Биомиметика (бионика)

В последние  же десятилетия бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В ходе эволюции в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, размножаться и процветать с минимальной затратой энергии. Это основано на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами жизни. Таким образом, перенимая у природы инженерные решения, можно значительно увеличить энергоэффективность и высокопродуктивность современных технологий.  

Природные материалы дешевы и распространены в огромном количестве, а их свойства значительно универсальнее тех, что сделаны человеком. Тогда  как человеком применяются слишком  энергоемкие процессы для получения  разных сверхпрочных веществ, природа делает их гораздо более эффективными способами, используя для этого окружающие натуральные вещества и их свойства. Дизайн природных конструкций пока тоже не сравним с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность. Промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые, взаимодействуя с окружающей средой, могут приспосабливаться, изменяя свои свойства.  

Современная бионика во многом связана с разработкой  новых материалов, которые копируют природные. Живые организмы конструируют необходимые продукты из белков, поэтому исследователи заинтересовались тем, как с помощью белков можно искусственно создать различные наноструктуры. Некоторые белки, например, могут формировать регулярные структуры в виде кристаллических решеток, которые можно использовать при конструировании наномашин и в наноэлектронных устройствах.  

Другие  исследователи поставили перед  собой цель, которой достичь еще  сложнее. Они решили конструировать из белков и неорганических соединений такие структуры, которых в природе еще не существует. Однако они до сих пор не могут точно определить, как именно белки будут собираться из аминокислот, и поэтому нельзя аналитически просчитать необходимую структуру белка. Исследователи выбрали альтернативный подход: сборку случайного белка из большого количества разных аминокислот. Это можно сделать с помощью генной инженерии бактериофагов.  

Одним из первых примеров создания биомиметического материала является широко распространенная «липучка», прототипом которой стали плоды репейника, цеплявшиеся за одежду. Импульсом к развитию биомиметики в последние годы послужило развитие нанотехнологий. Размеры биологических макромолекул — нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и белков (антигены, антитела, вирусные капсиды, ферменты и др.) находятся в нанодиапазоне. Использование биологических макромолекул в этой области обусловлено их упорядоченной биологической структурой. Двойная спираль ДНК или спирально уложенные белки вирусного капсида могут быть использованы как строительные леса, задающие определенное пространственное расположение, например, наноразмерных частиц металлов. Другим подходом применения упорядоченной структуры ДНК является ее использование как материала для наносистем (ДНК-конструирование). Идея создания определенным образом пространственно организованных ДНК-наноматриц пришла из работ Нэда Симана (Ned Seeman), предложившего идею ДНК-конструирования, и Пола Ротмунда (Paul Rothemund), который создал метод «ДНК-оригами» («scaffolded DNA origami», оригами — японское искусство складывания фигур из бумаги). Метод, предложенный Полом Ротмундом, позволяет с помощью специальной компьютерной программы рассчитать последовательность искусственно синтезированной одноцепочечной ДНК таким образом, чтобы на основе принципа комплементарности такая ДНК в специальном растворе образовывала определенную конформацию, заданную последовательностью нуклеотидов. Для того, чтобы создать из длинных программированных нитей ДНК (7000 нуклеотидных пар) двумерные ДНК-структуры, автор предложил использовать вспомогательные короткие нити ДНК (200 нуклеотидных пар), которые были названы им скрепками («staples»). Для наглядной демонстрации метода автором были созданы структуры из ДНК в форме улыбающегося лица, карты Америки, снежинки, шестиугольника и др. (см. рис.). Исследователи под руководством Нэда Симэна получили не только двумерные и трехмерные структуры из молекул ДНК, но и «шагающего» наноробота: робот поочередно то присоединяет свои «ноги», состоящие из фрагментов ДНК, к базовой молекуле ДНК, то отсоединяет их от нее, продвигаясь таким образом вперед. Биомиметические нанотехнологии находятся сегодня в зачаточном состоянии. Многие открытия пока не могут быть воплощены в конкретные коммерческие продукты, но их развитие в будущем позволит существенно помочь при создании наноустройств (см. наноэлектромеханические системы). 

