нашей эры, хотя их использовали в основном качестве безделушек. Например, самая древняя линза в мире, которую нашли на территории древней Ассирии и которую в честь библейского царя прозвали «Линзой Нимрода», была украшением для мебели.
«Линза Нимрода». Большинство исследователей считают, что ее никогда не использовали как оптический прибор
Единственный намек на очки в древнем мире встречается у Плиния. Римский автор пишет, что император Нерон наблюдал за гладиаторскими боями «с изумрудом». Может быть он был близорук, и тогда это был прообраз очков для коррекции зрения. Согласно другой версии, Нерон был альбиносом, и это был прообраз современных очков для защиты от солнца. Но все могло быть гораздо проще — императору просто мог нравиться зеленый цвет.
Чудо на носу
Отцом современной оптики считают арабского математика Ибн аль-Хайсама, который оставил первые точные описания отражения и преломления света. В XI веке работы аль-Хайсама перевел на латынь монах Константин Африканский, так что они стали доступны средневековым врачам. Однако арабские инновации прижились в Европе только к XIII веку.
Первым европейским ученым, всерьез решившим разобраться с оптикой, стал Роджер Бэкон. В 1267 году он сочинил трактат «Opus Majus», в котором описал анатомию глаза и высказал революционную идею о том, что зрение можно скорректировать при помощи линз. Правда, делать очки самостоятельно Бэкон не пытался — зато считал, что пожилым людям имеет смысл использовать при чтении увеличительное стекло.
Считается, что в XIV веке монах Александр де Спина первым стал делать очки и обучать искусству их изготовления других.
Очки тут же стали безумно модным аксессуаром. Чтобы подчеркнуть глубокую мудрость, средневековые художники изображали апостолов и античных поэтов читающими в очках.
Для офтальмологии это был огромный шаг вперед. Впервые в истории люди научились эффективно исправлять дефекты зрения без помощи сомнительных зелий и калечащих операций.
Картина XVI века: римский папа Лев X держит первую лупу с вогнутой линзой
Ritratto di Leone X con i cardinali Giulio de’ Medici e Luigi de’ Rossi / 1518-19 / Galleria degli Uffizi, Florence
Кстати, очки делали вовсе не офтальмологи — как правило, этим занимались итальянские мастера, которые умели хорошо работать со стеклом. Глазными врачами часто были парикмахеры, которые совмещали свое ремесло с профессией хирурга. Таким «полуцирюльником» был живший в XVI веке Георг Бартиш — автор первого трактата на тему офтальмологии «Ophthalmodouleia das Aut Augendienst».
«Ophthalmodouleia das Aut Augendienst» Георга Батиша: первая книга по офтальмологии, 1583 год
Хирург-парикмахер
Учиться «офтальмологии» Георг начал в 13 лет — поступил в подмастерья к трем дрезденским хирургам-парикмахерам, которые учили мальчика делать прически — тогда это было ключевым навыком и главным конкурентным преимуществом, пускать пациентам кровь, лечить камни в мочевом пузыре, рвать зубы и врачевать глазные болезни.
Как и другие хирурги-парикмахеры, Бартиш путешествовал из города в город, следуя за ярмарками, где к нему выстраивались очереди пациентов. Он удалял воспаленные глаза и инфицированные веки, лечил катаракту коучингом и даже брался исправлять косоглазие.
Задерживаясь в городе ради наблюдений за прооперированными людьми, Георг пропускал ярмарки и терял потенциальных клиентов. Это обстоятельство и подтолкнуло его написать книгу — нужно было развивать практику и «рекламировать» офтальмологию среди потенциальных пациентов. Так родился первый трактат о зрении на немецком языке — что было довольно необычно, ведь в то время ученые мужи писали почти исключительно на латыни.
Свою книгу Георг Бартиш посвятил Августу, герцогу Саксонскому — тот так высоко оценил труд офтальмолога, что даже предложил защитить его авторские права. Как ни парадоксально, когда близорукий Август Саксонский заказал в Венеции очки в золотой оправе, Бартиш отговаривал его их носить. В духе времени хирург-парикмахер считал, что «глаз, который плохо видит, не способен видеть лучше, если что-то поместить между ним и наблюдаемым предметом».
Правда, мы не знаем, послушал ли герцог своего любимца. Обидно, если да — в этом случае Август Саксонский лишился самого лучшего средства для улучшения зрения, которое только могла предложить его эпоха.
День рождения офтальмологии
В XVIII веке сведений о строении глаза становилось все больше, так что к «галеновской» теории зрения относились со все большим скепсисом. Для понимания работы глаза очень много сделал анатом Андреас Везалий, который провел первый эксперимент в области зрения — показал, что вырезанный из человеческого глаза хрусталик работает как маленькая выпуклая линза.
В XVIII веке накопленных знаний хватило, чтобы в 1784 году Бенджамин Франклин изобрел бифокальные очки, собранные из составных стекол. Похожие очки до сих пор используют, чтобы лечить людей с пресбиопией — возрастной дальнозоркостью, которой страдал и сам Франклин.
Бифокальные очки Бенджамина Франклина
Хотя к XIX веку ученые уже неплохо представляли себе человеческую анатомию, для полного понимания устройства глаза не хватало возможности изучать зрение живых людей. Прорыв случился в 1851 году, когда Герман фон Гельмгольц изобрел офтальмоскоп, который позволил осветить и рассмотреть сетчатку, диск зрительного нерва и стекловидное тело живого глаза.
