Достижения биомиметики в подражании законов природы
В природе все идеально рассчитано. Она разумна, рациональна и изобретательна, поэтому ученые и инженеры со всего мира пытаются скопировать ее принципы в лабораториях. Использование идей, заимствованных у живой природы, называется биомиметикой.
«Биомиметика представляет собой сознательное имитирование мудрых законов природы», – говорит Тим МакГи (Tim McGee), старший биолог Института биомиметики, некоммерческой организации, объединяющей ученых, инженеров и архитекторов, пытающихся создать экологически чистые технологии. «Мы пытаемся понять структуры и методы природы, как и почему они действуют».
МакГи отмечает тонкое различие между биомиметикой и биоинспирированным моделированием. По его словам, биомиметика обычно стремится к разумному использованию ресурсов, в то время, как для биоинспирированного моделирования это не столь важно.
Вот 10 примеров, ярко демонстрирующих достижения биомиметики по мнению МакГи.
2. Биомедицинские синтетические материалы, имитирующие свойства морского огурца
Вживление электродов в мозг может помочь в решении неврологических проблем, однако используемые при этом жесткие синтетические материалы уменьшают положительный эффект от лечения. В 2008 году ученые университета Кейс Вестерн Резерв попытались решить эту проблему, изучая оболочку морского огурца.
«Его губчатая оболочка меняется от мягкой структуры до жесткой», – говорит МакГи. Ученые под руководством профессора Кристофа Ведера (Christoph Weder) создали новый материал из тонких волокон целлюлозы в полимерной матрице. Результаты исследований были опубликованы в Science.
В зависимости от внешних условий волокна высвобождаются или связываются вместе. Это адаптирующийся медицинский материал: в отсутствие воды он жесткий, а при добавлении ее – размягчается. «Благодаря своей чувствительности к внешним условиям, такие материалы помогают дольше сохранить здоровье», – добавляет МакГи.
3. Упаковочные материалы, основанные на деятельности грибков
МакГи приводит в пример компанию Ecovative Design, находящуюся около города Троя, в штате Нью-Йорк. Компания использует плесневые грибки для создания прочного, но, в то же время, биоразлагаемого упаковочного материала.
С помощью грибов-гифомицетов сельскохозяйственные отходы перерабатыватся в хитин (жесткое волокнистое вещество, являющийся продуктом жизнедеятельности грибков). МакГи считает, что этот способ можно использовать для производства широкого ряда продуктов, начиная от мебели и системных блоков и заканчивая более сложными структурами.
«У меня даже есть резиновый утенок, которого сотрудники компании сделали именно таким способом просто для развлечения», – говорит он. «Это технологическая основа для создания нужных продуктов из отходов».
4. Устройства, созданные вирусами
Способность вирусов к самоорганизации натолкнула Анджелу Белчер (Angela Belcher) и ее коллег по Массачусетскому технологическому институту на мысль использовать генную инженерию, чтобы заставить вирусы формировать функционирующие устройства. В 2009 году в своей статье в Science команда ученых описала, как им удалось заставить безвредный вирус трансформироваться в батарейку.
«Что в этом классно, так это то, что все это создано в наномасштабе», – говорит МакГи. «Они вырастили транзисторы, батарейки. Это целая технология, притом абсолютно новая». МакГи также отмечает исследования, проведенные гарвардским ученым Джоанной Айзенберг (Joanna Aizenberg), которая выращивает и манипулирует наноструктурами.
5. Фильтры, имитирующие процессы разложения в лесу
Изучение процессов разложения на нижнем этаже лесов и на берегах рек вдохновило австралийскую компанию Biolytix на создание системы водоочистки, базирующейся на живых организмах, таких, как черви и жуки. Такая система, использующая живой «гумус», не требует применения химикатов и работает гораздо лучше, чем стандартный септик-тэнк.
«Их система обрабатывает отходы в 10 раз эффективнее, чем септик-тэнк», – говорит МакГи. Компания сильно пострадала от наводнений в Австралии и Новой Зеландии и была вынуждена заявить о банкротстве. «К несчастью, более умные и новационные системы и материалы не всегда преобладают на рынке», – добавляет МакГи.
6. Модульные устройства, имитирующие свойства человеческих клеток
Австрийский архитектор Томас Херциг (Thomas Herzig), впечатленный тем, как биологические клетки образуют ткань, создал из ПВХ модульные «клетки», из которых можно собрать разные виды конструкций, в том числе шалаши и тенты. Херциг назвал свое изобретение «пневмоклетками» и запатентовал его.
