Изобретения, вдохновленные природой

Наука биомиметика сейчас находится на ранней стадии развития. Биомиметика – это поиск и заимствование различных идей у ​​природы и их использование для решения проблем, стоящих перед человечеством. Оригинальность, необычность, безупречная точность и экономия ресурсов, с помощью которых природа решает свои задачи, просто не могут не радовать и не вызывать желание в той или иной степени скопировать эти удивительные процессы, вещества и структуры. Термин биомиметика был введен в 1958 году американским ученым Джеком Э. Стилом. А слово «бионика» вошло в общий обиход в 70-х годах прошлого века, когда на телевидении появились сериалы «Человек на шесть миллионов долларов» и «Биотическая женщина». Тим МакГи предупреждает, что биометрию не следует путать напрямую с биоинспирированным моделированием, поскольку, в отличие от биомиметики, биоинспирированное моделирование не делает упор на экономное использование ресурсов. Ниже приведены примеры достижений биомиметики, где эти различия наиболее выражены. При создании полимерных биомедицинских материалов был использован принцип действия панциря голотурии (трепанга). У трепангов есть уникальная особенность: они могут изменять твердость коллагена, образующего внешний покров их тела. Когда трепанг чувствует опасность, он многократно увеличивает жесткость своей кожицы, как будто ее разрывает панцирь. И наоборот, если ему нужно протиснуться в узкую щель, он может настолько ослабнуть между элементами своей кожи, что она практически превратится в жидкое желе. Группе ученых из компании Case Western Reserve удалось создать материал на основе целлюлозных волокон со схожими свойствами: в присутствии воды этот материал становится пластичным, а при испарении снова затвердевает. Ученые считают, что такой материал наиболее подходит для изготовления внутримозговых электродов, которые используются, в частности, при болезни Паркинсона. При имплантации в мозг электроды из такого материала станут пластичными и не повредят ткани мозга. Американская упаковочная компания Ecovative Design создала группу возобновляемых и биоразлагаемых материалов, которые можно использовать для теплоизоляции, упаковки, мебели и компьютерных корпусов. У МакГи даже уже есть игрушка из этого материала. Для производства этих материалов используется лузга риса, гречихи и хлопка, на которых выращивается гриб Pleurotus ostreatus (вешенка). Смесь, содержащая клетки вешенки и перекись водорода, помещают в специальные формы и выдерживают в темноте, чтобы продукт затвердел под воздействием грибного мицелия. Затем продукт сушат, чтобы остановить рост грибка и предотвратить аллергию во время использования продукта. Анджела Белчер и ее команда создали батарею Novub, в которой используется модифицированный вирус-бактериофаг M13. Он способен прикрепляться к неорганическим материалам, таким как золото и оксид кобальта. В результате самосборки вируса могут быть получены довольно длинные нанопроволоки. Группе Блетчера удалось собрать множество таких нанопроводов, в результате чего получилась основа очень мощной и чрезвычайно компактной батареи. В 2009 году ученые продемонстрировали возможность использования генетически модифицированного вируса для создания анода и катода литий-ионной батареи. Австралия разработала новейшую систему очистки сточных вод Biolytix. Эта система фильтров может очень быстро превращать сточные воды и пищевые отходы в качественную воду, которую можно использовать для орошения. В системе Biolytix всю работу выполняют черви и почвенные организмы. Использование системы Biolytix снижает потребление энергии почти на 90% и работает почти в 10 раз эффективнее обычных систем очистки. Молодой австралийский архитектор Томас Херциг считает, что надувная архитектура открывает огромные возможности. По его мнению, надувные конструкции гораздо эффективнее традиционных благодаря своей легкости и минимальному расходу материала. Причина кроется в том, что растягивающая сила действует только на гибкую мембрану, а сжимающей силе противостоит другая упругая среда – воздух, который присутствует повсюду и совершенно свободно. Благодаря этому эффекту природа уже миллионы лет использует подобные структуры: каждое живое существо состоит из клеток. Идея сборки архитектурных конструкций из пневмоячеистых модулей из ПВХ основана на принципах