чему люди могут научиться у тараканов, ящериц и морских раковин? — T&P
Бионика — наука об использовании свойств, функций и структур живой природы в технических устройствах — известна еще со времен Леонардо да Винчи, который пытался сконструировать летательный аппарат, имитирующий полет птицы. Многие ученые обращаются к природе в надежде найти решение сложных вопросов, стоящих перед человечеством. Живая природа предлагает множество готовых решений — необходимо лишь адаптировать их для конкретных технологических проблем. Результаты своих исследований на эту тему представили в рамках конференций TEDGlobal Маркус Фишер, Жанин Бенюз и Роберт Фулл.
Летающий робот-птица
Многие роботы способны летать, но ни один из них не летает, как настоящая птица. Так было до тех пор, пока инженер Маркус Фишер и его команда из немецкой компании Festo не сконструировали по образу и подобию чайки сверхлегкого робота, самостоятельно летающего с помощью крыльев. Целью этого исследования было создание сверхлегких энергоэффективных механизмов, изучение свойств воздуха и воздушных потоков применительно к таким механизмам.
Робот-птица называется СмартБерд, весит 450 г, длина крыла составляет — 1,6 метра, а размах крыльев — около 2 метров. Робот изготовлен из углеродного волокна, оснащен мотором и передаточным механизмом. Кроме того, он имеет особую конструкцию крыльев, разделенных на две части, за счет чего достигается высокая аэродинамическая эффективность. Потребление энергии составляет 25 ватт для взлета и 16-18 ватт во время полета. Птица обладает отличными аэродинамическими характеристиками и способна самостоятельно летать, взмахивая крыльями.
12 ключевых идей из мира живой природы
Жанин Бенюз, биолог, автор книги «Бионика: инновации, вдохновленные природой», изучает возможности использования явлений живой природы в технологической сфере и в дизайне. Ее исследования вызывают большой интерес среди архитекторов, дизайнеров и инженеров, осознавших, сколько гениальных идей можно почерпнуть, наблюдая за тем, как функционируют живые организмы и биологические системы. 12 наиболее интересных и перспективных идей помогут, по мнению ученого, решить многие научно-технические проблемы.
Самосборка. Этот термин часто употребляется применительно к нанотехнологиям.
Что касается живой природы, достаточно вспомнить морские раковины. Морская раковина — это самособирающийся материал. Перламутр также формируется сам по себе из морской воды. Это многослойная структура, очень прочная — во много раз прочнее высокотехнологичной керамики, произведенной в специальных печах. Возможность использования этого явления открывает перспективы создания высокотехнологичной керамики и других твердых материалов с гораздо меньшими затратами энергии и ресурсов.
Биологический силикон. Клетки диатомовых водорослей имеют панцирь, состоящий из кремнезема. Изучение механизма его образования перспективно для получения материалов на основе диоксида кремния и решения проблемы канцерогенных отходов при производстве микрочипов.
Использование углекислого газа в качестве исходного сырья. Для растений СО2 не представляет угрозу существованию. Растения перерабатывают углекислый газ в крахмал и глюкозу. Уже сейчас существуют технологии переработки углекислого газа в поликарбонат — вещество, из которого производят биологически разлагаемый пластик.
Трансформация солнечной энергии. Идет изучение механизмов поглощения солнечной энергии внутри пурпурной бактерии. Кроме того, обнаружен железосодержащий фермент под названием гидрогеназа, способный образовывать водород из протона и электронов. Этот фермент может также вызывать диссоциацию водорода. В топливных элементах этот процесс происходит благодаря платиновому катализатору. В природе это происходит с помощью обычного железа.
Жанин Бенюз — автор книги [«Биомимикрия: инновации, на которые вдохновляет природа»](http://www.amazon.com/Biomimicry-Innovation-Inspired-Janine-Benyus/dp/0060533226), в которой она объясняет очевидную и поэтому совершенно забытую вещь: «самый умный, элегантный и гибкий дизайн уже создан природой. Мир невероятно сложен, взаимосвязан и при этом великолепно продуман».Форма. Мы знаем, что плавники кита покрыты бугорками. Точно такие же бугорки, расположенные на кромке самолета, повышают его эффективность на 32%, что влечет за собой огромную экономию природного топлива.
Возможно ли образование цвета без красящих пигментов? Перо павлина, имея сложную слоистую структуру, синтезирует цвет благодаря своей форме. Свет проходит через одни слои и отражается от других. Это явление называется тонкопленочной интерференцией. Листья лотоса имеют особую структуру поверхности, благодаря которой загрязнения не могут закрепиться на ней. Этот принцип используется при производстве самоочищающейся фасадной краски Lotusan, которая при высыхании имитирует неровности на поверхности листа лотоса. Это позволяет стенам здания легко очищаться — грязь стекает вместе с дождевыми каплями.
Сбор пресной воды. Намибийский жук подсказал людям решение проблемы нехватки пресной воды в пустыне: жук добывает воду из тумана. А мокрица способна «улавливать» воду в воздухе. Установки по отбору воды из воздуха в Атланте и из тумана в Монтерее используют технологии, основанные на изучении этих представителей живой природы.
