Фотофакт: Новые изобретения, подсказанные природой
Старший биолог Института биомиметики Тим МакГи (Tim McGee) определяет эту науку, как сознательное имитирование элементов живой природы при создании новых устройств и технологий. Сам термин биомиметика (или бионика) ввел в употребление в 1958 году американский ученый Джек Э. Стил. Слово "бионика" вошло во всеобщее употребление в 70-х годах прошлого века, когда на телеэкраны вышли сериалы "Человек за шесть миллионов долларов" (The Six Million Dollar Man) и "Бионическая женщина". Тим МакГи подчеркивает, что не следует смешивать непосредственно биомиметику с биоинспирированным моделированием, так как в отличие от биомиметики биоинспирированное моделирование не делает упора на экономном использовании ресурсов. МакГи выделяет следующие примеры, где достижения биомиметики проявляются особенно наглядно.
Полимерные биомедицинские материалы, при создании которых использован принцип оболочки голотурии. В 2008 году ученые, работающие в кливлендском Западном резервном университете Кейза (Case Western Reserve University), заинтересовались созданием нового медицинского материала, который обладал бы свойствами внешней оболочки животного голотурии (или морского огурца). Морские огурцы обладают уникальной чертой - они могут менять твердость коллагена, формирующего внешний покров их тела. А именно: они в состоянии менять его жесткость. Когда морской огурец чувствует опасность, он многократно увеличивает жесткость своей кожи, как будто покрываясь панцирем; и наоборот, если ему нужно протиснуться в очень узкую щель, он может настолько ослабить связи между элементами своей кожи, что она практически превращается в текучий студень. Группе ученых из Case Western Reserve удалось создать материал на основе целлюлозных волокон, обладающий похожими свойствами: в присутствии воды этот материал становится пластичным, а при ее испарении вновь затвердевает. Ученые считают, что такой материал наиболее пригоден для производства внутримозговых электродов, которые применяются, в частности, при лечении болезни Паркинсона. При вживлении в мозг электрод из такого материала будет становиться пластичным, и не будет дополнительно повреждать мозговую ткань.
Изоляционный и упаковочный материал, созданный при помощи вешенок. Американская компания Ecovative Design, производящая упаковку, создала группу возобновляемых и биоразлагаемых материалов, которые можно использовать для производства термоизоляторов, защиты от пламени, а также упаковки. Для производства этих материалов используется шелуха риса, гречихи и хлопчатника, на которых выращивается особый гриб Pleurotus ostreatus (или вешенка). Смесь, содержащая клетки этого гриба и пероксид водорода, помещается в специальные формы и выдерживается в темноте, чтобы под воздействием грибного мицелия изделие затвердело. Затем изделие высушивается, чтобы оставить рост гриба и предотвратить появление аллергии в процессе использования изделия. МакГи считает, что возможности применения подобных материалов практически неограниченны - из них можно делать все, включая мебель и корпуса для компьютеров. У него даже уже есть игрушечный утенок, сделанный из такого материала.
Устройства, созданные при помощи вирусов. Биоинженер Анджела Белчер ( Angela Belcher) и ее группа создали новую батарею, в работе которой используется генетически модифицированный вирус бактериофаг М13. Этот модифицированный вирус способен прикрепляться к неорганическим материалам, таким как золото и оксид кобальта. В результате самосборки вирусов можно получить достаточно длинные нанопровода. Группа ученых под руководством смогла собрать множество таких нанопроводов, в результате чего получилась основа очень мощной и чрезвычайно компактной батареи. В 2009 г группа Блетчер продемонстрировала возможность использования генетически модифицированного вируса для создания анода и катода литий-ионного аккумулятора. МакГи отмечает, что это очень мощная технология, не имеющая аналогов.
Система очистки, работающая по принципу естественного очищения. В Австралии разработана новейшая система очистки сточных вод Biolytix. Эта система фильтров может очень быстро превращать канализационные стоки и пищевые отбросы в качественную воду, которую можно использовать для полива. МакГи подчеркивает, что особенная ценность этот фильтрационной системы состоит в том, что в этой фильтрационной системе не используются вредные химикаты и буквально пожирающие энергию очистительные фильтры. В системе Biolytix всю работу проделывают черви и почвенные организмы. Призвав на помощь силы природы, система Biolytix сократила потребление электроэнергии почти на 90%, зато работает в 10 раз эффективнее обычных очистных систем.