построения биологических ячеистых структур. Клетки, запатентованные Томасом Херцогом, чрезвычайно дешевы и позволяют создавать практически неограниченное количество комбинаций. При этом повреждение одной или даже нескольких пневмоячеек не повлечет за собой разрушение всей конструкции. Принцип работы, используемый корпорацией Calera, во многом имитирует создание природного цемента, который кораллы используют в течение своей жизни для извлечения кальция и магния из морской воды с целью синтеза карбонатов при нормальных температурах и давлениях. А при создании цемента Калера углекислый газ сначала преобразуется в угольную кислоту, из которой затем получаются карбонаты. МакГи говорит, что с помощью этого метода для производства одной тонны цемента необходимо фиксировать примерно такое же количество углекислого газа. Производство цемента традиционным способом приводит к загрязнению углекислым газом, но эта революционная технология, наоборот, забирает углекислый газ из окружающей среды. Американская компания Novomer, занимающаяся разработкой новых экологически чистых синтетических материалов, создала технологию производства пластмасс, где в качестве основного сырья используются углекислый газ и окись углерода. МакГи подчеркивает ценность этой технологии, поскольку выброс парниковых и других токсичных газов в атмосферу является одной из главных проблем современного мира. В технологии пластмасс Novomer новые полимеры и пластмассы могут содержать до 50% углекислого газа и угарного газа, а производство этих материалов требует значительно меньше энергии. Такое производство поможет связать значительное количество парниковых газов, а сами эти материалы станут биоразлагаемыми. Как только насекомое касается ловчего листа плотоядного растения-венерины мухоловки, форма листа тут же начинает меняться, и насекомое оказывается в смертельной ловушке. Альфреду Кросби и его коллегам из Амхерстского университета (Массачусетс) удалось создать полимерный материал, способный аналогичным образом реагировать на малейшие изменения давления, температуры или под воздействием электрического тока. Поверхность этого материала покрыта микроскопическими, наполненными воздухом линзами, способными очень быстро менять свою кривизну (становиться выпуклыми или вогнутыми) при изменении давления, температуры или под действием тока. Размер этих микролинз варьируется от 50 до 500 мкм. Чем меньше сами линзы и расстояние между ними, тем быстрее материал реагирует на внешние изменения. МакГи говорит, что особенным этот материал делает то, что он создан на стыке микро- и нанотехнологий. Мидии, как и многие другие двустворчатые моллюски, способны прочно прикрепляться к самым разным поверхностям с помощью особых, сверхпрочных белковых нитей – так называемого биссуса. Наружный защитный слой биссальной железы представляет собой универсальный, чрезвычайно прочный и в то же время невероятно эластичный материал. Профессор органической химии Герберт Уэйт из Калифорнийского университета очень долго исследовал мидии, и ему удалось воссоздать материал, структура которого очень похожа на материал, вырабатываемый мидиями. МакГи говорит, что Герберт Уэйт открыл совершенно новую область исследований, и что его работа уже помогла другой группе ученых создать технологию PureBond для обработки поверхностей деревянных панелей без использования формальдегида и других высокотоксичных веществ. Кожа акулы обладает совершенно уникальным свойством – на ней не размножаются бактерии, и при этом она не покрывается никакой бактерицидной смазкой. Другими словами, кожа не убивает бактерии, их на ней просто нет. Секрет кроется в особом узоре, который образован мельчайшими чешуйками акульей кожи. Соединяясь друг с другом, эти чешуйки образуют особый ромбовидный узор. Этот рисунок воспроизведен на защитной антибактериальной пленке Sharklet. МакГи считает, что применение этой технологии поистине безгранично. Действительно, нанесение такой текстуры, не позволяющей бактериям размножаться, на поверхности предметов в больницах и общественных местах позволяет избавиться от бактерий на 80%. При этом бактерии не уничтожаются, а, следовательно, не могут приобрести устойчивость, как в случае с антибиотиками. Технология Sharklet — первая в мире технология, подавляющая рост бактерий без использования токсичных веществ. По данным bigpikture.ru