Биовдохновлённая инженерия

Интересные факты

• На лапке геккона около полумиллиона волосков, и кончик каждого расщепляется на сотни лопаточек размером 0,2–0,5 микрометра. Ни клея, ни присосок, ящерицу на потолке держит слабое притяжение между молекулами, умноженное на миллионы точек касания. источник
• Северная морская птица олуша с размахом крыльев 1,7–1,8 метра ныряет за рыбой на скорости около 100 км/ч. Перед ударом о воду она складывает крылья назад и входит в море, как копьё, почти без брызг. источник
• Зимородок, маленькая яркая птица с рек и озёр, входит в воду клювом вперёд почти без брызг, и японские инженеры скопировали этот клюв для носа скоростного поезда. С 15-метровым клювом поезд перестал оглушать хлопком жителей у тоннелей, стал на 10% быстрее и на 15% экономнее. источник
• Мадагаскарский паук-кора Дарвина натягивает свою сеть прямо над рекой, а страховочные нити крепит к деревьям на обоих берегах и тянет их на расстояние до 25 метров. Чтобы такой мост не порвался от ветра и бьющихся в нём стрекоз, нить должна поглощать огромную энергию, прежде чем лопнуть. Его шёлк поглощает вдвое больше энергии, чем любая другая известная паутина, и в 10 раз больше, чем кевлар из бронежилетов. источник
• Лотос растёт в мутных прудах, но его листья всегда чистые. Вода скатывается с восковых бугорков шариками и уносит грязь. Ботаники разглядели этот секрет под микроскопом среди 10 тысяч видов растений и в 1997 году назвали его эффектом лотоса. С тех пор по его рецепту делают самоочищающиеся покрытия. источник
• Семена священного лотоса пролежали на дне высохшего озера на северо-востоке Китая около 1300 лет и всё равно проросли. Возраст самого старого проросшего семени по радиоуглеродному анализу — примерно 1290 лет. Из него выросло нормальное здоровое растение. Семя переждало века в покое благодаря плотной водонепроницаемой оболочке, которая почти не пропускает воду и воздух. источник

Что такое биомиметика

Биовдохновлённая инженерия. Смысл в том, чтобы не копировать животное целиком, а понять его секрет и перевести на язык инженерии. Принцип работы никогда не переносится один в один.

Лапа геккона или крыло колибри — результат миллионов лет эволюции, повторить их клетка в клетку инженеры не могут. Они находят у животного трюк, разбираются, на каком физическом законе он основан, и воспроизводят его своими материалами и моторами.

Сегодня инженеры могут не просто повторить суперсилу одного животного или растения, но и сконструировать целую систему, где несколько секретов работают вместе.

Больших направлений три:

• Новые поверхности: сухое прилипание, сверхскользкие покрытия, защита от обрастания и обледенения.
• Многослойные медицинские повязки и клеи: прилипание, рассеивание энергии, защита от микробов и управление деформацией в одном материале.
• Микророботы для нескольких сред: воздух и вода, невесомость, долгая автономная работа в океане.

Липучка, как у геккона

Геккон весит 70 граммов и висит на вертикальном стекле. Его лапки не липкие на ощупь. Они не выделяют никакого вещества. Но геккон может висеть вверх ногами и удерживать нагрузку в 20 раз больше своего веса. Как?

Ответ был найден только в 2000 году, когда появились электронные микроскопы достаточного разрешения. Каждая лапка покрыта примерно полумиллионом волосков-щетинок, каждая в десять раз тоньше человеческого волоса. Кончик щетинки ветвится на сотни крошечных лопаточек размером 0,2–0,5 микрометра. Лопаточки подходят к поверхности так близко, что между молекулами возникает слабое притяжение — силы Ван-дер-Ваальса. По отдельности они ничтожны, но миллионы лопаточек вместе держат ящерицу на потолке.

Биологи измерили силу одной щетинки, и она оказалась в десять раз больше ожидаемой. Природа умеет делать просто за счёт геометрии поверхности. Отлипает геккон без усилий: щетинка отпускает, когда угол между ней и поверхностью превышает примерно 30°. Пальцы он отклеивает, как скотч. источник Самое удивительное — адгезия геккона самоочищается. Грязь не налипает на нановолоски, пылинки прилипают к поверхности сильнее, чем к волоскам, и переходят на стену при следующем шаге. Геккон никогда не засаливается.

Инженеры повторили принцип: липкость включается, когда тянешь вдоль поверхности, и выключается, когда меняешь угол. В 2017 году учёные собрали захват с гекконовыми накладками. Их лопатки около 40 микрометров, в 200 раз крупнее гекконовых, но работают так же. В полёте на самолёте, который создаёт невесомость, захват ловил куб и большой надувной мяч и отпускал их так мягко, что они почти не сдвигались с места. Цель ставилась собирать космический мусор: магниты работают только с железом, а присоски в вакууме бесполезны. источник

Медицинский клей, как у слизня

Обычный клей на мокрой поверхности работает плохо, вода мешает ему схватиться. А слизень держится там, где всё влажное и скользкое. Слизень при опасности выделяет особую защитную слизь и приклеивается так, что хищник не может его оторвать. Секрет в сочетании двух свойств: прочная тянущаяся основа и положительно заряженные белки, которые цепляются за поверхность.

В 2017 году инженеры собрали клей по этому рецепту из двух слоёв. Нижний слой цепляется за мокрую ткань. Верхний — упругий гидрогель, который при нагрузке растягивается и гасит её, как амортизатор. Чтобы оторвать такой клей от свиной кожи, нужно было больше 1000 джоулей на квадратный метр. Это в три с лишним раза больше, чем у лучших медицинских клеев. Скорее рвался сам гель, чем место склейки.

