Что такое биомимикрия и почему лучший инженер — это природа
Идеи для создания новых технологий не берутся из ниоткуда. Ученые смогли разработать и создать многое из того, чем мы сейчас ежедневно пользуемся, благодаря наблюдательности. То, что для животных, растений, микроорганизмов способ выжить, для человека — возможность продвинуть технологический прогресс вперед. Это стало частью целого ряда научных течений:
бионика;
биомимикрия;
природовдохновленный инжиниринг;
нейробиомиметика;
экомимикрия;
biological/natural intelligence (биологический интеллект).
Глобально они об одном и том же: о поиске решений в явлениях природы, но есть различия. Например, нейробиомиметика исследует возможности создания искусственных нейронных систем. А экомимикрия занимается созданием технологий, основанных на целых экосистемах.
Среди разрабатываемых сейчас инноваций концепция подражания природе встречается особенно часто и продолжает набирать обороты. Природа за миллиарды лет эволюции развила практически идеальные системы: разнообразные и способные постоянно адаптироваться под тяжелые условия существования. Разбираемся, как это используют люди.
Что такое биомимикрия
Если описывать просто и кратко, то биомимикрия (или биомиметика) — это наука, которая изучает биологические процессы, формы и функции, которые могут помочь в решении проблем человечества.
Примеры такого вдохновения природой были созданы еще в 600 году до нашей эры. Предполагаемый основоположник хирургии Махариши Сушрута из Древней Индии разработал медицинские инструменты, форма которых повторяла челюсти различных животных.
Биомимикрия — это множество инноваций. От изучения структур живых организмов на молекулярном уровне для разработки эффективных лекарств до механизмов, способных управлять целыми экосистемами.
Сейчас наука активно развивается. По результатам исследований ресурса Biomimicry Innovation Lab, с 2010 года количество патентов увеличилось на 171%, число публикаций — на 161%, а общее число новостных статей по теме возросло на 2000%.
Современные разработки в сфере биомимикрии
За последние несколько лет было совершено немало открытий в области биомимикрии и природовдохновленного инжиниринга. В 2023 и 2024 годах самыми активно развивающимися в этом направлении отраслями стали инженерия и материаловедение.
Биомиметический инжиниринг: биовдохновленная защита для автомобиля
В 2023 году появилось множество проектов, в которых биологические принципы тесно перекликаются с механическим проектированием и структурным дизайном.
Например, американская компания Helicoid Industries 24 апреля 2023 года представила биовдохновленную защиту днища автомобиля. При создании панели компания использовала цифровой инжиниринг, усовершенствованное многоосевое интеллектуальное плетение, автоматизированное производство и, конечно, биомимикрию.
Ударопрочность нового днища показала высокие результаты. Так, по сравнению с коммерческим образцом такого же веса, разработка Helicoid показала на 25% более высокую ударопрочность и на 20% меньший прогиб.
Основной вдохновитель компании — рак-богомол. Его внутренняя структура обеспечивает телу невероятную защиту от ударов и нападений, а также долговечность.
Кроме того, за 2023 год в этой сфере были исследованы следующие темы:
Проектирование, производство и функции пористых материалов: от биомиметики к искусственному интеллекту. Легкие пористые структуры, механизмы работы которых имеют довольно высокое качество, часто встречаются в животных тканях. Эти биомиметические материалы широко интегрируются в различных сферах: в том числе в материаловедении. Однако сами пористые структуры трудно полностью воспроизвести, к тому же их взаимосвязь с работой самих тканей до конца не изучена. В своем исследовании ученые обсуждают замену биомиметических пористых структур на метаструктуры.
Долговечность системных функций в биологии и биомиметике. В исследовании, опубликованном в журнале Biomimetics в апреле 2023 года, описываются принципы повышения прочности и долговечности биомиметических материалов по аналогии с природой, в том числе с миром растений. Это позволит сократить количество отходов, производимых людьми, а также эффективно использовать сырьевые материалы.
Биомиметическая робототехника: автономные морские жители
В 2024 году также было опубликовано множество патентов, связанных с биомиметической робототехникой. Среди прочего можно выделить патент Военно-морского флота США. В публикации описывается устройство, повторяющее форму морской звезды. Эта роботизированная пресс-форма — будущая часть биомиметического робота, названного «SeaJelly».
Эта разработка, а также «SeaGlide» — часть биомимикрических технологий кардерокского подразделения ВМС США в поддержку инициативы STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics). Программа направлена на популяризацию науки среди молодежи Америки. Изобретения «SeaJelly» и «SeaGlide» направлены на изучение подводного мира и морских животных.
