Суперспособности животных

Люди научились воровать технологии у живой природы несколько тысячелетий назад. Например, идея создания первой бумаги была подсмотрена ещё в Древнем Китае у бумажных ос. Однако, как наука бионика сформировалась только в середине XX века, когда французский инженер Жорж де Местраль, изучив строение плодов репейника, прицепившегося к шерсти его спаниеля, изобрел текстильную липучку Velcro. Сегодня научные группы по всему миру продолжают искать и изучать идеи, которые можно позаимствовать у природы. Зоолог и сотрудник Сколтеха Илья Гомыранов собрал лучшие «зверские» суперспособности, которые люди уже используют в повседневной жизни или еще только мечтают об этом.

Слюна лягушек не что иное, как неньютоновская жидкость. Лягушки ловят насекомых, выстреливая языком, который действует как амортизатор, предотвращая отталкивание жертвы. Кроме того, в момент удара языком о насекомое слюна становится настолько жидкой, что без проблем обволакивает жертву. Но как только язык начинает тянуть бедного сверчка за собой – слюна твердеет и превращается в суперклей. Эта комбинация свойств даёт языку в 50 раз большую клейкость, чем у всех известных сейчас полимеров. Сколько учёные ни пытались создать подобное вещество, у них пока так ничего и не получилось.

Frogs use a viscoelastic tongue and non-Newtonian saliva to catch prey Alexis C. Noel et al J. R. Soc. Interface. 2017 Feb; 14(127): 20160764.

Учёные установили, что таракан способен выдерживать груз, в 900 раз превышающий свой собственный вес, при этом сплющиваясь по высоте в три раза. Экзоскелет этих насекомых состоит из отдельных жёстких пластин, соединённых растяжимыми мембранами. Изобретателям остаётся только мечтать о создании таких жёстких и одновременно гибких материалов. Пока человеку удалось создать только робота-таракана, который протискивается в щели высотой вдвое ниже него.

Cockroaches traverse crevices, crawl rapidly in confined spaces, and inspire a soft, legged robot Kaushik Jayaram and Robert J. Full PNAS February 23, 2016 113 (8) E950-E957

Пальцы геккона с нижней стороны напоминают очень густую щётку. Каждый миллиметр кожи покрыт более чем 5 тысячами ворсинок, каждая из которых в десять раз тоньше человеческого волоса, а на конце ещё и расширена, подобно шпателю. В результате между пальцами и поверхностью возникают силы Ван-дер-Ваальса (силы, возникающие между соседними атомами и молекулами), а также эффект контактной электризации. Изучение мельчайшей структуры этих ворсинок помогло учёным создать суперкрепкую липучую ленту, 20 сантиметров которой выдерживают вес взрослого человека.

Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair A. K. Geim et al Shapoval Nature Materials volume 2, pages 461–463(2003)

Паутина — это секрет желёз пауков, в состав которого входит уникальный белок спидроин, обеспечивающий гибкость и прочность. При контакте с воздухом жидкий секрет густеет и превращается в нить, прочность которой близка к нейлону, а по предельному напряжению превосходит сталь. Ученые давно стремились создать материал с подобными свойствами. В 2011 году, встроив ген, принадлежащий одному из видов пауков и кодирующий продукцию белка спидроина, в геном тутового шелкопряда, они получили очень прочную и эластичную нить Dragon Silk, которую используют при создании бронежилетов.

Silkworms transformed with chimeric silkworm/spider silk genes spin composite silk fibers with improved mechanical properties Florence Teulé et al PNAS January 17, 2012 109 (3) 923-928

Голая кожа землекопов не чувствует ни ожогов, ни кислоты, ни капсаицина — вещества, придающего жгучесть перцу чили. При этом, если ущипнуть или уколоть грызуна, он непременно отреагирует на раздражение. Оказывается, у этих животных есть генетическая мутация, которая блокирует передачу сигналов от некоторых видов болевых раздражителей. Изучая этих млекопитающих, фармакологи надеются разработать обезболивающие лекарства нового поколения. Кстати, клеточные механизмы, отвечающие за слабую подверженность землекопов старческим заболеваниям и раку, — ещё одна научная загадка.

Hypofunctional TrkA Accounts for the Absence of Pain Sensitization in the African Naked Mole-Rat Omerbasic et al., 2016, Cell Reports 17, 748–758

Запомнить десятки мелких деталей для голубя не составляет труда. В 2015 году врачи из Калифорнийского университета решили использовать навыки голубей на благо человечества. Зарождающиеся раковые опухоли на снимках очень похожи на зернышки, крошки и прочие знакомые птицам объекты. Голуби быстро научились отыскивать злокачественные образования молочной железы с точностью до 85%, что эффективнее квалифицированных врачей-онкологов и обученных нейросетей.

