Ми скинули один з найкращих теплоізоляційних матеріалів з овець, липучки з рослин осоту, самоочищення, водовідштовхувальний одяг з лотоса, найефективніші купальники від акул та новітні обладунки від равликів, риб та павуків. У живому світі за мільйони років еволюції було багато рішень, на які людина лише довгий час дивилася із заздрістю. Зараз техніка досягла рівня, коли вона стала здатною копіювати та використовувати винаходи природи.

Біомімікрія або біоміметика (від грецького слова bios = життя та mimesis = наслідування) - це дисципліна, призначена для поєднання біології та техніки. Його головна мета - впровадити структуру та механізми живих істот на практичному рівні у штучних матеріалах та машинах, дещо копіюючи природні організми, вдосконалені еволюцією протягом мільйонів років. Раніше науковою галуззю була біоніка, але нещодавно цей термін дедалі більше привласнюється медициною, де він використовується для заміни органів або частин тіла механічним варіантом.

Біоматеріали

Значна частина біоміметики - це розробка та виробництво біоматеріалів, які можна використовувати для різних цілей. Біоматеріали можна використовувати для багатьох цілей. У цій статті ми розглядаємо біоматеріали, що використовуються для захисту тіла, тобто для одягу та захисту поверхні тіла від травм.

Презентація Джанін Бенюс, всесвітньо відомого американського експерта з біомімікриї (з угорськими субтитрами)

Термоізоляція

Один з найбільших теплоізоляційних матеріалів був взятий у природи практично без змін. Цей матеріал нам дають мериносові вівці. Мериносова шерсть використовується майже в усіх сферах життя, починаючи від спорту і закінчуючи аерокосмічною промисловістю. Особливістю мериносової вовни є те, що вона складається з набагато тонших волокон, ніж звичайна шерсть. Більш тонкі волокна можуть утримувати більше повітря між собою, роблячи їх більш ізоляційними, ніж щільніші матеріали. (Ось чому експерти рекомендують шарувату одяг на морозі, оскільки кілька тонких предметів одягу утворюють більше ізолюючих шарів повітря, що зазвичай робить вас теплішими, ніж товстий светр.) Використовуючи мериносову шерсть, компанії, що займаються спортивним одягом, роблять теплоізоляційний базовий шар для всіх видів спорту ( їзда на велосипеді, піші прогулянки, скелелазіння тощо), де основною вимогою є запобігання охолодженню тіла. Такі матеріали також використовуються в основному вбранні полярних учених та космонавтів.

Найвідоміший у світі біоміметичний винахід

Самоочисний, водовідштовхувальний одяг

Хоча рослина лотоса росте в похмурих річках та озерах, її листя завжди чисті. Ця здатність самоочищення листа також привернула увагу дослідників. На перший погляд можна подумати, що поверхня листа настільки гладка, що на ній не прилипає бруд. Як не дивно, але прямо навпаки. Два німецькі дослідники Вільгельм Бартлотт і Крістоф Нейнхайс описали явище, яке вони назвали ефектом лотоса в 1990-х роках.

Лист лотоса далеко не гладкий. Кілька мікрометрів (мільйонна частина метра) повна високих горбків, покритих 1 нанометром (мільярдною частиною метра) кристалів воску. Кришталі воску є водовідштовхувальними, тому крапельки води стікають з поверхні листа. Спеціальне поєднання мікрометрових та нанометрових структур різко зменшує площу контакту між поверхнею та молекулами води, що є ключовим для процесу очищення. Це пояснює, чому навіть легкий душ миє листя в чистоті.

шкіра

Поверхня листя лотоса (надана електронна мікрофотографія). Сфери - це краплі води, що стікають із бруду

Звичайно, ця здатність самоочищення лотоса не оминула уваги дослідників біоміметиків. Сьогодні ефект лотоса використовується кількома способами. BASF розробив водовідштовхувальний спрей з використанням наночастинок. Водонепроникні полімери та віск у ньому можуть ефективно імітувати ефект лотоса. Компанії, що займаються спортивним обладнанням, у свою чергу виробляють ковзани з поверхневою структурою, подібною до структури лотоса, тим самим звільняючи одяг від розплавленого льоду та бруду.

Купальники з акулиної шкіри

Шкіра людини - дивовижна речовина. Водонепроникний, повітропроникний, самовідновлюється, але менш підходить для одного: плавання. Вода не плавно тече поруч із поверхнею шкіри, значною мірою тому, що шкіра (через поглинання води) починає зморщуватися через деякий час у воді. Волоски, що ростуть із шкіри, ще більше погіршують плавальні показники.

