Эта умная Природа

Великий Леонардо наблюдал за полетом птиц, и сегодня у нас есть крылья. Карл Линей изучал биоритмы растений и создал самые красивые часы в мире. Исследования анатома Хермана фон Мейера позволили воздвигнуть символ современного Парижа — Эйфелеву башню.

Инженер Жорж де Мистраль, устав освобождать свою одежду от колючек репейника, изучил их и запатентовал новый вид материала, получивший простое название — «липучка». Технологии и материалы XXI века «пропитаны» подсмотренным у Природы. Так что же получается, Природа знает лучше?

Современная наука бионика (или биомиметика, что означает «подражание живому») родилась в 60-е годы XX века. Это наука, которая заимствует у Природы ценные идеи и использует их в конструкциях, технологиях, материалах. Перешагнув в новое тысячелетие, ученые продолжают всматриваться в Природу.

Учась у Природы, мы достигли выдающихся результатов, и нам есть чем похвастаться. Но в этом стремлении делать всё лучше и лучше и иметь всё больше и больше мы забыли о некоторых законах, которые Природа соблюдает, а мы — нет.

В то время, когда Эйфель создавал свою башню, появился труд немецкого философа Эрнста Каппы «Принципы философии техники», в основе которой лежит идея «органопроекции». Каппа предполагал, что человек во всех своих технических конструкциях воспроизводит собственный организм.

Идея «органопроекции» Каппы спровоцировала бурную дискуссию среди ученых-естественников и философов и приобрела как сторонников, так и противников.

Чем является техника для человека?

По представлению Каппы, она продолжает наше тело, и все технические устройства должны быть уподоблены естественно выросшим человеческим органам. Но каждый из органов имеет свою функцию, которая связана с работой организма в целом, поэтому разумно изучать не отдельные механизмы, а весь организм, причем в развитии.

Современный специалист в области биомимикрии Джанин Бенюс на одной из своих лекций напомнила слушателям, что мы живем в гениальной Вселенной, и чтобы это подтвердить, предложила организовать весну. Да-да, весну, которую мы каждый год ждем с таким нетерпением.

Весну, в которой все тщательно распланировано по времени, в которой жизнь выстроена строго по приоритетам: что, зачем и когда. Конечно, это была шутка, которая помогла Джанин напомнить, что, если мы и не можем, то природа делает это, причем в совершенстве и уже миллиарды лет.

Вселенная — это совокупность всего, что есть в Природе, включая и самого человека. Понятие «Вселенная» («Универсум») означает «направленное к единой цели». Поэтому все приспособления, которые мы у Природы подсматриваем, подчинены этому единому движению вселенского организма.

Вот только вопрос: движению куда?

Можно ли найти на него ответ, углубляясь в конкретные механизмы? Да, мы становимся осведомленными, становимся специалистами, но в очень узкой области, и это удаляет нас от смысла, который кроется за механизмами.

У нас воспитывается такой взгляд на Природу, который несколько отстранен от самой Природы. Как это ни печально, но, наращивая мощную научную и технологическую базу, мы наращиваем и экологические проблемы.

Синтезировав 350 видов пластмассы, мы накопили горы и острова пластикового мусора, в то время как Природа пользуется только пятью видами и не создает отходов. Сегодня мы говорим о CO2-проблеме как об антропогенной катастрофе, вызванной накоплением в атмосфере этого газа.

Рост CO2 может привезти к увеличению температуры планеты на несколько градусов уже в ближайшие десятилетия и разрушению биосферы. Природа не создает проблемы, производя СО2. Кораллы и моллюски, у которых есть панцири, используют СО2 как строительный материал.

Мы, дойдя до наноразмеров, создаем наноматериалы с заданными свойствами, не задумываясь о том, насколько безопасными они могут быть для всего остального. Как работает клетка? Если определяется какая-то «вредная» для нее частица, то тут же синтезируется белок, который ее связывает (нейтрализует).

Недавние наблюдения за полетом стаи ибисов удивили ученых не тем, как устроен клин с точки зрения аэродинамики. Мы уже знали, что птичий клин разумно организован: птица, летящая первой, испытывает самое большое давление воздушных потоков, и поэтому птицы периодически сменяют друг друга.