В патенте описан принцип работы робота-медузы. Она может самостоятельно находиться и передвигаться в воде, при этом устройство мягкое и травмировать морских жителей не сможет. Кроме того, внутри «SeaJelly» расположены наполненные водой актуаторы: это элементы системы автоматического управления, которые могут менять потоки энергии или каких-либо материалов, которые соприкасаются с объектом. В случае этой медузы, такие устройства будут выступать ее щупальцами.
«SeaGlide» или же «подводный планер» — похожее автономное устройство. Робот потребляет очень мало энергии и не имеет пропеллера. Без человеческого вмешательства планер может самостоятельно функционировать и передвигаться месяцами, преодолевая при этом довольно большие расстояния, как заявляют его создатели.
Чуть раньше, в 2022 году, норвежская компания Eelume представила свою роботизированную змею, предназначенную для работы на дне различных водоемов. Главная задача биомиметической змеи — проводить осмотр, профилактику и ремонт оборудования, расположенного в воде.
Да, для ремонта техники на глубине уже используется ряд образцов беспилотной техники. Однако ее транспортировка остается сложной и дорогостоящей, а управление по-прежнему требует постоянного вмешательства. В то же время разработка Eelume должна стать настоящим подводным жителем, постоянно находиться в воде и работать автономно. Все, что может понадобиться змее — это станция для подзарядки.
По заявлениям норвежских изобретателей, робот сможет в течение шести месяцев находиться на глубине до 500 метров, не поднимаясь на поверхность. На обоих концах устройства расположены камеры и специальные датчики. Без зарядки змея выдерживает около двадцати километров: затем она возвращается на свою станцию.
Возможности изобретения достаточно обширны. Биомиметический робот-змея умеет самостоятельно менять некоторые детали. Например, инструменты для управления подводными клапанами и чистящие щетки для удаления обрастаний и прочего мусора. Участие человека в работе устройства сводится к минимуму: требуется лишь давать роботу задачу из диспетчерской на суше. Видео- и другие записи починки доступны благодаря оснащению змеи.
Покрытая шерстью робо-обезъяна
Это изобретение пока что находится только на стадии прототипа. Однако оно представляет не меньший интерес, чем другие из списка. Канадский инженер и бизнес-ангел Чарльз Бомбардье еще в 2016 году предложил свою концепцию биомиметического устройства. Его идея заключалась в том, чтобы создать робота, который будет способен преодолеть труднопроходимые районы джунглей и доставлять предметы первой необходимости отдаленным поселениям.
По своему виду разработка очень напоминает обезьяну. Именно эти животные вдохновили Чарльза Бомбардье, ведь они идеально ориентируются и передвигаются в тех местах джунглей, где человек вообще не может пройти.
На роботе, которого бизнесмен решил назвать «Roko», будут расположены специальные датчики, помогающие ему не врезаться в препятствия. А перепрыгивать с ветки на ветку помогут выдвижные руки с крюковыми захватами. Кроме того, Роко планируют снарядить инфракрасными камерами и камерами ночного видения. Они позволят ему видеть животных или людей и следовать за ними при необходимости.
Прототип учитывает не только доставку необходимых вещей и продуктов, но и экстренную помощь. Робот-обезьяна сможет помочь заблудившимся туристам, до которых спасателям добраться проблематично и долго. С помощью системы, в которой можно указать координаты, Роко проведет людей к безопасному месту.
Ленивец, наблюдающий сверху
Команда из Технологического института Джорджии выбрала неожиданного кандидата в качестве основы для своего изобретения. Ученые вдохновились ленивцем, в частности, его длинными руками и способностью долгое время держаться за ветки. Другим ресурсом стал известный персонаж Тарзан, который умел активно маневрировать в джунглях. В его честь и назвали робота.
Тарзан — энергосберегающий робот, который может заряжаться от солнечной энергией. Использовать его планируют в сельском хозяйстве. Задача такого ленивца — наблюдать и контролировать посевы. Один из создателей, Джонатан Роджерс, поделился, что другие роботы не могут до конца выполнять нужный объем работы: те, у которых есть колеса, постоянно застревают в земле; летающие роботы ограничены во времени и не могут вести постоянный мониторинг.
А вот Тарзан — может. Ему достаточно предоставить натянутые над посевами провода или веревки, на которых он будет качаться. Тогда робот сможет постоянно контролировать состояние урожая. Помогут ему датчики, расположенные между конечностями.
Исследователи предполагают использовать робота не просто для наблюдения, а для конкретной цели — применения метода экспериментальной оценки характеристик растений разных видов, чтобы оценить их устойчивость к засухе. Иначе это также называют высокопроизводительным фенотипированием. Результаты собранных исследований будут передавать датчики робота по беспроводной сети на станцию. В будущем планируется автоматизировать работу таким образом, что фермерам не придется посещать посевы для оценки состояния растений.