Купальник Speedo Fastskin (ліворуч зображення сукні, праворуч зображення шкіри акули)

Шкіра акул, пристосованих до плавання, зовсім інша. Поверхня тіла вкрита крихітними так званими плакоїдними лусочками, які забезпечують ідеальний потік води. Скориставшись цією особливістю, інженери спортивних товарів Speedo почали розробляти цілі обтягуючі купальники, покриті крихітними V-подібними каналами, тому поверхня костюма дуже схожа на лускату шкіру акул. Speedo виміряв ці костюми, які називаються Fastskin, щоб прискорити плавців до 3 відсотків. Звичайно, інші компанії зі спортивного спорядження також вступили в боротьбу за ласки плавців. Однак, здається, костюми для акул незабаром будуть принесені в жертву, оскільки Міжнародна федерація плавання FINA обмежує носіння супер одягу на змаганнях за суворими стандартами.

Броня

Люди воювали між собою з давніх часів, тому вони дуже довго намагалися вилучити ефективні засоби захисту з живого світу. Одним із елементарних способів це було, наприклад, використання шкіряних обладунків та шкіряних щитів. Сучасна біоміметика прагне взяти набагато ефективніші рішення від природи.

Броня від вушної раковини

Вушні равлики створюють впорядковану мозаїчну структуру, схожу на цеглу, для своєї оболонки, яка теоретично є найсильнішим розташуванням мозаїки у світі. За словами Марка А. Мейєрса, дослідника Каліфорнійського університету, ці "плитки" зроблені з карбонату кальцію, або вапняку, який знизу і зверху покритий тонким шаром білка.

Шарувата структура оболонки вушної раковини спонукала дослідницьку групу розробити абсолютно новий синтетичний матеріал, використовуючи молюсків як орієнтир. Хоча кров, вироблена таким чином, не зупиняє снаряд штурмової гвинтівки АК47, спостереження за конструкцією молюсків допомагає команді Мейєрса та іншим дослідникам розробити ефективну бронежилет для людей, які працюють у військовій, поліцейській та ін.

Тришарова броня

Американські дослідники повідомили про цілком особливу раковину равликів у журналі Американської академії наук (PNAS) цього тижня. Крістін Ортіс та його колеги вивчали багату залізом оболонку Crysomallon squamiferum, знайдену біля одного з глибоководних курців в Індійському океані. Дослідники створили комп’ютерну модель тришарової оболонки.

Равлик Crysomallon squamiferum

Моделюючи природну захисну систему тварини, вони виявили, як равлик захищає себе від хижаків, зберігаючи свою рухливість і контроль процесів в організмі. Аналіз показав, що шарувата композиція в поєднанні з унікальною структурою кожного шару захищає від проникнення, покращує розподіл енергії та протистоїть вигинам. Дослідники кажуть, що натуральна броня може стати гарною відправною точкою для розробників нових матеріалів для захисту людей.

Гнучка бронежилет

Інженери Масачусетського технологічного університету (MIT) працюють над використанням людьми лускатої броні риби, яка називається "жива копалина", риби, яку називають "анчоус динозавра" (Polypterus senegalus). Перекриваються броньовані лусочки вугра спочатку розсіюють енергію нападу, потім захищають м’які тканини, що знаходяться під ними, від проникнення і, нарешті, концентрують будь-які пошкодження на пластинах в безпосередній близькості від нападу.

Вугор вкритий чотирма шарами броньованих лусок, кожен товщиною близько 500 мікрометрів. Дослідники з Массачусетського технологічного інституту вважають, що різні складові матеріали, геометрія та різна товщина шкіряних пластин разом сприяють ефективності броні. На думку дослідників з Массачусетського технологічного інституту, ця структура буде чудовою для розробки ефективної, але гнучкої бронежилета людини. Подібна броня (звана Шкурою дракона, або Драконья шкіра) вже існує в реальності. Риб’ячу луску тут замінюють керамічними пластинами, але також варто експериментувати з природними матеріалами.

Павутина, матеріал майбутнього

Павутина - найміцніший природний матеріал у світі. Він може вмістити в п’ять разів більше маси сталевого волокна подібної товщини, втричі еластичніший (тобто жорсткіший), ніж найміцніша в світі пряжа, що випускається в даний час, кевлар, з якої, серед іншого, виготовляються бронежилети. Тому дослідники роблять все можливе, щоб розшифрувати його хімічну та фізичну структуру та реалізувати її виробництво в промислових масштабах. Частковий успіх уже досягнуто, але "масштабне" виробництво пряжі-павука - яке може революціонізувати багато галузей - ще попереду.