Клей держался на коже, хряще, сердце, артерии и печени. Две недели он проработал в теле крыс. Им заклеили дыру в свином сердце, которое потом десятки тысяч раз раздували и сдували, и заплатка выдержала. источник

Сверхскользкая поверхность, как у хищного растения

Непентес — хищное растение с листьями-кувшинами. Край кувшина покрыт микроскопическими ступеньками, и в сырую погоду их заливает дождевая вода и нектар. Получается сплошная водяная плёнка. Муравей ступает на неё, и его липкие подушечки на лапках скользят, как шины в аквапланинге. Насекомое съезжает внутрь и выбраться уже не может. источник

В 2011 году группа учёных сделала по этому принципу покрытие. Шероховатую или пористую поверхность пропитывают смазкой, и микроструктура держит её на месте, как ступеньки непентеса держат воду. На такой плёнке не задерживаются ни вода, ни нефть, ни кровь, да и лёд держится плохо. Если покрытие поцарапать ножом, смазка затекает в царапину и поверхность почти мгновенно восстанавливается. источник

Через три года эту идею перенесли в медицину. Трубки и катетеры покрыли тонкой жидкой плёнкой из медицинского перфторуглерода. Кровь перестала сворачиваться на стенках, а микробы — образовывать на них плёнку. Трубки с покрытием вставили в сосуды свиньям, и они оставались проходимыми не меньше 8 часов без лекарств, которые разжижают кровь. источник

Роботы-насекомые

Некоторые насекомые умеют двигаться на границе воздуха и воды. Для маленького существа эта граница — почти стена, поверхностное натяжение держит его, как батут, и не выпускает.

Для робота-пчелы весом 175 миллиграммов поверхностное натяжение воды в 10 раз сильнее его собственного веса и в три раза больше той, что могут развить его крылья. Войти в воду он может, пробив плёнку. Под водой он плывёт, взмахивая теми же крыльями, только медленнее: вода в тысячу раз плотнее воздуха, и при обычной частоте взмахов крылья бы сломались.

Выбраться обратно сложнее всего. Робот всплывает, и внутри него специальные пластины расщепляют воду на водород и кислород. Поплавки удерживают его на поверхности, газ заполняет камеру, и крошечная искра его поджигает. Взрыв выбрасывает робота из воды в воздух. Робот-пчела в тысячу раз легче любого прежнего робота, который умел переходить из воздуха в воду. источник

Ныряющий и выпрыгивающий робот, как птица

Олуша, северная морская птица, охотится на рыбу с высоты. Перед ударом о воду она складывает крылья назад и входит в море, как копьё, на скорости около 100 км/ч.

Инженеры построили по этому принципу дрон весом около 200 граммов. Он летит, как обычный самолётик, а над целью складывает крылья и пикирует в воду. Сложенное крыло меньше сопротивляется при входе и не ломается от удара. Батареи хватает на 14 минут полёта, это около 5 км туда и обратно с пробой воды. источник

Выбраться из воды птице помогают мощные взмахи, а роботу пришлось придумать реактивный двигатель. В 2019 году сделали 160-граммового робота-прыгуна, который набирает в бак забортную воду и смешивает её с 0,2 грамма карбида кальция. Выделяется горючий газ ацетилен, вспышка выталкивает воду назад струёй, и робот вылетает из воды и планирует до 26 метров. Потом можно набрать воды и прыгнуть снова. Робота испытали в лаборатории, на озере и в бассейне с волнами. Такие машины нужны, чтобы брать пробы воды после наводнений или разливов нефти, куда опасно посылать людей. источник

Мини-дрон колибри

Колибри умеет зависать на месте, лететь назад и вбок, разворачиваться на одной точке. Хвост для этого ему не нужен, всё делают крылья. Главный инженерный вызов в таком полёте — трёхосевые крылья. Первый нанодрон-колибри весил 19 граммов при размахе крыльев 16 см (легче батарейки АА). Он нёс собственный аккумулятор и видеокамеру, зависал, летал во всех направлениях и пролетал через обычную дверь. источник

В 2020 году инженеры сделали робота-колибри размером с настоящую птицу всего на двух моторах. Каждое крыло у него управляется отдельно, как у птицы; небольшая разница во взмахах даёт резкий манёвр. Это был первый двухмоторный робот с машущими крыльями, который стабильно летал без проводов и в помещении, и на улице. источник

Такие дроны нужны для незаметного наблюдения в городе и для поиска людей там, где обычный квадрокоптер с винтами застрянет или навредит.

Подводный аппарат, похожий на ската

Скат двигается в воде плавно и очень экономно. Он машет огромными плавниками, как крыльями, а потом перестаёт махать и скользит, как планер. Обычной подводной лодке с винтом такой режим недоступен.

В 2024 году инженеры сделали мягкого робота-ската из силикона. Его плавники устойчивы в раскрытом положении, как пружинка. Воздух в камере резко сгибает их вниз, а когда воздух выпускают, плавники сами щёлкают обратно и отдают запасённую энергию. Одного привода хватает и на скорость, и на манёвры: если махать часто, робот всплывает, если редко — погружается. Он плывёт со скоростью 6,8 длины своего тела в секунду, это рекорд среди мягких плавающих роботов, и обходит препятствия. источник

Для больших подводных аппаратов скат интересен экономией. Сочетание взмахов и планирования вместе с батареями, встроенными прямо в корпус, помогает таким аппаратам дольше обходиться без корабля и берега. источник

Что уже работает, а что пока прототип

Часть этих разработок уже превратилась в серийные продукты, но большинство пока живёт в лабораториях и на испытательных стендах.