Утконос — живой радар

• Яйца. Самка откладывает одно–три кожистых яйца размером около сантиметра. Примерно через 10 дней из них вылупляются слепые и голые детёныши размером с фасолину. Их иногда называют пагглами. Из скорлупы детёныш выбирается с помощью яйцевого зуба, как птенец. источник
• Молоко без сосков. Сосков у утконоса нет. Молоко выступает прямо на коже живота, и детёныши слизывают его с шерсти. Чтобы в нём не завелись микробы, в молоке есть антибактериальные вещества.
• Яд. На задних лапах у самцов острые шпоры с ядом. Ими самцы дерутся друг с другом в сезон размножения. Яда хватает, чтобы убить собаку. Человека он не убивает, но боль может не проходить неделями. источник

Милый, нелепый, опасный и непохожий ни на кого. Но странная внешность утконоса лишь начало.

Когда они ныряют в мутные реки, кожные складки закрывают их глаза, уши и ноздри, полностью изолируя от воды. И вот тут-то и происходит самое удивительное!

Любая живая мышца при сокращении генерирует слабый электрический ток. Сердце бьётся — ток. Жабры движутся — ток. Даже неподвижная рыба, зарытая в песок, производит биоэлектрические поля от дыхания и сердцебиения.

Утконос охотится в сумерках и ночью на дне мутных рек Австралии. Его добыча — личинки насекомых, черви, рачки и моллюски.

Под водой он выключает всё, чем ориентируется большинство зверей. Глаза и уши у него лежат в одной бороздке по бокам головы, и при нырке её закрывает кожная складка. Ноздри на клюве тоже плотно смыкаются. Утконос под водой не видит, не слышит и не чует запахов. источник

И всё равно находит добычу. Плавая, он водит головой из стороны в сторону, как антенна радара, который обшаривает небо. Только ищет он не самолёты, а электричество.

На клюве утконоса 40 000 электрорецепторов. Рецепторы выстроены полосами вдоль клюва, примерно по 30 на квадратный миллиметр. источник Поры, заполненные проводящим гелем и уходящие к чувствительным клеткам. Эта система улавливает электрические поля от 20 микровольт на см. Примерно как почувствовать напряжение от батарейки-таблетки на расстоянии нескольких метров сквозь воду. источник

На суше поры закрыты, чтобы нервные окончания не пересохли. Стоит смочить клюв водой, и они открываются. источник

Электрический сигнал тела жертвы выдаёт её местонахождение точнее, чем запах или звук. Спрятаться от утконоса нельзя. Добыча дышит, значит, искрит.

Но электричество только половина системы. Рядом с электрорецепторами в клюве ещё 60 000 механорецепторов, которые ловят колебания воды от движения жертвы. Их называют толкателями. Это крошечный столбик в коже, закреплённый только у основания. Вода давит на кончик, столбик наклоняется и толкает нервное окончание. источник

Всего на клюве около 100 тысяч датчиков. По чувствительности к прикосновению он почти как кончики наших пальцев.

Креветка шевельнула лапкой в десятке сантиметров, и волна давления уже на клюве.

Два сигнала сразу: электрическое поле и волна давления. Мозг совмещает и получает точную координату. Электрическое поле доходит до клюва почти мгновенно. Волна давления плывёт медленнее и приходит чуть позже.

Ты знаешь этот трюк по грозе. Вспышка молнии видна сразу, гром приходит через несколько секунд. Чем длиннее пауза, тем дальше гроза. Учёные предполагают, что утконос считает так же, по задержке между электрическим сигналом и волной давления он понимает, как далеко добыча. источник

Направление подсказывает сам клюв. Тысячи рецепторов сравнивают, с какой стороны поле сильнее. В коре мозга сигналы от клюва раскладываются полосками: одна полоска только для давления, следующая для давления и электричества вместе. Так же у человека в зрительной коре чередуются полоски от левого и правого глаза. Два глаза дают нам глубину, два чувства дают утконосу расстояние. источник

Когда сигнал приходит сразу от двух чувств, нейроны отвечают быстрее, чем на каждое по отдельности. источник Направление плюс расстояние, и мозг получает точную точку в трёх измерениях, куда бросаться. Исследователи клюва даже сравнивали его работу с тем, как радар сопровождает цель. источник

Как именно мозг считает расстояние, до конца не доказано. Гипотеза с задержкой хорошо объясняет охоту, но учёные ещё выясняют, сколько дают время прихода сигналов, их сила и движения головы.

Глядя на утконоса, биотех-инженеры уже создали

Искусственная кожа для роботов

Бионическая мультирецепторная кожа воспроизводит механизм электрорецепции утконоса. Роботы чувствуют объекты на расстоянии без прикосновения. источник

Кожа сделана из тефлоновой и силиконовой плёнок с вкраплениями наночастиц. В ней два типа датчиков, как на клюве:

• Электрорецептор. Почти любой предмет несёт небольшой электрический заряд. Когда он приближается, поле вокруг кожи меняется, и датчик замечает это без касания. Это называется электростатической индукцией.
• Механорецептор. При касании кожа и предмет обмениваются зарядами, как воздушный шарик, которым потёрли волосы. По такому сигналу можно понять, из чего сделан предмет.

Кожа замечает предмет на расстоянии до 150 миллиметров. А по касанию вместе с нейросетью она распознаёт материал с точностью 99,56%. источник Такая кожа нужна роботам и протезам, чтобы заранее чувствовать препятствие или руку человека, а ещё пультам, которыми управляют жестом на расстоянии.

У утконоса есть «родственник» по электрическому чувству — рыба-слоник из рек Африки. Утконос только слушает чужие поля, а рыба-слоник сама создаёт вокруг себя электрическое поле и замечает, как его искажают предметы. По её образцу в 2024 году сделали тонкую прозрачную электронную кожу. Она без касания определяет, где предмет находится в трёх измерениях, и с её помощью можно управлять роботом-рукой и дроном. источник

Медицинская диагностика

Плюсом к рентгену и МРТ биосенсор для обнаружения аномальной электрической активности внутри тела.

Готового медицинского прибора, скопированного с утконоса, пока нет. Но врачи давно пользуются тем же принципом: сердце, мышцы и мозг создают электрические поля, и по ним видно, что с органом что-то не так.

Обычную кардиограмму снимают электродами, которые приклеивают к голой коже с гелем. Долго так ходить неудобно, кожа раздражается. Инженеры сделали ёмкостные электроды, которые ловят поле сердца без прямого касания, даже через одежду. В Германии их встроили в обычное офисное кресло: человек садится, а кресло снимает кардиограмму и по радио передаёт её на компьютер. источник

Похожие датчики проверяют в автомобильных сиденьях, кроватях и шлемах для записи работы мозга. Утконос делает то же самое, только лучше: в мутной воде он ловит поле крошечного рачка. Чем ближе датчики подберутся к его чувствительности, тем раньше врачи смогут заметить сбой в работе сердца или мозга.

Что уже работает, а что пока прототип

Всё, что подсмотрели у электрических охотников, пока живёт в лабораториях. Ближе всего к жизни медицина, но там учились у физики тела, а не у утконоса.