Исследователи из Массачусетского технологического института взяли молекулу ДНК  со случайной последовательностью  нуклеотидов, кодирующих различные белки, и включили ее в состав ДНК бактериофага в таком участке, что белки на ДНК-доноре синтезировались на поверхности вируса. Таким опытным путем можно создавать белки, которые будут соединяться с различными материалами, образуя новые структуры, рассказывается в русском переводе статьи Эрика Лернера. Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Так, американская компания Orbital Research, разработчик систем навигации, начала работу над интуитивной сенсорной системой, которая позволит избежать столкновений автомобилей на земле и самолетов в воздухе.  

Спроектировать  такую систему ученых натолкнуло поведение тараканов в тот  момент, когда их пытаются поймать. Нервная система тараканов постоянно контролирует все, даже самые мельчайшие изменения, происходящие рядом, и при возникновении опасности реагирует быстро, четко и, самое главное, правильно. Уже создана действующая модель радиоуправляемого авто с "тараканьими мозгами".  

Ученые  же из Австралийского национального  университета подробно изучили полет  стрекозы. Они пришли к выводам, что "несмотря на очень маленький  мозг, эти насекомые способны выполнять  быстрые и точные воздушные маневры, требующие устойчивости и умения избегать столкновения". Новые летательные аппараты, сконструированные по "образу и подобию" хотят использовать для исследования атмосфер планет солнечной системы.  

А вот  еще какие уникальные идеи "подбрасывает" природа. Как выяснилось, паутина  в пять раз прочнее стали и на 30% эластичнее нейлона. Из нового материала, "позаимствованного" у пауков, ученые предлагают делать ремни безопасности, невесомые провода, пуленепробиваемые ткани, медицинские нити, автомобильные шины и даже искусственные связки, ведь паутинный белок практически не отторгается организмом, так как имеет преимущественно белковую основу и обладает уникальными свойствами: она необычайно прочная, лёгкая, долго не разрушается под воздействием окружающей среды, почти не подвержена поражению микроорганизмами и грибками. Но так как добывать натуральную паутину в должном количестве достаточно проблематично, то генетики канадской биотехнологической компании Nexia имплантировали гены, ответственные за синтез паутины у пауков, нигерийским козам. И те стали давать молоко, содержащее такие же белки, что и паутина. Из молока извлекают сырье для получения нитей и ткут сверхпрочный шелк, сообщает в своей статье "Комсомольская правда".  

В свою очередь, ученые Лабораторий Белла, научно-исследовательского центра Lucent Technologies, обнаружили, что кристаллы кальцита, формирующие скелет морских звезд класса офиур (змеехвостки), обладают уникальными функциями: они не только служат офиурам панцирем, но еще и выполняют функции оптических рецепторов составного глаза. По словам ученых, изучение этого нового биоматериала может содействовать совершенствованию конструкции оптических элементов для телекоммуникационных сетей. "Перед нашими глазами - прекрасный пример того, чему мы можем научиться у природы, - сказал вице-президент Лабораторий Белла Федерико Капассо. - Эти маленькие кристаллы кальцита представляют собой практически идеальные микролинзы, значительно лучше тех, что мы можем производить на сегодняшний день".  

А вот  пример, который можно взять с  другого беспозвоночного. В одной из лабораторий Министерства энергетики США изучают смесь, которую вырабатывают двустворчатые моллюски, чтобы намертво прилипать к днищам судов. На основе исследований изготавливают новый клей, который поможет склеивать окисленные металлические пластины, из которых собираются важные компьютерные узлы, или, даже заменить хирургические швы на теле человека после операции. Однако для получения всего 1 грамма протеинового клея требуется 10 тысяч моллюсков. В связи с этим ученые рассматривают следующий шаг своих исследований - имплантацию нужного гена моллюска в какое-нибудь растение.  

В центре же нанотехнологий в Манчестере ученые работали над "задачей" поставленной примитивно организованной группой  ящериц (гекконами), которые могут  перемещаться практически по любой поверхности. Результаты исследований показали, что на лапках у геккона расположен ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Капиллярные силы помогают геккону ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса - по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 10-7 Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках геккона сила связи значительно увеличивается.  

