Природная инженерия
Текст: Екатерина Хворова | 2017-10-23 | 144
В 1941 году швейцарский инженер Жорж де Местраль решил рассмотреть под микроскопом головку репейника, снятую им с шерсти его любимой собаки. Увиденные им маленькие крючочки, с помощью которых головка и прицепилась к шерсти, натолкнули де Местраля на интересную идею. На её воплощение были потрачены годы проб и ошибок, но то, что получилось в итоге, сегодня известно каждому. Речь идёт о застёжке-липучке. И это далеко не единственное техническое решение, скопированное человеком у природы. Существует даже целая наука – бионика, занимающаяся изучением процессов, протекающих в биологических системах, и их применением для решения конкретных инженерных задач. Сегодня мы отправимся в небольшое путешествие, где познакомимся с ещё несколькими разработками, позаимствованными у природы.

И первым делом мы отправляемся в конец 20 века, в лабораторию австралийской компании Speedo. Здесь работают над созданием ткани, имитирующей кожу акулы. Хотя акулья кожа, на первый взгляд, и выглядит гладкой, как один полноценный материал, на деле она покрыта огромным количеством мельчайших чешуек (кожных зубчиков), которые снижают трение о воду, предотвращая появление вокруг неё турбулентных вихревых потоков. Благодаря этому рыба массой более тонны свободно «скользит» в воде, практически не встречая сопротивления среды.

На основании своих исследований в 2000 году Speedo начинает выпуск новых плавательных костюмов Fastskin. Их поверхность оснащена тысячами искусственных чешуек, что даёт спортсменам существенные преимущества – общее сопротивление движению сокращается на 7,5% (по сравнению с лучшими на тот момент образцами), благодаря чему пропорционально возрастает скорость движения, а время, необходимое для преодоления стометровки, сокращается в среднем на 1,5 секунды (гигантские, по спортивным меркам, цифры).

skeeze / pixabay

Кожа акулы покрыта так называемой плакоидной чешуёй (от греческих слов «плакос» – пластинка, плоскость и «эйдос» – форма, вид). Каждая такая чешуйка представляет собой подкожную пластинку, зубцом выходящую через кожу наружу. Акулья чешуя является чрезвычайно прочной, поэтому в давние времена она использовалась для шлифовки металлов, камней, дерева и мрамора. Из неё же изготавливались и первые напильники. В наше же время благодаря своим свойствам акулья кожа послужила основой для создания сверхтехнологичных плавательных костюмов.

Но ещё более красноречивыми становятся результаты Сиднейской олимпиады 2000 года. Спортсмены, отдавшие предпочтение революционным костюмам, завоевали в общей сложности 83% от всех разыгранных в плавании медалей и установили 12 мировых и 22 олимпийских рекорда!

Достижения Speedo, конечно, не остались незамеченными, и к изучению свойств акульей кожи подключились другие компании, причём далеко не только спортивные. Она стала основой для разработки энергосберегающего покрытия для авиалайнеров, теплоходов и лопастей ветряных электростанций. Немецкие учёные подсчитали, что если покрыть самолёты и морские суда краской с аналогичным свойством, снижающей сопротивление потоку, то человечество сможет экономить до 4,5 млн тонн топлива на полётах и около 2 тысяч тонн топлива в год на морских рейсах.

Но и это ещё не всё. Работая над повышением эффективности краски для кораблей ВМФ, которая бы предотвращала обрастание корпусов ракушками, инженер Тони Бреннан в 2003 году обнаружил ещё одну особенность акульей кожи. Выяснилось, что уже упомянутые чешуйки благодаря своей форме не только снижают сопротивление окружающей среды, но и предотвращают прилипание слизи, водорослей и моллюсков, являясь одним из самых чистых в природе материалов. На коже акулы даже не размножаются бактерии, хотя она не покрыта никакой бактерицидной смазкой. Кожа не убивает бактерии – их просто на ней нет. Исследования Бреннана привели компанию Sharklet к коммерческому использованию антибактериальных свойств акульей кожи. Фирма воспроизвела такой же узор на защитной антибактериальной плёнке. В итоге технология Sharklet стала первой, которая подавляет рост бактерий без использования токсичных веществ. Сейчас эту технологию используют для изготовления пластикового обёрточного материала для медицинских катетеров.

