Природа и техника. Бионика - природные прототипы

С бионикой мы сталкиваемся ежедневно: при мытье рук, просмотре телевизора, езде в автомобиле.

Бионика — это наука, изучающая биологические системы с целью применения полученных знаний для решения разнообразных инженерных задач. Примерно вот такой ответ можно получить у «Википедии» на запрос «бионика». Однако под этим термином чаще подразумевают не конкретную науку, а любую точку соприкосновения биологии и техники.

Первым специалистом по бионике можно считать итальянского гения Леонардо да Винчи: своими исследованиями полета птиц он заложил фундамент для нового естественнонаучного направления. На основе почерпнутых у природы знаний он даже попытался сконструировать орнитоптер — машущий крыльями летающий аппарат.

Орнитоптер — машущий крыльями летающий аппарат

Природа дарит лучшие решения

Когда ученые ищут решение проблемы в природе, их труд зачастую оказывается на удивление плодотворным. В конце концов, за миллионы лет эволюции флора и фауна во многом достигла совершенства.

В сравнении со своими живыми прототипами современная техника находится в самом начале пути, но благодаря человеческой изобретательности дистанция стремительно сокращается. Между тем продукты, созданные с помощью бионики, встречаются почти повсеместно: в архитектуре, одежде, материалах всех видов и в средствах передвижения они безусловно играют центральную роль.

Природная эффективность в автомобиле

Первые машины, громыхавшие некогда по булыжным мостовым, были бесконечно далеки от природы, однако инженеры, создающие современные транспортные средства, сегодня вынуждены приглядываться к естественным прототипам. В итоге авто становятся все мощнее, безопаснее и к тому же — красивее.

В современном автомобиле можно найти множество заимствований у природы. Для начала — форма. При ее создании разработчики все больше ориентируются на рыб и птиц. Ведь они проблему обтекаемости «решили » особенно удачно. Если на секунду представить, что эти существа имеют внешний вид автомобилей начала двадцатых годов прошлого века, станет очевидно, что такая форма не позволила бы птицам летать, а рыбы вряд ли уплыли бы далеко.

Образцом для разработки кузовов самых мощных транспортных средств служит форма тела пингвина с ее феноменальной обтекаемостью. Такие автомобили имеют необычайно низкое аэродинамическое сопротивление.

Невзрачная с виду автомобильная покрышка своим рисунком своего протектора обязана еще одному природному прототипу: благодаря тонким пластинкам широкая лапа геккона надежно цепляется за малейшие неровности поверхности. В протекторе используется тот же принцип, только в сильно увеличенном масштабе. Поэтому шины с особым рифлением, предназначенные для спортивных автомобилей, — сравнительно широкие.

Не только поверхность, но и форма шины следуют природным прототипам: в частности, энергоэффективные шины более узкие и похожи на лапы гепарда, которого небольшие опорные поверхности превращают в уникально быстрого спринтера. Для прыжков и перемены направления хищная кошка может увеличивать площадь сцепления лап с грунтом.

Этот пример показывает, что природа по-прежнему оставляет современную технику далеко позади, ведь шину, которая бы, подобно лапе гепарда, отвечала самым разным требованиям, ученые все еще не изобрели. Жаль, так как сопротивление качению отнимает немалые 20-30% от общей эффективности автомобиля.
Даже строение современного колеса навеяно природой: спицы копируют чрезвычайно устойчивую и легкую структуру скелета. Само собой разумеется, колеса можно было бы сделать сплошными. Но принцип, действующей для кости, не отличающейся плотностью внутренней структуры, работает и здесь: каждый грамм, который нужно приводить в движение, требует расхода топлива. Впрочем, «костяная структура» задействуется не только в автомобилестроении: например, тот же принцип взяли на вооружение архитекторы при проектировании мостов и других сооружений.