Ученых удивила точность, с которой птицы соблюдали время «пересменки». Никто из ибисов не отлынивал от трудной работы. Природа — это кооперация. Это работа команды для достижения общей цели.

Сегодня, чтобы максимально снизить потребление электроэнергии в часы пик, мы разрабатываем проекты «умных домов», в которых бытовые приборы поддерживают связь между собой, как в большом организме. И делаем это, используя «технологию роя» у пчел, которые все время «на связи» друг с другом, когда ищут пищу. Природа — это жизнь во взаимосвязи.

Если мы соберем воедино все наши знания о Природе, то будем вынуждены признать, что в ней все вещи — от наноразмеров до размеров галактик — рассчитаны со сверхчеловеческой точностью.

Что она существует благодаря функциональной экологии, основанной на мудрых законах, и что в человеке заложена возможность и потребность познавать ее, а следовательно, и самого себя как часть Природы.

Какие же вопросы задавать Природе, чтобы открывались не только ее механизмы, а сама жизнь? Чтобы нам самим жить, как живет все живое: разумно, грациозно и долго? Один из ответов подсказал римский император Марк Аврелий: «Что улью не полезно, то пчеле не на пользу».

Великий изобретатель Никола Тесла, глубоко убежденный в том, что действие даже самого крохотного существа приводит к изменениям во всей вселенной, уничтожил свою уникальную лабораторию, когда понял, что открытые им эффекты могут принести вред человечеству.

Далай-лама XIV говорит о Природе с глубоким уважением: «Если наша планета для нас дом, то мы должны позаботиться о нем и в стремлении к собственному счастью помнить, что мы не просто связаны с Природой, а взаимозависимы. И мы сможем достичь счастья только тогда, когда не будет страдать ни одно живое существо».

Паутина и кевлар

Еще за 400 лет до нашей эры Демокрит говорил о том, что надо учиться у Природы, еще три тысячи лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. В XX веке удалось изготовить пряжу из полимерного волокна по тому же принципу, по которому паук плетет свою паутину, — выдавливая тонкие нити из раствора полимера.

В результате был «сплетен» материал кевлар, который, к тому же, оказался прочнее стали. Сейчас он применяется практически везде: из него делают тросы, кузова автомобилей и катеров, паруса, фюзеляжи самолетов и детали космических кораблей, пуленепробиваемые жилеты для полиции и костюмы пожарных.

Морская губка и телекоммуникации

Недавно разработчики Bell Labs, крупного исследовательского центра в телекоммуникациях, активно изучали глубоководных морских губок (Euplectellas). Ученые обнаружили, что в телах губок присутствует высококачественное оптоволокно, которое по свойствам очень близко к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях.

По некоторым параметрам природное оптоволокно оказалось лучше искусственного: оно более устойчиво к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе, и может завязываться в узел, не теряя своих оптических свойств, чего не умеет оптоволокно, созданное человеком.

Тело человека — эталон для инженеров

То, что человеческая кость в конце XIX века вдохновила Гюстава Эйфеля и его коллег на создание знаменитой парижской башни, является фактом неоспоримым. За несколько десятков лет до этого швейцарский профессор Герман фон Майер изучал структуру головки бедренной кости, которая изгибается и входит в сустав.

Как же она не ломается под тяжестью тела?

Он обратил внимание, что кость покрыта сетью миниатюрных косточек со строгой геометрической структурой, которая и перераспределяет нагрузку. Чуть позже швейцарский инженер Карл Кульман объяснил строение бедренной кости с точки зрения механики, и уже всем этим воспользовался Густав Эйфель.

В России Эйфелева башня имела своих «сестер» — многочисленные арочные конструкции инженера Владимира Шухова, который начинал свое обучение как медик и был хорошо знаком с устройством человеческого тела.

Репейник и липучка

Швейцарский инженер Жорж де Мистраль привык после прогулки с собакой выбирать из ее шерсти головки репейника. Однажды он рассмотрел их под микроскопом и увидел крохотные крючки, с помощью которых головки и цеплялись за шерсть. Так у де Мистраля появилась идея застежки — мы ее сегодня называем «липучка».