Следующая точка нашего путешествия – это Япония, куда мы отправляемся, чтобы понаблюдать за работой инженера, а по совместительству и орнитолога-любителя Эйдзи Накацу. Задача, над которой он работает – форма носа сверхскоростного пассажирского поезда. В 1964 году при создании первых японских сверхскоростных поездов, развивающих скорость в 190 километров в час, для головы поезда анализировались различные обтекаемые формы. И здесь обнаружилась серьёзная проблема: при выезде из тоннеля возникал неприятный акустический эффект в виде громкого как взрыв хлопка. Это было связано с тем, что на высокой скорости в ограниченном пространстве тоннеля поезд создавал перед собой стену из сжатого воздуха, которая замедляла поезд и увеличивала расход топлива. Когда эта стена «ударялась» о воздух за пределами тоннеля, возникал громкий звук, а поезд испытывал колоссальное давление. Пассажиры жаловались на неуловимое ощущение того, что поезд сплющивается. Будучи орнитологом, Накацу обратил внимание на строение клюва зимородка. Эта птица имеет достаточно длинный и широкий как нож клюв, который при ловле рыбы позволяет погружаться в воду без всплесков и волн. Накацу поэкспериментировал с различными конфигурациями лобовой части поезда и пришёл к выводу, что именно форма клюва зимородка является наиболее подходящей, практически идеальной. Так что сегодня японские высокоскоростные поезда имеют длинную, похожую на птичий клюв лобовую часть, которая помогает им тихо и спокойно выезжать из тоннелей. К тому же реконструированные таким образом поезда стали ездить на 10% быстрее, а расход топлива у них снизился на 15% по сравнению с предшественниками.

Sukhoi37 /commons.wikimedia

Sanjeev Jassal / commons.wikimedia

Ну а теперь наш путь лежит в гости к морскому биологу, специалисту по гидродинамике Фрэнку Фишу, наблюдающему за тем, с какой невероятной лёгкостью 40-тонный горбатый кит перемещается в воде. Фиш обращает внимание на особую форму грудных плавников кита, передний край которых имеет на своей поверхности бугорки размером с небольшой мяч. Исследования, проведённые Фишем, показывают что бугры не только не создают гидродинамического сопротивления, но и наоборот – помогают киту разрезать воду и с лёгкостью передвигаться в океане. Испытания четырёхметрового макета плавника в аэродинамической трубе показали, что бугорки расположены не хаотично, а в порядке, позволяющем при движении разделять воду на несколько потоков, подобно движению расчёски по волосам. Причём такой эффект, как выяснилось, наблюдается не только в воде, но и в воздухе. Добавив несколько рядов подобных бугорков на лопасти турбин вертолётов и ветряных мельниц, инженеры смогли увеличить их мощность, при этом уменьшив сопротивление и уровень шума. Сам же Фиш сконструировал лопасти с бугорками для вентиляторов, которые разрезают воздух на 20% эффективнее обычных, и создал компанию Whalepower, занимающуюся разработкой и производством ветрогенераторов.

Whit Welles / commons.wikimedia

WhalePower Corporation

Разгадать секрет нашего следующего героя – геккона – люди безуспешно пытались на протяжении нескольких тысячелетий. Эти небольшие ящерицы способны удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа, при этом поверхность может быть очень гладкой. Понять принцип закрепления лапы ящерицы хотел ещё Аристотель, интересовались этим и средневековые учёные.