Pigeons (Columba livia) as Trainable Observers of Pathology and Radiology Breast Cancer Images Richard M. Levenson et al PLoS One. 2015; 10(11): e0141357

Комары — одни из лучших летунов среди насекомых. При размере от 4 до 10 мм они летают со скоростью 3 км/ч. Если бы сверхзвуковой самолет-разведчик Lockheed SR-71 Blackbird летал так же стремительно, как комар, он разгонялся бы до 130 000 км/ч (мировой рекорд на сегодня — 3 530 км/ч). Только в 2017 году исследователи, используя восемь камер с частотой съемки 10 000 кадров в секунду, смогли запечатлеть движения крыльев комара. Насекомое делает до 800 взмахов в секунду с угловой амплитудой взмаха — всего 40 градусов. Взмахи получаются короткими, и комары могут делать их чаще, чем другие насекомые сопоставимого размера.

Smart wing rotation and trailing-edge vortices enable high frequency mosquito flight Richard J. Bomphrey et al Nature 2017 Apr 6; 544(7648): 92–95

Акулы, в отличие от других морских обитателей, не обрастают водорослями, моллюсками, рачками и даже некоторыми бактериями. В 2005 году американский инженер Тони Бреннан начал исследовать акулью кожу и обнаружил, что всё тело рыбы покрыто крошечными бугристыми чешуйками, подобно ковру из миниатюрных зубов. Водоросли и рачки просто не могут за неё зацепиться, как и многие бактерии. К тому же такая поверхность минимизирует силу сопротивления воды. Используя изученные свойства нулевой адгезивности материала, ученые разрабатывают медицинские катетеры, имитирующие структуру акульей кожи.

Surface micropattern resists bacterial contamination transferred by healthcare practitioners. Mann EE, Mettetal MR, May RM, et al. J Microbiol Exp. 2014;1(5):179-184

Летучие мыши «видят» ушами. Они издают ультразвуковые сигналы, которые, отражаясь от предметов, позволяют мышам в буквальном смысле услышать окружающий их ландшафт. Имея встроенный эхолот, наши герои без труда ориентируются в густом лесу или абсолютно темной пещере. С 2008 года несколько команд учёных, наблюдая за летучими мышами, начали разработку тростей с эхолокацией для слепых и слабовидящих. Кроме того, существуют очки для слепых, в основе которых лежит тот же механизм.

Reading with Sounds: Sensory Substitution Selectively Activates the Visual Word Form Area in the Blind Ella Striem-Amit et al Neuron 76, 640–652, November 8, 2012

Полет сов отличается от полёта всех остальных птиц. Машут крыльями они точно так же, как и все птицы, но, благодаря особому строению перьев, их полёт абсолютно бесшумный. Особые бороздки на перьях образуют гребень, в результате чего рассекаемый турбулентный воздушный поток обтекает тело птицы. Основные маховые перья крыльев совы имеют мягкое и пористое опахало, которое гасит воздушный поток, подавляя шумы. Несмотря на попытки использовать комбинации изоляционных слоёв и абсорбирующих материалов, человек пока не смог достичь аналогичного результата.

Wagner H et al 2017 Features of owl wings that promote silent flight. Interface Focus 7: 20160078.

Пчелы, обнаружив цветочное поле, способны улетать от улья на расстояние до четырнадцати километров и подниматься вверх до девяти. Для спуска они применяют алгоритм оптического потока, анализируя скорость сближения с объектами под ними. Недавние испытания показали, что пчёлы также используют стереозрение для приземления. В 2014 году учёные из Университета Квинсленда, применив «пчелиные технологии», разработали автономную систему управления посадками самолётов, в основе которой лежат визуальные сигналы от камер. Система не зависит от внешних технологий, таких как датчики лазерного диапазона, радиомаяки или сигналы GPS.

A Biologically Inspired, Vision-based Guidance Systemfor Automatic Landing of a Fixed-wing Aircraft Saul Thurrowgood et al Journal of Field Robotics 31(4), 699–727 (2014)

Голова дятла при ударе переживает фантастические перегрузки. При средней частоте 22 удара в секунду они достигают 1200 g, что в 100 раз больше перегрузок лётчиков, выполняющих фигуры высшего пилотажа. Сверхтвёрдый клюв, тонкий слой внутричерепной жидкости, пористые губчатые структуры в составе костей черепа, а также прочный и упругий гиоид (подъязычная кость), поддерживающий язык и охватывающий почти всю голову, гасят вибрации и не позволяют наносить непоправимый вред птице. Учёные заимствуют эти способности для разработки, например, демпфирующих систем черных ящиков.

Numerical study of the impact response of woodpecker's head Zhao Dan Zhu et al AIP Advances 2, 042173 (2012)