На реализацию этой идеи у инженера ушли годы проб и ошибок, но в результате изобретатель понял, что липучки лучше всего делать из нейлона. В 1955 году де Мистраль смог наконец запатентовать свое изобретение. Первыми текстильные застежки начали использовать космонавты, аквалангисты и горнолыжники.

Со временем липучки получили широкое распространение, став обычной деталью повседневной одежды и обуви.

Перо и молния

Каждый из нас наверняка носит какие-то вещи, в которых есть застежка-молния. Соединять две стороны ленты именно таким образом тоже подсказала Природа. В детстве все любят рассматривать перья птиц.

Они красивы, но они еще и устроены особым образом: перо можно не только разделить на тонкие части, но и легко восстановить из этих частей, если прижать их друг к ругу. Получается, что перо можно «расстегивать» и «застегивать».

Сова летает тихо

Сегодня мы знаем о беззвучном полете сов очень много. Ученые обнаружили три разновидности перьевого покрова крыла совы.

У каждого из них своя задача в уменьшении шума при полете.
Мы пристально изучили их крылья и пытаемся использовать «технологию тихого полета» для уменьшения шума двигателей самолетов, ветряных турбин и подводных лодок.

Крылья стрекозы

В свое время авиация столкнулась с таким явлением, как флаттер, — дрожанием крыла самолета, когда он достигает некоторой критической скорости. Флаттер на практике приводил к разрушению самолета прямо в воздухе.

Напряженные поиски привели ученых и конструкторов к решению утяжелить концы крыльев, что означало корректировку центра тяжести самолета, и флаттер был побежден. И только потом было обнаружено, что легкие крылья стрекозы также утяжелены на краях.

Непромокаемый лотос

Изучая листья лотоса, настурции и крылья бабочек, мы поняли, какими должны быть материалы, чтобы отталкивать воду. Оказывается, что они не намокают, потому что их поверхности подобны зубцам расчески.

На них капли воды буквально разбиваются и отскакивают, проводя большую часть времени в воздухе. С каждым новым падением капли становятся все меньше и меньше и легко испаряются, оставляя листья и крылья сухими.

При этом все эти природные поверхности самоочищаются, так как капли воды уносят с собой и мельчайшие частички пыли.

Этот механизм «дробления» капелек воды используется при создании материалов, которыми покрывают двигатели самолетов, чтобы избежать его обледенения во время полета: нет воды — при понижении температуры не будет льда.

Гекконов клей

Маленький геккон может бегать по вертикальным поверхностям и даже по потолку благодаря молекулярному взаимодействию между волосками на конце своих лапок и поверхностями. Это помогло ученым создать «гекконов» клей — многоразовую липкую ленту, которая при движении в одном направлении прилипает, а в другом — отклеивается.

Лапки геккона содержат сотни клапанообразных ребер, на которых находятся миллионы щетинок в 10 раз тоньше человеческого волоса. Эти нити настолько крошечные (несколько сотен нанометров), что взаимодействуют с молекулами поверхности.

В результате геккон может висеть на одной лапке, прижав ее, например, к стеклу, а затем легко ее отсоединить. Причем лапки держат, только если их тянуть в одну сторону, если же в другую — геконны легко освобождаются от стекла. «Такой вот односторонний клей», — шутят ученые.

Экостиль — умный стиль

Популярный сегодня экостиль — любимое дитя дизайнеров и архитекторов. Для создания в домах естественной вентиляции изучаются муравейники, где вентиляция работает по законам газовой динамики.

С подветренной стороны муравейника создается разрежение, которое отсасывает отработанный воздух из внутренних помещений. А воздухозаборные отверстия у основания муравейника втягивают свежий воздух. Недавно в Берлине был построен многоэтажный дом с «муравейниковой» вентиляцией.

Сам автор проекта Дитер Зеегерс признается, что для своего экопроекта, в котором учитывались естественные потоки внешнего воздуха, он использовал сложную систему вентиляционных заслонок, управляемых компьютером.

Польза длинных носов

Один инженер, будучи большим любителем птиц, заметил, что они, ныряя за рыбой, не производят брызг и беззвучно проходят через границу двух сред (воздуха и воды). И предложил удлинить «носы» нашим поездам. В результате возросла скорость, уменьшились затраты на электричество и поезда стали двигаться тише.