В 1951 году научно-исследовательский отдел Военно-морского министерства США начал исследования живых организмов с целью применить полученные результаты на флоте. За годы работы там было получено немало интересных результатов. Изучение зрения лягушки привело к появлению новых систем слежения за целью. Наблюдение за дельфинами позволило создать покрытие, уменьшающее сопротивление воды при движении судов. Применение в технических устройствах идей, возникших при изучении животных и растений, активно началось и в других научных центрах. В сентябре 1960 года прошел первый международный конгресс по бионике – так назвали эту научную область. Термин этот двумя годами ранее придумал Джек Стил – врач и полковник ВВС США. В англоязычной литературе также популярен термин «биомиметика» (biomimetics), который в те же годы ввел биофизик Отто Герберт Шмидт. С этого момента начали активные работы в области бионики в США, СССР и в других странах. С тех пор каждый год проводятся новые исследования и появляются технические разработки, идеи которых почерпнуты в живой природе. Мы расскажем лишь о нескольких бионических новинках уходящего года.
В связи с всё более активными разработками новых беспилотных летательных аппаратов ученые еще и еще раз обращают внимание на приспособления к полету у животных. Если раньше обычно рассматривался полет птиц по прямой и в открытом пространстве, то теперь подверглись изучению способности птиц огибать препятствий в полете. В реальной жизни птица должна уметь избегать столкновений с деревьями, посторонними предметами и другими птицами. Как это им удается, решили выяснить в Гарвардском университете при помощи высокоскоростной видеосъемки. Чтобы лучше фиксировать движения подопытных птиц, на их голову, кончики крыльев и запястные суставы укрепляли миниатюрные светодиоды. Питание светодиодов шло из аккумулятора, располагавшегося в маленьком рюкзаке на спине птицы.
В опыте голуби должны были пролететь сквозь длинную узкую комнату. На пути их полета устраивали щель из прутьев, сквозь которую пролетали птицы. В начале эксперимента щель была шириной 30 сантиметров, а затем постепенно сокращена до 11 сантиметров (примерно ширина тела птицы плюс около одного сантиметра с каждой стороны). Оказалось, голуби легко справляются с таким препятствием. При более широкой щели они задерживают крылья в верхнем положении и совершают следующий мах вниз только миновав узкое место. В особо узкой щели они прижимали крылья к груди. Ученые планируют усовершенствовать этот эксперимент, снабдив птиц датчиками вроде тех, с помощью которых смартфон определяет, держит ли пользователь его экраном горизонтально или вертикально. При помощи этих датчиков исследователи намерены построить точную модель движений птицы, пролетающей через лес.
В другом эксперименте, тоже проведенном гарвардскими учеными, рассматривались действия голубя при повороте под прямым углом. Голуби с закрепленными на крыльях, голове и спине светодиодами пролетали сквозь лабиринт из сетки и снимались сверху высокоскоростными видеокамерами. Выяснилось, что управление поворотом голубь начинает с движения головы, а затем корректируется баланс всего тела.
Шмели также могут дать хороший совет для улучшения полетных навыков беспилотников. Еще одна группа ученых Гарвардского университета, возглавляет которую Сридхар Рави, занимается изучением полета шмелей. Эти насекомые привлекли к себе внимание способностью летать в плохую погоду и при сильном ветре. Сридхар Равви рассказал корреспондентам BBC, что современные летательные аппараты с размером крыльев менее 25 сантиметров не способны к стабильному полету при минимальном ветре. В то же время насекомые, куда меньшего размера, успешно летают и в ветреную погоду. Свою работу по изучению полета шмелей (вида Bombus impatiens) в аэродинамической трубе ученый и его соавторы описали в статье в Journal of Experimental Biology. Они полагают, что их результаты помогут в разработке миниатюрных беспилотных аппаратов.