Офтальмоскоп Гельмгольца: прототип
Офтальмоскоп Гельмгольца: техническое воплощение. Прибор представлял собой линзу на ручке и при достаточном освещении позволял разглядеть глазное дно
Офтальмоскоп Гельмгольца в деле: врач осматривает глазное дно пациента при свете лампы. Потом он возьмет карандаш, запечатлеет свои наблюдения и попытается понять, есть ли отличия от нормы
С появлением офтальмоскопа врачи научились лечить глаукому — болезнь, связанную с ростом внутриглазного давления. Офтальмоскоп позволял в прямом смысле слова увидеть ее причину — рассмотреть глазное дно и выявить патологические изменения.
Была только одна проблема: двести лет назад, кроме все тех же очков, у офтальмолога все еще не было инструментов, способных безопасно и с достаточной степенью эффективности исправить природное несовершенство зрения.
Ценники американских хирургов XIX века / Источник
Шлифовка скальпелем и светом
Чтобы описать достижения офтальмологов XX века, потребуется толстая книга, причем не одна. Поэтому мы не станем подробно рассказывать о том, как совершенствовались диагностические инструменты, а сразу перейдем к историям трех талантливых офтальмологов, которые первыми научились делать революционные операции на глазах.
Сэр Гарольд Ридли (Sir Harold Ridley) объявил войну катаракте — той самой болезни, которую до него пытались лечить смещением замутненного хрусталика.
Шли 30-е годы XX века. Никто уже не пытался втыкать в глаз иглы для коучинга, вместо этого поврежденный катарактой участок хрусталика научились удалять — однако помогало это слабо. После операции многие люди все равно теряли зрение.
Как-то раз студент-медик, обучавшийся у Ридли, обмолвился, что было бы здорово научиться заменять мутный хрусталик чем-нибудь прозрачным. Проблема была в том, что любой помещенный в глаз предмет неизбежно вызывал отторжение. Решение не приходило до тех самых пор, пока не началась Вторая Мировая война. В это время в клинику Ридли начали поступать летчики, в глаза которых попали осколки из плексигласа. Ридли обратил внимание — если плексигласовые осколки не касались радужной оболочки, то и воспаления они не вызывали.
Почти 40 лет ушло на то, чтобы разработать имплантат, отточить методику и преодолеть сопротивление врачебного сообщества. Только в 1981 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрило интраокулярные линзы как «безопасный и эффективный» метод лечения катаракты.
Наш соотечественник Святослав Федоров, научившись имплантировать интраокулярные линзы, первым привез этот метод в СССР. В 1986 году он изобрел собственную линзу-имплантат, которую научится устанавливать в заднюю камеру глаза. Однако, как и у Гарольда Ридли, у Святослава Федорова был свой личный враг — миопия.
В 1972 году Святослав Федоров разработал первую в мире хирургическую процедуру для коррекции близорукости — радиальную кератотомию. По легенде, самую первую операцию офтальмолог сделал близорукому мальчику, упавшему с велосипеда. При падении в глаза ребенка попало стекло. Чтобы извлечь осколки, врачу пришлось сделать многочисленные радиальные разрезы на роговице — так называют «внешнюю» линзу глаза. После того, как глаза зажили, выяснилось, что у ребенка заметно улучшилось зрение.
Такой инструмент разработал испанский хирург Хосе Барракер (José Barraquer). Он применил инновационную технику операции на роговице, которая легла в основу лазерной хирургии глаза — кератомилез.
При этой процедуре специальным лезвием срезается часть роговицы, которую отгибают в сторону, как лепесток. Внутренней части роговицы придают оптимальную форму, после чего лоскут возвращают на место. Такая процедура более простая и менее травматичная, чем радиальная кератотомия.
От индейки до Da Vinci
Однако главная ценность кератомилеза заключается в том, что операцию можно проводить при помощи эксимерного лазера — куда более точного инструмента, чем любой, даже алмазный, скальпель.
Широкое использование лазера в офтальмологии стало возможно благодаря усилиям команды трех американских ученых из корпорации IBM.
В 1981 году, сразу после Дня Благодарения, Джеймс Уайн (James Wynne), Рангасвами Шринивасану (Rangaswamy Srinivasan) и Самуэль Блум (Samuel Blum) решили попробовать газовый (эксимерный) лазер на остатках праздничной индейки. Ученым удалось разрезать хрящ очень ровно, не допустив перегревания и обугливания.
В 1983 году офтальмолог Стивен Трокел (Stephen Trokel) узнал о необычном эксперименте, навестил специалистов из IBM и предложил подумать, как подобное изобретение можно было бы использовать в лазерной хирургии глаза. В результате мозгового штурма родилась статья, заложившая основу всемирной программе исследования рефракционной хирургии с использованием эксимерных лазеров.
В 1995 году FDA одобрило первый коммерческий хирургический эксимерный лазер. Он излучает свет в ультрафиолетовой части спектра. Лучи взаимодействуют с живыми тканями фотохимическим способом — то есть разрушают связи внутри органических молекул, из которых состоят ткани, почти не нагревая их.
Есть несколько способов «пропустить» лазер к роговице. В основу самой популярной методики LASIK лег тот самый, разработанный Хосе Барракером хирургический метод — кератомилез. Правда, для того, чтобы срезать лоскут роговицы, сегодня используют не обычный, а «электрический» скальпель — автоматический микрокератом. Лазер нужен на втором этапе операции — с его помощью испаряют лишнее вещество с внутренней части роговицы. Результат — изменение формы роговицы и создание нужной кривизны для преломления световых лучей и их фокусировки на сетчатке глаза.
Помимо LASIK, с помощью эксимерных лазеров выполняют персонализированный вариант операции — Super LASIK. Здесь на этапе диагностического обследования применяют аберрометр — усовершенствованный аналог офтальмоскопа Гельмгольца.
Диагностика пациента с помощью аберрометра, который составляет карту волнового фронта, отражающую все аберрации (искажения) глаза.