Школа природы — шедевры конструирования

Школа природы — шедевры конструирования


«Многие наши лучшие изобретения скопированы из живых организмов и уже давно нами используются» (Фил Гейтс, «Вайлд технолоджи»). Цель биомиметики - создание большего количества композиционных материалов и механизмов путем подражания природе. Природа производит свою продукцию, не загрязняя среду. Ее произведения отличаются упругостью и легкостью и одновременно невероятной прочностью.


Например, кость прочнее стали с таким же весом. В чем же заключается секрет? Частично в хорошо продуманной форме кости, но основной секрет этого феномена следует искать глубже - на молекулярном уровне. «Загадка живых организмов кроется в конструкции и подборе их мельчайших деталей», - объясняет Ґейтс. Исследовав эти мельчайшие детали, ученые отделили субстанции, благодаря которым природные конструкции, начиная от кости и заканчивая тканью, отличаются завидной прочностью и легкостью. Оказалось, что эти субстанции являются разными видами природных композиций.


Удивительные композиционные материалы

Композиционные материалы - это твердые материалы, образующиеся в результате сочетания двух или более компонентов и характеризующиеся лучшими свойствами, чем те начальные составляющие. Можно проиллюстрировать это на примере искусственной композиции - стеклопластика, который широко применяется в корпусах лодок, удочках, лугах, стрелах и других спортивных товарах. Стеклопластик изготавливают путем погружения тоненьких стеклянных волокон в жидкую или желеобразную основу из пластика (полимера). Когда этот полимер затвердевает, застывает, образуется композиционный материал, который отмечается легкостью, прочностью и гибкостью. Изменяя вид волокон и основы, можно изготовить много разнообразных изделий. Конечно, созданные человеком композиции все равно не сравнить с теми, которые заложены от природы в человеческих, животных и растительных организмах. В людях и животных включениями в композиционных материалах, которые предоставляют прочности коже, кишечнике, хрящам, сухожилия, кости и зубам (кроме эмали), служат не волокна стекла или углерода, а волокнистый белок коллаген. В определенном справочнике такие материалы названы «одним из самых конструкционных композиций».


Рассмотрим, например, сухожилия, с помощью которого мышцы прикрепляются к костям. Сухожилия уникальные не только благодаря прочности, которые исходят от коллагеновых волокон, но также благодаря удивительному способу, которым эти волокна скручены. В книге «биомимикрия» Джанин Биньес пишет, что если посмотреть на развернутое сухожилия, то открывается «просто невероятная точность на всех его многочисленных уровнях. Сухожилие в вашем предплечье - это скрученный пучок «кабелей», подобных тем, которые используются в висячих мостах. Каждый отдельный «кабель» также представляет собой скрученный пучок тонких «кабелей». А каждый из этих тонких «кабелей» является скрученным пучком молекул, которые тоже состоят из скрученных в спираль пучков атомов. И снова перед нами встает математическая красота ». Биньес назвала это «инженерным шедевром». Поэтому должно ли нас удивлять то, что ученые, как они сами говорят, черпают вдохновение из живых конструкций? Как уже говорилось, созданные человеком композиции блекнут рядом с естественными. Все же изделия из синтетики заслуживают большой похвалы. Они даже относятся к десяти крупнейших инженерных достижений человека, сделанных за прошедшие 25 лет. Например, разработка композиционных материалов с включениями волокон углерода или графита привела к возникновению нового поколения спортивных товаров, деталей для самолетов и космических аппаратов, гоночных автомобилей для «Формулы 1», яхт и легких протезов. И количество таких изделий быстро растет.


Чудесная универсальная жировая ткань

Дельфин

Киты и дельфины даже не догадываются, что их тела обернуты необычной тканью - слоем жира или ворванью. «Жировая ткань китов - это, пожалуй, самый универсальный материал из всех нам известных», - говорится в книге «Биомиметика: разработка и обработка материалов». А дальше там объясняется почему: жировая ткань является прекрасным средством для всплытия и помогает китам подниматься на поверхность, чтобы набрать воздуха. Она также служит этим теплокровным млекопитающим лучшей теплоизоляцией от океанского холода. Кроме того, во время миграций, когда китам приходится в поисках пищи преодолевать тысячи километров, жир оказывается лучшим источником питания. Так, жир предоставляет втрое больше энергии, чем белки и сахар.


Согласно вышеупомянутой книге, «жировая ткань китов также очень является упругим материалом, подобная резине. По нашим последним точными подсчетам, во время долгих периодов непрерывного плавания киты экономят около 20% затрат энергии на движение. Возможно это благодаря ускорению, которое китам предоставляет сила упругости, возникающая при сжатии и растяжении эластичного жирового слоя с каждым взмахом хвоста ». Ворвань добывают уже веками, но только недавно выяснилось, что почти половина ее массы приходится на сложное кружево коллагеновых волокон, которое обвивает каждое животное. Хотя ученые все еще исследуют функции этой композиционной жировой смеси, они считают, что открыли еще один удивительный материал, искусственный двойник которого мог бы получить широкое применение.


