Изобретенията на инженер "Природа"

От самото начало на нашата цивилизация хората винаги са изпитвали почуда и дори страхопочитание от изобретателността на Природата. Още преди хиляди години древните хора са опитвали да подражават на начина на мислене на хищниците, методите им за ловуване, тактиката им за проследяване и промъкване. Заимствали са редица „изобретения“ на живия свят – като се започне от строежа на собствените им домове и се стигне до най-грандиозните инженерни съоръжения, транспортни средства и др.

Дори днес, на фона на нашите невероятни технологични постижения, природата има още доста изненади за разкриване и не престава да ни учудва. А сред множеството съвременни технически постижения ще намерим огромно количество такива, взети и изкопирани почти буквално от живата природа – от растителното или животинското царство.

 

Как да добиваме вода?

Дъждовете не са нещо обичайно за африканските пустинни райони, особено за Намибия. Тази земя е обгоряла и суха, но въпреки това, ако ви се случи да бъдете там, ще забележите, че рано сутрин дори тази пустиня е благословена с тънък слой лека мъгла, покриваща пясъчните дюни. А мъглата е съставена от водни пари, нали?

Точно тези райони на пустинята са населени от едно симпатично насекомо, наречено пустинен бръмбар. Когато сутрин той се разхожда по дюните, мъглата обгръща хитиновата му обвивка, образувала отблъскващи водата (като тефлонов тиган) гребенчета и пъпки, рисунъци по гърба, които я насочват по посока на главата. Външната му обвивка е покрита с микроскопични хидрофилни израстъци, нещо като косъмчета, където влагата се акумулира и натрупва, а капчиците стават все по-големи, докато започнат да се плъзгат под собствената си тежест - напред към устата на бръмбара. По този начин ефективно задоволяват жаждата му.

 

Инженери от MIT (Масачузетския технологичен институт) са наблюдавали тази способност и буквално са я „заели“ от бръмбара, създавайки уред, който може да добива вода директно от въздуха. Постановката е конструирана от стъкло и пластмаса, покрита по същия начин като бръмбара с миниатюрни гребенчета. Приличащата на релефа на гъбите субстанция е много евтина и може да бъде създавана просто чрез отпечатване на хидрофилни точки върху хартия от хидрофобна материя.

Ако ушиете туристическа палатка от тази материя, тя ще може спокойно да кондензира и събира сутрешната влага така, че да имате достатъчно количество вода.

 

Живите микророботи миноги

Нещата щяха да бъдат много по-лесни и прости, ако докторите можеха да навлизат с лекота и да разглеждат тялото ви отвътре, без опасност да ви наранят. Така ще могат да узнават по-лесно и точно причините за болка или болест. Днешните сканиращи технологии често са с ниска разделителна способност, а по-добрите магнитноядрени резонансни машини са много сложни и скъпи.

Затова наближаващият бум на микророботите, достатъчно малки, за да плуват буквално в кръвта ви, обещава да направи диагностицирането в медицината много по-точно и лесно. Един от тези кандидат-чудодейни роботи е Cyberplasm - робот, който в определен смисъл изглежда буквално „жив“. Оборудван с множество сензори, директно изкопирани от реалните животински клетки на бозайниците, той може да реагира на химически вещества и светлина по същия начин, както го правят живите организми. Той дори притежава сензори за наблюдение (очи) и обоняние (нос), а на всичко отгоре съдържа изкуствена, захранвана от глюкоза нервна система, която отчита нервните стимулации и ги конвертира в електрически сигнали по същия начин, както това прави мозъкът.

 

Cyberplasm е създаден до голяма степен копирайки едни живи същества, наречени миноги. Това са паразитни риби с дълго тяло и червеобразна форма. Тези животни имат проста нервна система, която съвременните технологии са способни да имитират и да внедрят в едно миниатюрно роботизирано тяло. Затова почти няма съмнение, че само след броени години роботите миноги ще кръжат вътре в тялото ви, сканирайки за тумори, кръвни съсиреци или вредни химически вещества.

 

Роботизирани ръце хоботи

Макар и изглеждащ комично за някои, слонският хобот е сложно нещо. Съставен от над 40 000 мускула – повече, отколкото има в цялото човешко тяло. И благодарение на това чрез него слоновете могат да берат ябълки директно от клоните или пък направо да си откъснат цялото дръвче с корените от земята.

Този универсален дизайн е копиран до голяма степен от хората и е приложен при роботизираните ръце. Германската компания Festo представя заимстваната от природата Bionic Handling Assistant – приставка, която може да се използва, за да помага на хората в различни манипулации.