За прошедшее время выдвигалось три более-менее логичных версии «сверхчеловеческих» возможностей ящерицы. Наиболее естественным объяснением учёным казалось наличие на пальцах геккона многочисленных мелких присосок. Правда, после изучения лапы под микроскопом выяснилось, что никаких присосок на пальцах нет (кстати, миф об их наличии живёт по сей день). Кроме того, во время экспериментов геккон без труда «приставал» к поверхности даже в условиях вакуума, а в вакууме, как известно, присоски не работают. Вторым правдоподобным объяснением казалась электростатика. Однако, создав условия, при которых заряда на лапах не могло быть в принципе, отказались и от этой теории, ведь геккон продолжал уверенно держаться на поверхности. Третья версия предполагала сцепление лап геккона с шероховатостями и неровностями поверхности. Однако, как выяснилось, геккон способен двигаться даже по потолку из полированного стекла, после чего исследователи отказались и от этого объяснения.

Разгадать секрет геккона удалось лишь после создания современного электронного микроскопа, с помощью которого лапу ящерицы изучили во всех деталях. Как оказалось, его пальцы покрыты чрезвычайно тонкими волосками, длина которых составляет около сотни микрометров (две толщины человеческого волоса). Концентрация щетинок на единицу площади поверхности лапы невероятно высока – до 14 000 волосков на 1 мм2 или около 1,5 миллионов на 1 см2. Каждая щетинка, в свою очередь, делится на конце на 400-1000 ещё более мелких волокон. Каждое ответвление заканчивается на конце треугольной лопаточкой – невероятно крохотной, шириной всего 0,2 микрометра (то есть две десятитысячных миллиметра). Другими словами, каждая лапка геккона площадью контакта чуть больше 1 см2 может соприкасаться с поверхностью двумя миллиардами окончаний!

Skitterphoto / pixabay

Концентрация щетинок на единицу площади поверхности лапы геккона невероятно высока – до 14 000 волосков на 1 мм2 или около 1,5 миллионов на 1 см2.

При таких микроскопических размерах в действие вступали уже силы межмолекулярного взаимодействия. Это так называемые силы Ван-дер-Ваальса, названные так в честь открывшего их в 1869 году нидерландского физика, лауреата Нобелевской премии. На определённом расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Именно такую систему и составляет лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасается.

Учёные выяснили, что сила сцепления лапы геккона составляет 10 ньютонов на 1 см2, что соответствует 1 кг веса. Такое сцепление возможно лишь для гладких поверхностей, где задействованы практически все волокна на лапах животного. Если речь идёт о поверхностях, часто встречающихся в местах обитания гекконов – скалы, деревья и т.п., то здесь задействована лишь часть волокон (в силу большого числа неровностей на этих поверхностях), но и этого вполне достаточно для удержания животного на месте.

Прикрепившаяся к какому-либо материалу щетинка может без труда открепиться, если угол между волокном и поверхностью составит более 30°. Поэтому при движении, изменяя угол соприкосновения лапы и поверхности, геккон без труда закрепляет и открепляет свои лапы. Затраты энергии на этот процесс минимальны.

С тех пор, как механизм работы лапок геккона стал понятен, учёные и инженеры приступили к реализации своих многочисленных идей на эту тему. Так, агентство DARPA создало альпинистское оборудование, позволяющее человеку с массой 122 кг (масса тела + полезная нагрузка) взбираться на стеклянную отвесную стену. В NASA разработали специальное крепление, которое позволяет крепить грузы к поверхностям при помощи специальной «липучки». Специалисты из Пенсильванского университета разработали новый тип высокоточного захвата, который можно использовать на производстве для работы с мелкими деталями. Но большинство исследователей занялось созданием наиболее очевидной вещи – суперклея. Самыми успешными здесь пока оказались работы исследователей из Массачусетского университета, которые создали сверхлипкую ткань под названием Geckskin. Образец этого материала размером 10х10 см выдержал усилие в 3000 Н, а это эквивалентно 300 килограммам. Эта ткань надёжно прикрепляется даже к гладкому стеклу, при этом её можно снять без больших усилий и спокойно использовать много раз.