В это же время в Израиле уже создают летательные аппараты, похожие на насекомых. В прессе четырехкрылые устройства, разрабатываемые компанией Israel Aerospace Industries, прозвали «бабочками», хотя устройство их крыльев скорее напоминает стрекоз. Нынешние модели имеют сзади дополнительные крылья, используемые в качестве руля высоты и поворота, но инженеры намерены со временем от них избавиться, научившись управлять полетом только при помощи основных крыльев. Созданы две модели: большая весит 13 г, малая 8 г. каждая из них способна нести батарею весом 2 г, систему управления (3 г) и видеокамеру (0,1 г). Заряда батареи хватает на 20 минут полета. Один из разработчиков – Гай Маром – говорит, что создатели «бабочек» планируют научить свои аппараты подзаряжаться, садясь на линии электропередач. Прозрачные крылья, изготовленные из углеволокна, обеспечивают бесшумный полет. Таких «бабочек» можено будет использовать в боевой обстановке, например, для скрытого наблюдения за террористами, захватившими заложников.
Еще одна черта насекомых, к которой исследователи испытывают давний интерес – фасеточные глаза. Среди занятных для биоинженеров свойств таких глаз – недоступная для человека способность различать мигание источника света с частотой до 300 герц, а также огромная глубина резкости. ProScience уже рассказывал о проекте CURVACE (Curved Artificial Compound Eyes), в ходе которого европейские ученые создали «искусственный глаз» из 630 фасеток, которые обеспечивают поле зрения 180 на 60 градусов. В другом проекте коллектив ученых из США, Сингапура, Китая и Южной Кореи разработал цифровую видеокамеру, созданную по принципу фасеточного глаза. Устройство состоит из закрепленных на полимерной подложке 180 микролинз и светочувствительных датчиков. Диаметр камеры – около сантиметра. Пока этот глаз может состязаться только с глазами насекомых, имеющих сравнительно простое устройство зрительных органов. Авторы разработки сопоставляют ее с глазами муравья Solenopsis fugax и жука Hylastes nigrinus. Чтобы создать искусственный глаз, аналогичный глазам стрекозы, мухи или пчелы, состоящим из примерно 20 тысяч отдельных элементов, необходимо уметь делать еще более миниатюрные световые датчики.
Интересно гибридное оптическое устройство, предложенное в Университете штата Огайо. Оно сочетает свойства глаза человека и насекомого и позволяет добиваться фокусировки (свойство человеческого глаза), широкоугольного изображения и большой глубины резкости (присущих глазам членистоногих). Линза представляет собой «каплю» из гибкого прозрачного полимера, заполненного желеобразной жидкостью, на поверхности «капли» расположены капли поменьше, в которые можно закачивать внутреннюю субстанцию, регулируя фокусное расстояние в объективе. Этот метод отчасти напоминает то, как мышцы человеческого глаза меняют кривизну хрусталика, чтобы сфокусировать взгляд на объекте. Поле зрение этого устройства составляет 150 градусов. Управление линзой производится благодаря электрически активному полимеру, который способен расширяться и сжиматься под воздействием электрических импульсов.
Биологи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предложили использовать в качестве хирургического клея вещество, которое в природе помогает мидиям закрепляться на камнях. Главное достоинство этого вещества в том, что оно способно затвердевать под водой. Ученые исследовали состав и структуру клея у мидий, а затем синтезировали аналогичное вещество и успешно испытали его в хирургических операциях на собаках и кроликах.
Материал, созданный специалистами из Гарвардской медицинской школы и Массачусетского технологического института, найдет также применение в хирургии. Создать его помог паразитический червь Pomphorhynchus laevis. Промежуточный хозяин этого паразита – пресноводный рачок гаммарус, окончательный – окунь. Микроиглы на хоботке этого червя позволяют ему прикрепляться к кишечнику окуня. Ученые создали искусственный материал в виде «заплаток», покрытых иглами длиной 0,7 миллиметра. Острия микроигл расширяются под действием влаги, в результате «заплатка», прикрепленная к живой ткани, надежно на ней держится. Этот материал поможет соединять края ран или ткани при трансплантации. Исследование показали, что он менее травматичен для организма, чем хирургические скобки, которые применяются сейчас. Об этой разработке ученые рассказали в журнале Nature Communications.