 

Притежаващата четири метални щипци роботизирана ръка се управлява от хора или автоматизирано, като софтуерът й се обучава непрекъснато за все по-точни движения (подобно на човешките бебета). В процеса на хващане и пускане на обекти тя се научава точно кои „мускули“ да движи. Това всъщност не са мускули, а механични части, но роботът може да запаметява точно тези промени в позицията чрез промяна на налягането в отделните зони, които задвижват изкуствените мускули.

Изработени са от полиамид, материал достатъчно здрав, за да издържа на много големи тежести, но все пак достатъчно подвижен, за да извършва прецизни движения, като например вдигане и преместване на яйце. Съвършената роботизирана ръка е доказано полезна за хай-тек заводи, лаборатории и болници, като предоставя възможности за манипулация в зони, в които човешката намеса е невъзможна.

 

Влакове куршуми

Когато излизат от някой тунел, японските екстремно бързи влакове куршуми създават оглушителен гръм заради самата форма на носа на влака и въздушния поток около него. Изтласквайки въздуха с голяма скорост, се създава въздушна стена, която принципно се съпротивлява на влака, като го забавя и го кара да хаби повече гориво. Решението? Вземете пример от някои птици.

Синьото рибарче притежава аеродинамично оформен клюн, което прави основната му дейност - риболова - доста по-ефективна. Благодарение на острата форма на предната му част тази птица може да се гмурка във водата мигновено без никакво плискане. По този начин клюнът намалява съпротивлението, позволявайки на водата да се разлее покрай повърхността му, вместо да се избутва напред пред носа.

 

 

Ейджи Накацу, инженер и любител на живия свят, е възприел тази идея и е създал носовете на влаковете куршуми така, че да имитират клюна на рибарчето. Благодарение на това те са способни да се движат с над 300 километра в час, като значително се намалява съпротивлението и съответно разходът на енергия за движение.

В добавка – благодарение на идея, взета от бухалите, значително е намален гръмовният звук. Предната част на влака имитира строежа и дизайна на перата на бухалите, които са толкова тихи, че могат да налетят спокойно върху дори най-притихналата мишка.

 

Меките роботи

Кой казва, че роботите трябва непременно да са твърди и метални? Група изследователи от Италия от години преследват идеята, че трябва да се възползват от предимствата на октоподите и техните гъвкави тела. С техните способности да плуват, задържат обекти и да се провират през цепнатини един робот октопод би бил идеалната машина за много области.

Вместо да се движи чрез математически изчислени начини, подобно на „железните роботи“, роботът октопод ще се свива, разширява и нагъва. Тези машини нямат твърди крайници и фиксирани сглобки, което е голям плюс в редица ситуации.

 

Традиционните роботи се създават след моделиране на масивни скелети, а след това изискват внимателно програмиране и много работа, за да бъдат предпазени от това да се блъснат в някоя стена и да се повредят. Освен това заради здравината и теглото си те могат да бъдат дори опасни за хората около тях.
Меките роботи са много по-безопасни. Те могат да се усукват и огъват в нови форми и да се нагаждат спрямо околната им среда. С такива форми за тях става възможно да спасяват попаднали в капан при бедствия хора, да взаимодействат по-лесно с хората, без да ги наранят, както и да функционират по-лесно без предварително сложно условно програмиране.

 

Отблъскващи микробите медицински консумативи

Със своята относителна гладкост и издръжливост кожата на акулите се оказва полезна в най-различни технологични сфери – от създаването на костюми за плуване и гмуркане до обувки. Но това, което едва ли сте очаквали, е да вдъхновят… медицински катетри.

Микробите са сериозно притеснение за всяка болница. Бактерии и вируси са истински бич за хората, особено попаднали в деликатно положение след операция. Тъй като в болниците непрекъснато влизат и излизат много хора, не е тайна, че всички повърхности бързо се покриват с прах и… милиони микроорганизми. Което способства за по-бързото разпространение на болести от един пациент върху друг.
 

Тони Бренан е инженер, който открива, че нищо в природата не е по-чисто от… кожата на акулата. Повърхността й е набраздена с миниатюрни рисунъци, приличащи на четка за зъби. Този релеф се оказва, че предотвратява до голяма степен залепването на слуз, водорасли и различни организми върху нея. И най-голямата изненада – кожата й също спира възможността за развитие на бактерии като E. Coli.

 

Sharklet е компания, която се опитва да заимства тази структура и да създаде работещи материали на база това природно чудо. Засега все още се опитва. Но тяхната следваща крачка и наближаваща цел е… изработването на медицински консумативи като катетри, създадени от материал, имитиращ кожата на акулата. Което ще помогне на пациентите да се предпазят до голяма степен от вътреболничните инфекции.

 

Ваксините също ще се подобрят

Спомняте ли си наскоро новините по телевизията, в които се говореше за български млади учени, които стават известни по света заради експериментите си с бавноходката?

Микроскопичните „водни мечки“, бавноходки (Tardigrada) са най-издръжливите животни на планетата, като дори са считани за извънземни. Те са издържат на космическите студове, на температури, близки до абсолютната нула, и на жега до над 150 градуса. Издържат на ужасяваща радиация и могат да изкарат години без вода.

За да издържат на тези условия, бавноходките се свиват и съсухрят. Дехидратират се и до голяма степен подменят водата в организма си със захари. Тези захари се втърдяват почти като стъкло и организмите им се хибернират подобно на стопкадър анимация. И когато са събудени, хидратирани отново, те бавно се пробуждат и започват да се разхождат. Така могат да оцеляват много време.

 

Ако тези методи на оцеляване засега не са приложими при хората поради множество проблеми, то нашите учени считат, че могат да използват този метод за много по-добро съхранение на ваксини, ДНК материали и стволови клетки. Тези биологични материали са много нетрайни и съхраняването им е проблем. Но имитирайки откритите от природата методи, предложени от бавноходката, вероятно в близко бъдеще нетрайността на животоспасяващите продукти ще бъде значително удължена.

 

Ходещ по водата робот

Вероятно знаете, че има множество насекоми и паякообразни, които с лекота ходят по водната повърхност благодарение на специалното си „покритие“. Заради физичното явление „повърхностно напрежение“, което се наблюдава при водни повърхности, молекулите се слепват помежду си благодарение на сила, наречена кохезия.

Супер олекотен миниатюрен робот е конструиран така, че да може буквално да подскача, вместо да ходи по водата. Този робот е с меко тяло и тежи само 68 милиграма. И макар инженерите вече да са създали и други, по-сериозни роботи, способни да вървят по водата, този е уникален, защото може да скача по нея, без да потъва.

 

Изследователите са постигнали това, наблюдавайки водните насекоми – онези, чийто живот е свързан с водните повърхности. Те могат да ускоряват движението на краката си постепенно, което им помага да останат на повърхността до момента на отскачане. Животните упражняват точно необходимото количество сила, необходимо на това повърхностното напрежение да се погрижи за оставането на целостта на водния слой – ненарушен и цялостен. Така че животното да не потъва.

Следвайки тази тактика, роботът прилага достатъчно и точно изчислено движение, за да се изстреля, но в същото време силата не надвишава границата, над която краката му ще пробият водния слой. Тези действия имитират движението на водните бълхи и техните крака, които могат да подскачат на впечатляващото спрямо големината на телата им разстояние от 14 сантиметра. Миниатюрният робот може да се окаже изключително полезен за наблюдателни дейности и спасителни операции.

 

По-добро рентгеново сканиране

Рентгеновите лъчи са нещо, с което трудно се работи – те са опасни, а машините са тромави, тежки и скъпи. Но отново на помощ идват учените – копирайки идея от живия свят, взета назаем от очите на омарите!

Вместо да използват рефракция или пречупване на светлината през лещите, омарите използват рефлектиране или отражение. Техните очи са покрити с миниатюрни лещички, подобно на малки огледалца, които отразяват светлината под точни ъгли и формират картината, идваща от всяка посока.
Този дизайн се е доказал като полезен за астрономите, които са построили телескопи, способни да фокусират рентгеновите лъчи от определени области в Космоса. И докато обикновените телескопи само позволяват на лъчите да преминават през тях, формата на очите на ракообразните създава истински масиви от миниатюрни телескопчета.

 

Омарите са инспирирали и други изобретения, като например микрочиповете и едно устройство за „заснемане“ на обекти през 8-сантиметрови стоманени прегради, наречено Lobster Eye X-ray. Когато това устройство изпрати сноп от нискоенергийни рентгенови лъчи през стената, някои от тях отскачат обратно, отразени от обектите от другата страна. Тези сигнали се насочват през многобройните „очички“ на уреда и създават изображение, подобно на метода, по който виждат омарите. Изобретението може да докаже своята полезност при откриване на откраднати предмети или пренасянето на нелегални товари.