При взгляде на Audi R8 на предыдущем развороте в глаза бросаются жаберные структуры на переднем спойлере, задней части кузова, а также за дверями. Природным примером здесь стала рыба, которой, как и двигателю спортивного автомобиля, жабры нужны для дыхания. Направленный поток через жабры уменьшает сопротивление воды или, соответственно, воздуха.

audi r8

Скопировано с летучей мыши

Лак — это тоже больше, чем просто придание цвета. Особая структура поверхности используется для создания так называемого эффекта лотоса: с листа этого растения вода и грязь просто-напросто стекают, и вовсе не из-за его гладкости. Эволюция нашла удивительное решение вопроса: под микроскопом видно весьма шероховатую поверхность листа, такая структура дает жидкостям и загрязняющим частицам меньше площади для опоры, чем гладкая.

Трудно поверить, но и сигнализатор безопасной дистанции основан на природной технике, поскольку, подобно летучей мыши, он использует принцип эхолота. С помощью ультразвуковых волн животные, ведущие ночной образ жизни, сканируют окружающую среду и могут облетать препятствия и преследовать добычу даже в полной темноте.

71b7850f4ae9d7a5b9cda9ced102ce61

Еще один пример из области автомобилестроения: образцом для конструкции легких и в тоже время устойчивых сидений в салоне послужил крепкий панцирь жуков.

Зубцы как обтекатель

В судоходстве человек тоже ориентируется на достижения природы. Акула является не только хорошим охотником, но и прекрасным пловцом. Как и в случае с листом лотоса, сначала предполагалось, что малое гидравлическое сопротивление обеспечивается гладкой кожей этой хищной рыбы. Однако при изучении через микроскоп выяснилось следующее: поверхность кожи акулы состоит из множества микроскопических зубчиков, которые работают как обтекатель. Они препятствуют возникновению поперечных завихрений, повышающих гидравлическое сопротивление. Еще одно преимущество: благодаря этим зубцам к коже рыбы не могут прикрепиться ракушки.

Сначала инженеры перенесли этот принцип на купальные костюмы для пловцов. Тесты показали, что спортсмен в костюме из искусственной акульей кожи преодолевает стометровку на полторы секунды быстрее. В мире спорта, где правит скорость, такая разница во времени является грандиозной.

Трансляция такого принципа на куда более крупных «железных пловцов» напрашивалась сама собой, тем более что
корабли подвержены обрастанию ракушками, повышающими гидравлическое сопротивление на целых 15%. Для больших старых судов это представляет огромную проблему, потому что расход топлива, как и у автомобилей, возрастает пропорционально росту сопротивления.

Аналогично обстоит дело и у самолетов: компания Airbus в порядке эксперимента покрыла 75% корпуса двух своих дальнемагистральных лайнеров специальной пленкой Rib-lets, чья поверхность снабжена мельчайшими зубчиками. Сопротивление воздуха после этого снизилось на 8%. Таким образом при дальних перелетах экономится около двух с половиной тонн керосина.

Впрочем, примеры применения бионики в авиастроении можно увидеть и невооруженным глазом. Речь идет о специальных приспособлениях — винглетах. Такие маленькие «крылышки на крыльях» уменьшают поперечные завихрения и имитируют веерообразные маховые перья, позволяющие, например, альбатросу летать, сберегая энергию. В чем выгода? Опять же в экономии топлива.

Превосходство техники

Выше мы упоминали, что чаще всего природа оставляет современную технику далеко позади. Однако справедливости ради надо заметить, что многие синтетические материалы все-таки заметно превосходят свои природные прототипы.

Если, скажем, натуральный шелк при сопоставимой толщине нити способен выдержать примерно в 25 раз большую нагрузку, чем стальная проволока, то с искусственным шелком ему тягаться не под силу. После десятков лет исследований в прошлом году ученым удалось создать шелковую нить, которая по прочности на растяжение сопоставима с натуральным аналогом, а по способности выдерживать нагрузку вдвое превосходит его.

К возможным сферам применения искусственного шелка, так называемого Biosteal, относится, например, изготовление оболочки для медикаментов, имплантов груди и кардиостимуляторов, а также очень прочной, но в то же время комфортной и эластичной защитной одежды.