Восьминогий гений инженерии

В последние годы ученые также очень внимательно присматриваются к паукам. Они стремятся узнать, как он производит свою паутину, что тоже относится к композиции. Хотя шелковые нити производит много различных насекомых, но все равно паутина является чем-то действительно особенным. Это один из самых прочных материалов на земле, который один автор научных статей назвал «пряжей нашей мечты». Паутина настолько уникальная, что просто трудно перечислить все ее многочисленные удивительные свойства. Почему ученые высказываются о паутину с таким увлечением? Потому что оно не только в пять раз прочнее стали, но и невероятно эластичнее. Сочетание этих двух свойств в одном материале - редкое явление. Паутина растягивается на 30 процентов больше, чем эластичный нейлон. «В человеческих масштабах, - говорится в журнале« Сайенс ньюс », - паутина, представляя собой рыболовную сетку, могла бы поймать пассажирский самолет». Представьте себе, какие изделия выпускал бы человек, если бы научился проделывать с химическими веществами такие чудеса, как паук (два его вида изготавливают семь различных шелковых нитей)! Появились бы значительно усовершенствованее ремни безопасности, нити для сшивания ран, искусственные связи, легкие и прочные шнуры, тросы, пуленепробиваемые ткани и многое другое. Ученые также пытаются понять, как пауку удается производить такую замечательную паутину без использования токсичных химикатов.


Мертвая муха помогает усовершенствовать солнечные батареи

По сообщению журнала «Нью сайентист», одного ученого во время посещения музея заинтересовали изображения вымершей мухи, которая сохранилась в янтаре. Внимание ученого привлекли решетки на глазах насекомого. У него возник мысль о том, что такое строение глаз помогает мухе улавливать больше света, особенно под очень острым углом. Вместе с другими исследователями он начал ставить эксперименты, которые подтвердили его предположения. Вскоре ученые задумали выгравировать такие же решетки на стекле солнечных батарей. Они надеются, что благодаря этому солнечные батареи будут производить больше энергии. Кроме того, возможно, исчезнет потребность в дорогих системах наведения батарей на Солнце, без которых сегодня не обойтись. Усовершенствованные солнечные батареи также будут требовать меньше природного топлива, а следовательно, приводить к меньшему загрязнения, что очень важно. Такие находки, несомненно, помогают нам осознать, что природа - это настоящая сокровищница замечательных конструкций, которые ждут открытия, анализ и полезное применение.


Коробки передач и реактивные двигатели в мире природы

Благодаря коробке передач и реактивному двигателю мир сегодня находится в постоянном движении. Но знаете ли вы, что и здесь природа обогнала нас? Рассмотрим, например, коробку передач. Она делает смену передач в автомобиле, чтобы наиболее эффективно использовать мотор. Естественная коробка передач делает то же, но соединяет не мотор с колесами, а крылья с крыльями! И кто же обладает такой коробкой передач? Обычная муха. Так как ее трехскоростной механизм переключения передач соединен с крыльями, она может менять передачи просто в воздухе! Кальмары, осьминоги и наутилусы путешествуют водами морей и океанов, пользуясь принципом реактивного движения. Ученые с завистью смотрят на их двигатели. Почему? Потому что они состоят из мягких частей, которые не ломаются, выдерживают давление больших глубин и работают бесшумно и эффективно. Кальмары, убегая от хищников, могут развить скорость более 30 километров в час и «порой даже выпрыгивают из воды и падают на палубу кораблей", - говорится в книге «Вайлд текнолоджи».


Наше сердце наполняется благоговением и ценить, когда мы только на несколько минут задумаемся над миром природы. Природа - это действительно живая загадка, которая вызывает у нас вопрос за вопросом: какие химические чудеса вызывают яркое холодное свечение светлячков и некоторых морских водорослей? Как различные арктические рыбы и лягушки, полностью замерзнув зимой, снова оживают? Как китам и тюленям удается так долго находиться под водой без аквалангов? И почему они, то и дело ныряя на большие глубины, не страдают от декомпрессионной болезни, еще называется кессонной болезнью? Как хамелеоны и каракатицы меняют цвет, чтобы слиться с окружением? Как колибри удается пересекать Мексиканский залив, имея менее 3 граммов горючего? Кажется, что таким вопросом никогда не будет конца. Действительно, люди могут только наблюдать и удивляться. В книге «Биомимикрия» говорится, что исследования природы вызывает у ученых увлечение, которое «граничит с благоговением».

There are no comments
.