Les Chatfield / flickr

Joshlaymon / commons.wikimedia

Голова дятла отлично поглощает удары. По данным исследования, проведённого китайскими учёными, 99,7% всей энергии от ударных нагрузок равномерно распределяется по телу, и лишь 0,3% этой энергии приходится на мозг. Происходит это благодаря сразу нескольким особенностям строения тела дятла. Скопировав их, инженеры создали аппарат, способный надёжно защитить чёрный ящик в самолёте от разрушения в случае аварии.

Ну а мы, между тем, перемещаемся в Германию, чтобы вместе с инженерами компании Festo восхититься ещё одним чудом природной инженерии – хоботом слона. Удивительно, но он состоит из более чем 40 000 мышц, что позволяет ему двигаться в любом направлении и хватать даже мельчайшие предметы, вплоть до тоненькой шпильки или орешка. Кстати: во всём человеческом теле содержится только 640 мышц. Компания Festo разрабатывает современную сверхманёвренную роботизированную руку Bionic Handling Assistant, взяв хобот слона в качестве её прообраза. Роль позвоночника исполнили пластиковые трубки, способные менять размер при помощи давления сжатого воздуха. Кроме того, для лучшего хвата предмета роботу добавили четыре «пальца» и стали обучать его управлять мышцами «хобота» из полиамида. Структура этого материала достаточно прочна, чтобы поднимать тяжести, и при этом достаточно гибкая, чтобы выполнять такие тонкие процедуры, как сбор яиц. Пытаясь достать и захватить объекты, робот обучается, постепенно начиная «понимать», какие мышцы ему нужно задействовать. Впоследствии он способен воспроизводить движение, которое запомнил, корректируя давление в трубках, вмонтированных в его искусственные мышцы. Такой робот может быть использован на производствах, в лабораториях и больницах, где он способен выполнять работу, предназначенную для человеческих рук.

commons.wikimedia

Одной из областей, которая заимствует природные находки наиболее часто, считается архитектура. Одним из символов архитектурной бионики является так называемый «Лондонский огурец» – 40-этажный небоскрёб, созданный по проекту знаменитого архитектора Нормана Фостера.

В конце нашего путешествия мы заглянем в мастерские компании Mercedes-Benz, где специально для симпозиума инноваций DaimlerChrysler в Вашингтоне инженеры разрабатывают экспериментальный автомобиль с крайне низким коэффициентом аэродинамического сопротивления. В поисках подходящих идей они целенаправленно обращаются к природе с целью найти в ней подходящего кандидата, который бы натолкнул их на способы повышения аэродинамической эффективности. Поиски приводят инженеров к жёлтому пятнистому кузовку – рыбке, проживающей в тропических водах и имеющей, несмотря на угловатость собственного тела, отличные гидродинамические свойства. Согласно расчётам инженеров Mercedes-Benz, коэффициент аэродинамического сопротивления этой рыбы составляет 0.06. Для сравнения – аналогичный показатель у Mercedes-Benz CLA – одного из наиболее технически совершенных автомобилей современности – почти в четыре раза выше – 0,22.

NatiSythen / commons.wikimedia

Norbert Potensky / commons.wikimedia

Автомобиль Mercedes-Benz Bionic, имеющий крайне низкий коэффициент аэродинамического сопротивления, и его природный прообраз – маленькая тропическая рыбка.

Опираясь на полученные экспериментальным путём данные, инженеры разработали полноразмерный бионический автомобиль Mercedes-Benz Bionic длиной в 4,24 метра, кузов которого почти полностью копирует форму тела рыбки. И хотя коэффициент аэродинамического сопротивления заметно возрос по сравнению с природным прототипом, всё равно он остался очень впечатляющим – 0,19. При этом автомобиль вмещает четырёх человек и их багаж, а с точки зрения безопасности, комфорта и повседневной практичности соответствует качеству, характерному остальным автомобилям Mercedes-Benz.

Будучи чисто экспериментальным автомобилем, Bionic никогда не был запущен в серийное производство. Поэтому в настоящее время этот концепт-кар можно найти только в музее Mercedes-Benz.

Фото на обложке статьи: Lubos Chlubny / 123rf.com