Что такое биомиметика
Биомиметика: что общего у бабочек и солнечных батарей
Федор Сенатов, ПостНаука
Материаловед Федор Сенатов — о том, как делают костные импланты, чем небоскреб похож на термитник и зачем Леонардо да Винчи занимался бионикой
Бионика
Это область науки, связанная с повторением природных особенностей в технологических конструкциях. Например, при создании самолета можно изучить крыло птицы и повторить его геометрию и структуру, чтобы соблюсти нужную аэродинамику.
Первым человеком, который занимался бионикой документированно, был Леонардо да Винчи. В его дневниках можно видеть, как он рисовал разные инженерные устройства, вдохновляясь полетом птицы и другими природными объектами.
При конструировании поездов обязательно нужно учитывать аэродинамику. Поэтому у них вытянутая форма, напоминающая птичий клюв. Сама природа уготовила птицам хорошую аэродинамику, чтобы они могли рассекать воздух или нырять за рыбой в толщу воды с наименьшими потерями в скорости. Так и поезда могут двигаться с минимальным шумом и минимальным трением о воздух.
Другой пример — в термитнике множество различных ходов, которые на первый взгляд кажутся хаотичными. Но на самом деле они проложены таким образом, что внутри термитника соблюдалась оптимальная температура воздуха даже на жаре. Конструируя большие здания, важно не только закупаться кондиционерами, но и строить так, чтобы был естественный приток воздуха и его циркуляция. Высокие здания как раз конструируются с учетом естественных воздуховодов, как ходы у термитов.
Биомиметика
Биомиметика исследует нюансы структуры и свойств природных материалов, чтобы их воспроизвести. У природных объектов есть три важных свойства: анизотропия, иерархичность и динамичность.
Анизотропия означает, что у объекта вдоль одного направления и вдоль другого разные свойства. Представим себе кость. В ней есть вытянутые поры — трабекулы. Прочность костей вдоль трабекул выше, чем поперек. Поэтому поперек кость гораздо легче сломать.
Второе свойство — иерархичность. Рассмотрим на примере той же кости: в ней есть маленькие поры, которые переходят в сеть больших. Это и есть иерархия. То же может касаться и любых других природных объектов.
Третья характеристика природных объектов — динамичность. Кость может восстанавливаться и изменяться с возрастом. Это характеризует кость человека с точки зрения ее адаптации к нагрузкам, потому что в зависимости от того, есть нагрузки или нет, кость по-разному к ним привыкает.
Если мы можем воспроизвести все три эти характеристики — динамичность, анизотропия и иерархичность, — тогда можно сказать, что мы используем подходы биомиметики.
Как повторить природные структуры
Первый метод — прямое повторение. Можно взять 3D-сканер, сделать компьютерную томограмму или МРТ той же кости и распечатать ее на 3D-принтере. Это технологический подход, который имеет в себе минимум науки и потенциал которого расширяется благодаря развитию методов 3D-печати и высокоточного исследования структур с помощью разных микроскопов.
Второй — метод обратного инжиниринга: делается микроскопия кости, изучается химический состав и механические характеристики, а потом эти свойства воспроизводятся на искусственном объекте с какими-то улучшениями. Так разрабатываются импланты.
Третий — биоинспирирование: анализируется геометрия природного объекта, а потом инженеры пытаются построить этот объект заново. При этом глубинная структура и другие характеристики не учитываются. Этот подход чаще используется в дизайне и архитектуре.
Крылья бабочки и лапки геккона
Аналог крыла бабочки — один из первых подходов создания биомиметических материалов. Разнообразие цветов на крыле бабочки обусловлено не особыми пигментами, а микро- и наноструктурами крыла, которые состоят из иерархии пор, отверстий и волокон. Если воспроизвести структуру крыла бабочки на синтетическом материале, то можно достигнуть таких же оптических характеристик.
Это важно для солнечных панелей. Перовскиты — материалы для создания солнечных элементов. Если повторить в них структуру крыла бабочки, то можно достигнуть оптимальных характеристик по светопоглощению, то есть батареи будут давать больше энергии.
Второй пример — сухие адгезивы, которые нужны для роботостроения. Если посмотреть на лапку геккона, можно увидеть, что она состоит из иерархии волокон. Из-за того, что есть маленькие ворсинки, состоящие из других ворсинок, гекконы могут лазить даже по отвесным стенам. Внутри лапок геккона нет клея, это сухой адгезив. Сцепление — за счет физического взаимодействия. Можно воспроизвести такие же ворсинки с помощью силикона или полиуретана, создавая иерархию ворсинок и их анизотропию. Если такой материал прицепить на робота, он сможет лазить по отвесным стенам. Один из первых известных роботов — Gekko, созданный при участии MIT. Эти роботы могут быть задействованы в спасательных работах — или просто мыть стекла небоскребов.
Сегментирование
У рыб есть чешуя, кожа крокодила состоит из пупырышек, а у броненосцев есть пластины. Все это нужно животным для защиты и хорошей подвижности. Причем при повреждении одной чешуйки или пластины не повреждается остальное. Такую сегментированную структуру можно использовать для создания брони.
Юрий Эстрин из Университета Монаша в Австралии создал остеоморфные блоки. За счет геометрии блоки крепко сцепляются друг с другом без клея или дополнительных зажимов. Если собрать из остеоморфных блоков пластинку и ударить по ней, разрушится только тот кубик, на который пришелся удар. Все остальные будут держать друг друга как пластины броненосца. Таким образом можно делать броню, состоящую из маленьких блоков, которые перераспределяют удар.
Еще один интересный пример использования природных объектов — создание аналогов паутины. В железах паука паутина жидкая, но, как только паук ее выпускает, она затвердевает и вытягивается. Белковые молекулы могут укладываться в виде маленьких кристаллов, а могут хаотично. Получается, что паутина — это длинная нить, внутри которой есть более твердые маленькие сегменты, ориентированные вдоль этой нити паутины. Благодаря такой структуре и ориентации белковых молекул паутина обладает высокой прочностью, а еще гибкостью и легкостью. По своей прочности она сравнится с хорошими образцами стали.
Об авторе: Федор Сенатов — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры Физической химии, руководитель образовательной программы iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС».
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru