«Природные конструкции»

Учимся на природных конструкциях

«Многие из наших лучших изобретений скопированы с живых существ или уже используются ими» (Фил Гейтс, «Wild Technology»).

КАК уже говорилось в предыдущей статье, цель науки биомиметики заключается в том, чтобы по природным моделям создавать более сложные материалы и машины. Природа «выпускает свою продукцию», не вызывая загрязнения, а созданное ею часто эластично и легко, но при этом необыкновенно прочно.

Так, например, кость в пропорциональном отношении крепче стали. В чем же секрет такой прочности? Отчасти в удачно разработанной форме кости, но главные причины лежат глубже — на молекулярном уровне. «Прочность живых организмов объясняется конструкцией и взаимным расположением их мельчайших составляющих»,— говорит Гейтс. Изучая структуру этих мельчайших составляющих, ученые выделили вещества, придающие природным материалам — от кости до шелка — завидные прочность и легкий вес. Эти вещества, как обнаружили ученые, представляют собой различные формы природных композитов.

Чудо-композиты

Композиты — это твердые материалы, которые получаются, когда два или более вещества соединяются и образуют новое вещество, по своим свойствам превосходящее те, что вошли в его состав. В качестве примера можно привести синтетический композит стеклопластик, из которого часто делают лодочные корпуса, удочки, луки, стрелы и другие спортивные товары. Стеклопластик изготовляют так: к жидкому или желеобразному вяжущему материалу — пластику (называемому полимером) — добавляют тонкие волокна стекла. Когда полимер затвердевает, получается легкое, прочное и гибкое соединение. Используя разные виды волокон и вяжущих материалов, можно выпускать самую разнообразную продукцию. Однако в сравнении с теми композитами, что содержатся в самих людях, а также в животных и растениях, созданные человеком просто примитивны.

Основу композитов, придающих прочность коже, кишечнику, хрящам, сухожилиям, костям и зубам (за исключением эмали) людей и животных, образуют не волокна из стекла или углерода, а волокнистый белок, называемый коллагеном*. В одном справочнике об основанных на коллагене композитах говорится, что их место — «среди наиболее прогрессивных структурных составных материалов из известных на сегодняшний день».

Или взять сухожилия, связывающие мышцы с костями. Замечательные свойства сухожилий объясняются не только упругостью их основанных на коллагене волокон, но и тем, как чудесно эти волокна переплетены. Джанин Бениас в своей книге «Биомимикрия» («Biomimicry») пишет, что распутанное сухожилие «кажется почти невероятным по своей многоуровневой точности. Сухожилия в предплечье представляют собой сплетение нитей, похожих на тросы висячего моста. Каждая нить — это сплетение более тонких нитей. А каждая из более тонких нитей — это сплетение из молекул, которые, разумеется, представляют собой спиральные сплетения из атомов. Снова и снова перед нами раскрывается сверхточная красота». Все это, по словам автора, «верх инженерного искусства». Стоит ли удивляться, когда ученые говорят, что их вдохновляют природные конструкции? (Сравните Иов 40:10, 12.)

Как уже говорилось, созданные человеком композиты бледнеют перед природными. И тем не менее синтетические материалы имеют много замечательных свойств. Их причисляют к десяти наиболее выдающимся достижениям инженерного искусства за последние 25 лет. Так, например, благодаря композитам, основанным на графите или углеродных волокнах, появились новые поколения деталей самолетов и космических кораблей, новые поколения спортивных товаров, гоночных автомобилей «Формула-1», яхт, а также легких протезов — и это лишь немногое из быстро растущего списка продукции.

Многофункциональная чудо-ворвань

Хотя киты и дельфины об этом не знают, их тело обернуто удивительной тканью — ворванью (разновидность жира). «Китовая ворвань — это, наверное, самый многофункциональный из известных нам материалов»,— говорится в книге «Биомиметика: конструкция и обработка материалов». Объясняя, почему это так, автор книги прибавляет, что ворвань — превосходное средство, позволяющее держаться на воде, и она помогает китам выныривать, чтобы вдыхать воздух. Этим теплокровным млекопитающим ворвань служит отличной теплоизоляцией, спасающей от холода океанской воды. И кроме того, это превосходный запас питания на время, когда киты, не принимая пищи, совершают миграции на тысячи километров. В пропорциональном отношении жир дает в два-три раза больше энергии, чем белок и сахар.

«Ворвань также представляет собой весьма упругий материал наподобие резины,— говорится в упомянутой выше книге.— По нашим самым тщательным подсчетам, ускорение, создаваемое пружинящими движениями ворвани, которая сжимается и растягивается с каждым ударом хвоста, экономит, возможно, до 20% энергии, затрачиваемой во время продолжительных периодов непрерывного плавания».

Ворвань добывается уже веками, однако лишь недавно стало известно, что она примерно наполовину состоит из сложной сети волокон коллагена, которая находится под кожей каждого животного. Хотя ученые еще не до конца постигли строение этого жирового композита, они считают, что открыли новый чудо-продукт, который, если его производить синтетически, найдет самое широкое применение.

Восьминогий гений инженерного искусства

В последние годы ученые также всерьез занялись изучением паука. Они стремятся понять, как он производит свой шелк, который тоже представляет собой композит. Вообще, шелк производят множество разных насекомых, но шелк паука особенный. Он — один из самых прочных материалов на земле — являет собой, по выражению одного автора научно-популярных изданий, «вещество, из которого сделаны мечты». Шелк паука обладает таким количеством выдающихся свойств, что их список показался бы невероятным.

Почему ученые, говоря о паучьем шелке, употребляют прилагательные в превосходной степени? Дело в том, что он не только в пять раз прочнее стали, но и очень эластичен — а для материалов это очень редкое сочетание. Шелк паука тянется на 30 процентов больше, чем самый эластичный нейлон. Однако он не пружинит, как батут, и не выбрасывает обед паука в воздух. «Если перевести все в человеческие масштабы,— говорится в «Сайенс ньюс»,— то паутина, похожая на рыболовную сеть, сможет поймать пассажирский самолет».

Сумей люди повторить химические чудеса, творимые пауком — а два вида производят по семь разновидностей шелка,— представляете, что можно было бы производить! Во много раз улучшенные ремни безопасности, швы, искусственные связки, легковесные провода и кабели, пуленепробиваемые ткани — и это далеко не все. Ученые также стараются разгадать секрет рациональности, с которой паук производит шелк, обходясь при этом без токсичных материалов.

Природные коробки передач и реактивные двигатели

Благодаря коробкам передач и реактивным двигателям сегодняшний мир находится в постоянном движении. Но известно ли вам, что и эти конструкции природа использовала до нас? Возьмем, например, коробку передач. Она позволяет менять скорости автомобиля так, чтобы двигатель работал с наибольшей отдачей. Ее природные аналоги делают то же самое, но они соединяют не мотор с колесами, а крылья с крыльями! Кто же использует это приспособление? Обыкновенная муха. К ее крыльям подсоединена трехскоростная коробка передач, позволяющая «переключать скорости» в полете!

Кальмары, осьминоги и наутилусы плавают под водой, используя своего рода реактивный двигатель. Ученые смотрят на их «двигатели» с завистью. Почему? Потому что они сделаны из мягких деталей, которые не ломаются, выдерживают высокое давление на больших глубинах, работают бесшумно и с высоким КПД. Когда кальмары убегают от хищников, они порой разгоняются до 32 километров в час, «иногда даже выскакивая из воды на палубы кораблей», как говорится в книге «Природная технология» («Wild Technology»).

Да, стоит лишь ненадолго задуматься о мире природы — и мы исполняемся благоговения и благодарности. Природа — это поистине живая загадка, вызывающая все новые и новые вопросы. Какие химические чудеса зажигают яркие холодные огни светлячков и некоторых водорослей? Как различные арктические рыбы и лягушки оживают, оттаяв после зимы, на время которой они замораживаются? Как китам и тюленям удается долгое время оставаться под водой без дыхательного аппарата? И почему они не страдают кессонной болезнью, или болезнью водолазов, ведь они по многу раз подряд ныряют на большую глубину? Как хамелеоны и каракатицы меняют цвет и сливаются с окружающей средой? Как колибри пересекает Мексиканский залив, затрачивая на это меньше 3 граммов топлива? Кажется, что вопросы можно задавать бесконечно.

Людям остается только смотреть и удивляться. Изучая природу, ученые, как говорится в книге «Биомимикрия», испытывают восхищение, «близкое к благоговению».