Роботы-пауки, которые могут плести удивительные конструкции
В 2016 году ученые из Института вычислительного проектирования при Университете Штутгарта представили свое изобретение: небольшие роботы, которые могут плести необычные конструкции. Строят они их из углеродного волокна. С его помощью процесс постройки становится более дешевым, а сами плетения — прочными и даже экологичными.
Основой для разработки послужили пауки и их способность создавать невероятно прочную и длинную паутину. Микророботы ползают по поверхностям и создают сети, которые вместе выглядят как большая спираль. Как заявляют создатели — их вдохновляет экономичность и изобретательность природы. Так, в списке других разработок директора Института вычислительного проектирования Ахима Менгеса и его команды есть здание, построенное на основе панцирей насекомых и омаров.
При строительстве роботы могут взаимодействовать друг с другом. Кроме того, они используют специальные датчики и присоски для ориентации в пространстве и перемещения по стенам. Пока изобретение имеет ограниченный функционал. При помощи пауков-роботов человек может обзавестись комфортным гамаком, который обволакивает тело подобно кокону. Но разработчики из Университета Штутгарта продолжают исследовать архитектурные возможности пауков-роботов.
Кожа акулы в помощь Военно-морскому флоту США
Акулья кожа имеет свое особое строение, которое оказывается полезным для людей в самых разных сферах. Ее могли использовать как наждачку, покрытие для скользкой поверхности и как сырье для спецкостюмов. Жесткость и цепкость кожи достигается за счет твердого материала, которым покрыта акула — дентина. Благодаря нему хищник плывет бесшумно и быстро, ведь небольшие зубчики на ее коже создают крошечные вихри, которые уменьшают сопротивление воды.
Изучив эту информацию, ученым из Флоридского университета пришла идея о том, чтобы создать синтетическую кожу акулы. Разработка финансируется Военно-морским флотом США. С помощью нового покрытия планируется уменьшить количество организмов, которые прирастают к кораблю — ведь они мешают ему плыть ровно, быстро и бесшумно.
Кроме того, ВМФ США ежегодно тратит довольно большие средства на обеспечение энергией всех своих судов. Это связано с тем, что приросшие мидии, водоросли и другие организмы увеличивают сопротивление корабля воде в среднем на 15%. При помощи разработки ученых из Флориды можно добиться значительной экономии средств, ведь, если полипов будет меньше, значит и затраты топлива будут ниже. А военные корабли потребляют много.
Синтетическая акулья кожа состоит из крошечных ромбовидных чешуек, которые сгибаются и разгибаются, как бы отталкивая различных паразитов. Изобретение уже было протестировано в лаборатории и показало отличный результат: ученым удалось уменьшить количество оседающих спор водорослей, которые использовались в эксперименте, на 85%.
«Встроенные» инфракрасные датчики, которые есть у змей и насекомых
Многие семейства змей и жуков обладают «встроенными» инфракрасными (ИК) датчиками, которые помогают им преобразовывать инфракрасное излучение в тепло. Благодаря эволюции у их организмов сформировалась термочувствительная система.
Именно она натолкнула ученых на создание биомиметического микросенсора с инфракрасными рецепторами. В датчике при помощи падающего ИК-излучения нагревается жидкость, вследствие чего происходит механическая деформация мембраны, которая находится в соответствующем конденсаторе. Главное преимущество разработки — ее можно использовать даже при комнатной температуре, не используя дополнительное охлаждение, чего нельзя сделать с другими фотодетекторами (то есть датчиками света или любой другой электромагнитной энергии).
Также исследователи смогли создать датчик технического зрения «Musca domestica», обладающий повышенной четкостью. Разработка вдохновлена зрением обычной мухи. Вместе с аналоговым оборудованием для предварительной обработки, изобретение может быстро извлекать информацию, осуществляя несколько задач параллельно.
Биоразлагаемые краски на основе целлюлозы
16 июля 2024 года компания Triple S Ventures инвестировала 150 000 долларов в инновационный стартап новой развивающейся британской компании Sparxell. Они занимаются производством полностью биоразлагаемых, нетоксичных пигментов на основе целлюлозы. Кроме того, вдохновившись природой, британцы разработали собственный цветовой код.
Sparxell — новая компания, но она уже успела заключить контракты на ряд пилотных проектов с такими компаниями, как LVMH, Chanel и L«Oreal. Это говорит о том, что данные технологии актуальны и позволяют находить новые экологичные решения даже в таких отраслях, как косметика и мода.
3D-печать сосудистых сетей
Заметный прогресс наблюдается в одной из областей медицины — тканевой инженерии. В 2023 году одной из важнейших новостей в сфере биомиметики стало создание нового способа 3D-печати сосудистых сетей. Команда исследователей из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Школы прикладных наук Джона Полсона создали систему, которая может невероятно точно повторить строение настоящих кровеносных сосудов.
Нововведением стала и насадка для 3D-принтера. В ее состав входит желатин и коллаген, встроены два независимых канала подачи жидкости. Тестирование технологии уже было произведено прямо на живой ткани человека. Через напечатанную биомиметическую сеть сосудов из сердечной ткани пять дней пропускали имитацию крови. Результат — новая успешная технология.
Биоматериал для клинических испытаний лекарств
В начале августа 2024 года был опубликован патент, продвигающий биоматериал на основе кукурузного эндосперма. Звучит странно, но эта разработка тоже часть тканевой инженерии. Такой биоматериал может помочь в обнаружении неэффективных компонентов лекарств еще до стадии клинических испытаний препарата.
При помощи кукурузного эндосперма формируется ткань, в которой могут находиться живые клетки. В нее помещают клетки рыб, млекопитающих и даже беспозвоночных. Эта искусственно созданная ткань в дальнейшем используется, например, как синтетическое мясо.
Кроме того, на нем можно проводить испытания лекарств: внутрь ткани вводится одно или несколько соединений для проверки их эффективности. Если она подтверждается, то соединение может быть использовано в лекарственном средстве.
Есть и другой вариант: заразить живые клетки в этом «биоскафандре» патогеном (бактериальным, грибковым или вирусным). А затем в ткань введут соединения для оценки их пригодности и результативности.
Это один из инновационных способов проверки лекарств: он увеличивает вероятность получения эффективного препарата, причем быстро.
Робот-червь, который помогает во время операций
Уже известные нанороботы применяются не только в инженерной сфере, но и в медицине. Врачи стараются внедрять новые технологии и методы лечения пациентов, чтобы уменьшить травматичность операций. Поэтому такие процедуры, как минимальная инвазивная хирургия (МИХ) и транслюминальная эндоскопическая хирургия набирают все большую популярность.
В случае с МИХ, просмотр внутренностей пациента для выявления патологии обязателен. Не все места в теле человека можно рассмотреть без хирургической операции. Чтобы это стало возможным, исследователь Джулиус Бернт и его команда разработали биомиметического наноробота сетчатого червя.
Состоит изобретение из трех сегментов мягкого плаcтико-силиконового сетчатого композита. Общая длина сегментов — 50 сантиметров, каждый из них действует при помощи сухожилий, установленных на крошечных двигателях постоянного тока. На кончике червя расположена USB-камера.
Что ждет биомимикрию в будущем?
Биомимикрию нельзя назвать временным или просто популярным направлением. Ключевую роль в будущем наука может сыграть в следующих сферах:
Зеленая энергетика. Благодаря биомиметическими подходам можно значительно повысить эффективность возобновляемых энергетических ресурсов. Ученые также активно пытаются начать производить биотопливо. Более того, исследователи продолжают развивать и улучшать солнечные батареи. Смотря на то, как происходит фотосинтез у растений и листьев, ученые хотят использовать эти структуры для повышения эффективности солнечных батарей. Так, опираясь на листья Salvinia cucullata и Pistia stratiotes, удалось создать кристаллический полупроводник Si, который может преобразовывать энергию куда более продуктивно.
Эко-архитектура. Из-за проблем с экологией и постепенного уменьшения природных ресурсов, все больше и больше дизайнеров и архитекторов стараются интегрироватьбиомиметические подходы в городах.
Медицина. Имплантаты, созданные при помощи достижений биомимикрии, станут более долговечными и экологичными. Искусственные органы и ткани уже способствуют лечению тяжелых болезней, а в будущем могут сделать это более доступным. Методы биомиметики в медицине также помогут открыть новые лекарства.
Робототехника. Многие особенности животного мира еще не изучены. Поэтому, что касается робототехники, с ее помощью можно создать биомиметического робота-шпиона, которого удастся внедрить в экосистему для изучения животных. Например, можно создать робота-рыбу, который будет осваивать океан и передавать необходимые сведения ученым.
Таким образом, биомимикрия охватывает многие сферы. Если развивать каждую из них, можно достичь не только технологического прогресса, но и лучшего понимания окружающего мира и явлений, присущих ему.
Бесплатный поиск, мониторинг и регистрация товарных знаков и других объектов интеллектуальной собственности.
Регистрация программы для ЭВМ
Внесите софт в Реестр отечественного ПО и сэкономьте на налогах