«Из них можно собрать все, что хотите», – говорит МакГи. «Эта технология является ярким примером кратковременной архитектуры, создающей быстростроящиеся приспосабливаемые конструкции с малыми энергетическими затратами». Надувные «пневмоклетки» обладают воздухонепроницаемостью, огнестойкостью, способны задерживать солнечную радиацию и сохранять свою форму. Благодаря конструкции мембраны, даже если одна из клеток будет повреждена, остальные сохранят форму образованной структуры.
7. Цемент на основе структуры коралловых рифов
Магниевые и кальциевые ультраструктуры кораллов вдохновили калифорнийскую компанию Calera Corporation на разработку процесса превращения углекислого газа из ископаемых растений и морской воды в «экологичный цемент». Эта технология блокирует молекулы углекислого газа вместо того, чтобы увеличивать его количество, как это происходит при производстве обычного портландцемента.
«При производстве одной тонны нового вида цемента происходит связывание одной тонны углекислого газа», – говорит МакГи. «Вообще-то, производство цемента – одно из вреднейших производств по количеству выделяемого в атмосферу углекислого газа, но эта технология изменит правила игры», – добавляет он.
8. Синтетические материалы, имитирующие деятельность деревьев
Так же, как и деревья, массачусетская компания Novomer, выпускающая экологичные синтетические материалы, использует углекислый газ в качестве ресурса. Углекислый газ, полученный при производстве спирта и нефтехимических материалов, с помощью каталитической реакции, разработанной в Корнелльском университете, используется для производства полимеров.
«Для нас огромные выбросы углекислого газа – это большая проблема, а для растений это – большое благо», – говорит МакГи. «Вместо того, чтобы разыскивать нефть или выращивать биомассу для угля, необходимого для производства синтетиков, лучше использовать тот самый углекислый газ, который мы причисляем к вредным отходам».
9. Хватающие поверхности, имитирующие действия венериной мухоловки
Ученый из Амхерстского университета в штате Массачусетс, Альфред Кросби (Alfred Crosby), решил поближе взглянуть на то, как действует венерина мухоловка, что помогло ему разработать новый вид полимерной поверхности. Растение имеет крошечные волоски, при прикосновении к которым приводятся в действие листья, которые захлопываются и захватывают добычу.
В статье, опубликованной в 2007 году в Advanced Materials, Кросби описал, как ему с коллегами удалось сымитировать эту способность растения и создать полимер, покрытый крошечными линзами, которые могут становиться то выпуклыми, то вогнутыми, придавая материалу способность перестраиваться.
«Я очень впечатлен работой Ала Кросби, так как она объединяет вместе нанотехнологии и микротехнологии», – говорит МакГи. «Ал и его команда черпают вдохновение в природе, изучают происходящие в ней процессы, а затем пытаются понять, как можно сымитировать их, используя наши технологии».
10. Клейкие вещества, имитирующие способность мидий
Даже водонепроницаемые перевязочные материалы, в конце концов, изнашиваются. Профессор органической химии Калифорнийского университета Герберт Уэйт (Herbert Waite) придумал, как заставить бинты лучше прилегать к влажным поверхностям. Он исследовал то, как морские организмы, например, мидии, держатся на месте.
Мидии высовывают пучок плотных нитей, так называемых биссус, которые способны приклеиться к восковым, стеклянным, костяным и металлическим поверхностям. Изучая биссус, Уэйт пытался создать белковые волокна, которые бы повторяли эту способность мидий.
«Герб открыл новое поле для исследований и обнаружил творческий подход к изучению окружающего мира», – говорит МакГи. «Его работа вдохновила других ученых на их исследования – например, на разработку PureBond, безопасного древесного продукта, не содержащего формальдегид».
11. Антибактериальные поверхности, имитирующие способность акульей кожи
Акулы, по сравнению с другими морскими обитателями, двигаются более медленно, но при этом не носят на себе бактерий. Используя исследования Флоридского университета, компания Sharklet Technologies разработала уникальную пленку, ограничивающую рост микроорганизмов.
«Все дело в форме ее кожи. По-научному говоря, эта форма, ее структура, зависит от того, как соединены мельчайшие чешуйки кожи», – заявил генеральный директор компании Джо Баган (Joe Bagan) в интервью Discovery News в 2008 году. «Этой особенностью не обладает больше никто из животных, и, мы уверены, что сможем использовать эту разработку для поддержания чистоты».
Пленка Sharklet имеет толщину всего в 3 микрона, но Баган считает ее «Эверестом» для бактерии.
«Самое интересное, что акулы избавляются от бактерий только с помощью текстуры своей кожи, не используя химические вещества», – говорит МакГи. «Такой метод избавления от бактерий, не уничтожающий их, был бы очень полезен в больницах, так как при этом маловероятно, что бактерии приобретут резистентность».