Пневмоклетки для надувной архитектуры. Молодой австралийский архитектор Томас Херциг (Thomas Herzig) считает, что перед надувной архитектурой открываются огромные возможности. По его мнению, надувные конструкции намного эффективнее традиционных, благодаря своей легкости и минимальному расходу материалов. Причина кроется в том, что растягивающее усилие действует только на гибкую мембрану, в то время как усилию сжатия противостоит другая эластичная среда - воздух, которая присутствует повсюду и совершенно бесплатно. Благодаря этой эффективности природа использует подобные конструкции уже миллионы лет. Каждое живое существо состоит из клеток. Поэтому идея собирать архитектурные конструкции из модулей-пневмоклеток (эти клетки сделаны из ПВХ) основывается на принципах биологических клеточных структур. Эти запатентованные Томасом Херцигом клетки обладают очень низкой стоимостью и позволяют создавать практически неограниченное количество комбинаций. При этом повреждение одной или даже нескольких пневмоклеток не приводит к разрушению всей конструкции.
Экологически чистый цемент компании Calera Corporation. Процесс, используемые компанией Calera Corporation, во многом имитирует создание природного цемента, которым в процессе своей жизнедеятельности занимаются кораллы, извлекая кальций и магний из морской воды, чтобы синтезировать карбонаты при нормальных температурах и давлениях. При создании цемента Calera углекислый газ сначала превращают в угольную кислоту, из которой затем получают карбонаты. МакГи говорит, что при таком способе для производства одной тонны цемента необходимо связать примерно столько же углекислого газа. Производство цемента традиционным способом приводит к загрязнению окружающей среды углекислым газом, но эта революционная технология наоборот - забирает углекислый газ из окружающей среды.
Экологически чистые пластмассы. Американская компания Novomer, разрабатывающая новые экологически чистые синтетические материалы, создала технологию получения пластмасс, где в качестве основного сырья используется углекислый и угарный газы. МакГи подчеркивает ценность этой технологии, так как выброс парниковых и других токсичных газов в атмосферу является одной из основных проблем современного мира. При производстве пластмасс по технологии компании Novomer, новые полимеры и пластмассы могут содержать до 50% углекислого и угарного газов, и при этом на производство этих материалов требуется значительно меньше энергии. Такое производство поможет связывать существенное количество парниковых газов, а сами эти материалы становятся биоразлагаемыми.
Полимер, работающий по принципу венериной мухоловки. Стоит только насекомому коснуться ловчего листа хищного растения Венериной мухоловки, как форма листа немедленно начинает меняться, и насекомое оказывается в смертельной ловушке. Альфреду Кросби (Alfred Crosby) и его коллегам из Амхерстского университета (штат Массачусетс) удалось создать полимерный материал, который в состоянии подобным образом реагировать на малейшие изменения давления, температуры, либо под воздействием электрического тока. Поверхность этого материала покрывают микроскопические, заполненные воздухом линзы, которые могут очень быстро менять свою кривизну (становиться выпуклыми или вогнутыми) при изменении давления, температуры, либо под воздействием тока. Размер этих микролинз варьируется от 50 мкм до 500 мкм. Чем меньше сами линзы и расстояние между ними, тем с большей скоростью материал реагирует на внешние изменения. МакГи говорит, что особенностью данного материала является то, что он создан на стыке микро- и нанотехнологий.
Универсальное защитное покрытие, имитирующее защитное покрытие биссусной железы мидий. Мидии, как и многие другие двустворчатые моллюски, умеют намертво прикрепляться к самым различным поверхностями при помощи особых, сверхпрочных белковых нитей - так называемого биссуса. Внешний защитный слой биссусной железы представляет собой универсальный, чрезвычайно прочный и в то же время невероятно эластичный материал. Профессор органической химии Герберт Уэйт (Herbert Waite) из Калифорнийского университета очень долго занимался исследованием мидий, и ему удалось воссоздать материал, структура которого очень похожа на материал, вырабатываемый мидиями. МакГи говорит, что Герберту Уэйту удалось открыть целое поле для новых исследований, и что его работа уже помогла другой группе ученых создать технологию PureBond для обработки поверхностей деревянных панелей без применения формальдегида и других высокотоксичных веществ.
Антибактериальные поверхности, работающие по принципу акульей кожи. Акулья кожа обладает совершенно уникальным свойством - на ней не размножаются бактерии, и при этом она не покрыта никакой бактерицидной смазкой. Другими словами - кожа не убивает бактерии, их на ней просто нет. Секрет кроется в особом рисунке, который образуют мельчайшие чешуйки акульей кожи. Соединяясь друг с другом, эти чешуйки образуют особый ромбовидный узор. Вот этот узор и воспроизводится на защитной антибактериальной пленке Sharklet. МакГи считает, что применение этой технологии поистине безгранично. Действительно, нанесение подобной текстуры, не дающей размножаться бактериям, на поверхности предметов в больницах и местах общественного пользования позволяет избавиться от бактерий на 80%. При этом бактерии не уничтожаются, а, следовательно, они не могут приобрести резистентность, как в случае с антибиотиками. Технология Sharklet - это первая в мире технология, подавляющая рост бактерий без использования токсичных веществ.