Команда из Манчестера решила продолжить исследования, попробовав сконструировать такой  же массив нановолокон. Не исключено, что массовый выпуск "гекконовых лапок" возможен с помощью не столь дорогих технологий, как, например, электронно-лучевая литография. Если обратить свое внимание на других позвоночных - китов и дельфинов, то обнаружится, что они "упакованы" в ткань наподобие очень упругой резины, которая состоит из сложной сети волокон коллагена. Это открытие дает возможность начать производство ее синтетического аналога. Если одеть в этот чудо-материал морские суда и подводные лодки, то повысится их обтекаемость, уменьшится расход топлива, увеличится устойчивость.  

А вот  к олимпиаде-2004 специально был создан новый "акулий" костюм Fastskin FSII американской компании Speedo. Его поверхность выстлана сотнями мельчайших зубчиков. Эта "кожа" была подсмотрена у акулы и дополнительно просчитана на компьютере. Она снижает трение о воду, которое, по утверждению компании, достигает 29% от общего сопротивления, а не 8-10%, как считали ранее, сообщает Мембрана.ру. Как результат - сокращение на 4% общего сопротивления движению и соответствующий рост скорости передвижения в воде. Для профессионального спорта этот выигрыш может оказаться критичным. 

Не остались в стороне и военные. Так, профессор  Хоуи Чозет на деньги военных разрабатывает  колёсного робота с подобием хобота слона, военно-морские силы США финансируют создание роботов-лобстеров, а агентство передовых оборонных разработок оплачивает строительство механических насекомых.  

А вот  такие идеи преподносят растения. К примеру, производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

Еще об одном примере исследований в  области бионики можно прочитать  в новости "Секреты "брони" морского ушка" на "Компьюленте". 

По данным Вильгельма Бартлота из Боннского университета, который в течение десятков лет изучал "архитектуру" поверхностей тысяч растений выяснилось, что лепестки белого лотоса были усеяны крошечными остриями. На таких остриях трудно удержаться частичкам пыли и грязи, и их легко смывают капли дождя. Этот "лотосовый эффект" использовали изготовители краски в Германии, названной "Лотосан".  

Вообще, человек придумывает только то, что  уже есть в природе. И, тем не менее, по совершенству природу вряд ли когда-нибудь удастся обогнать. Например, если изделия, которые делает человек, рассчитаны в основном на прочность, которая весьма относительна, то для природы сочетание красоты и прочности, безусловно, естественно и органично. Деревья переносят те порывы ветра, которые валят столбы, установленные человеком. Кальмаров и осьминогов природа обеспечила "моторами", которые не ломаются, выдерживают высокое давление на больших глубинах, работают бесшумно и с высоким КПД. 

 Хотя, безусловно, перспективы интеллектуальных  систем завораживают. Идеальная  интеллектуальная система сможет  самостоятельно совершенствовать собственную конструкцию и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов. Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Благодаря современным техническим средствам и компьютерному моделированию человеку удаётся понемногу разобраться в том, как устроен окружающий мир, и скопировать из него некоторые детали для собственных нужд. Не следует, правда, забывать о том, что многое предложенное нам природой само по себе пока совершеннее и проще того, что планирует изготовить человек, поэтому исследователи изучают в первую очередь то, что предлагает нам природа. "Меня всегда восхищала способность природы создавать идеальные материалы, - говорит Джоанна Айзенберг, ученый Лабораторий Белла, возглавившая международную исследовательскую группу, в которую вошли специалисты по материаловедению, физике, химии и биологии. - Чем больше изучаешь биологические организмы, тем больше понимаешь, что у них можно еще много чему научиться". И с этим высказыванием невозможно не согласиться. 

У бионики  есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто. 

Возможно, развитие бионики уже в скором времени сделает многое непривычным  в мире техники. И самые неожиданные  сюрпризы ждут нас в разработке различных приборов обнаружения, методах добычи полезных ископаемых и производства веществ. А в технике - и этого ожидают - появятся такие системы управления, куда будут «встроены» новые биологические машины.