Выделение. Оказывается, возможно добывать металл без трудоемкой работы на рудниках.
Микроорганизмы способны «выхватывать» металл из водного потока. Этот принцип используется в конструкции фильтров, применяющихся для выделения руды из обломочных потоков. Постепенно «зеленая» химия приходит на смену промышленной. Основной средой для этой эко-науки является вода и органические растворы, при этом используются лишь некоторые элементы периодической системы химических элементов.
Запрограммированное разложение. Мидии прикрепляются к скалам с помощью нитей, которые начинают растворяться по истечении двух лет. Эта идея могла бы найти свое воплощение в производстве упаковочных материалов.
Здоровье. Существует проблема обязательного хранения вакцин в холодильниках во время транспортировки. Холодильники часто ломаются, и вакцины не доходят до больных. Решение можно позаимствовать у тихоходки, организма, относящегося к типу микроскопических беспозвоночных. При неблагоприятных условиях тихоходка способна на многие месяцы впадать в состояние анабиоза за счет высушивания, а затем, при наступлении благоприятных условий, оживать.
Уже существует способ высушивать вакцины, чтобы их можно было транспортировать без охлаждения.
Обмен информацией. В мире происходит 3,6 миллиона автомобильный аварий в год, а 80 миллионов особей саранчи, движущихся в пределах 1 кв. км, никогда не сталкиваются друг с другом. Почему? Ученые из Ньюкасла выяснили, что избегать столкновений саранче помогает особый крупный нейрон, и сейчас работают над внедрением принципов работы этого нейрона в системы безопасности автомобилей.
Увеличение плодородия. Проблема деградации фермерства и истощения почвы может быть решена с использованием опыта функционирования целостных экосистем, которые сами создают условия, благоприятные для живых существ. Например, растительный мир прерий улучшает состояние почвы; стадо местных копытных животных улучшает состояние пастбища; болота не только очищают воду, но и способствуют увеличению продуктивности. Живые организмы сами создают условия для продолжения жизни: улучшают почву, очищают воздух и воду, производят газы, необходимые нам, чтобы дышать.
При этом они полностью удовлетворяют свои потребности — одно не исключает другого. Вот чему нам необходимо научиться в первую очередь — удовлетворять свои потребности, не разрушая среду обитания, в которой будут жить наши потомки.
Насекомые вдохновляют создателей роботов-спасателей
Биолог из Калифорнийского университета Роберт Фулл изучает движение живых существ и затем использует полученную информацию в конструировании роботов. Темой его недавнего исследования является стопа и ее функции. Наблюдая за пауками, тараканами, осьминогом и другими обитателями живыми существами, Роберт Фулл пришел к выводу, что у всех них функции стопы при движении по неровной поверхности распределены по всей длине ноги или даже по всей длине тела. Это позволяет им с легкостью преодолевать сложные препятствия или передвигаться по непривычным поверхностям с привычной скоростью. Данный принцип был использован при создании робота RHex, передвигающегося на шести ногах, имеющих полукруглую форму.
Другое интересное наблюдение: лапки тараканов покрыты маленькими иголочками, которые легко сгибаются в одном направлении, чтобы насекомое могло вытащить лапку, которая застряла между неровностями, а в противоположном направлении эти иголочки не сгибаются, чтобы лапка лишний раз никуда не проваливалась при беге. Роберт Фулл протестировал эти иголочки на крабах, и эффект был точно такой же. Краб, который был не способен бежать по сетке, с иголочками смог без проблем быстро передвигаться по сетчатой поверхности. Иголочки были добавлены на ноги робота, и он стал еще более ловким — смог перелезть через гладкие стальные рельсы, которые раньше представляли для него большую трудность.
Наблюдения за ящерицами показали, что при беге по сухому песку и по воде их лапы действуют как ласты, позволяя передвигаться с большой скоростью. Этот принцип лежит в основе создания робота Aqua RHex — очень ловкого водоплавающего родственника робота RHex.
Следующим рубежом для робота стала возможность взбираться по вертикальным поверхностям.
Некоторые насекомые, например муравьи, используют специальное клейкое вещество, благодаря которому они прикрепляются к поверхности. Но еще более интересный механизм есть у ящериц гекконов. Внутренняя поверхность их лап покрыта очень мелкими волосками, кончики которых расщеплены на множество еще более мелких волосков. Каждая лапка имеет около миллиарда таких расщепленных кончиков размером в 200 нанометров, что позволяет им очень тесно соприкасаться с поверхностью и прикрепляться к ней только за счет силы межмолекулярного притяжения. Этот механизм используется для разработки самоочищающейся клейкой ленты из полиуретана, которая обладает уникальными свойствами: она воздухопроницаема, легко отклеивается, не вызывает раздражения, может использоваться в воде.
Роберт Фулл также делится подробностями создания поисково-спасательного робота, который мог бы передвигаться в горной местности. Робот называется Rise, имеет 6 ног и хвост. В конструкции его стопы используются все упомянутые выше приспособления.
Rise действительно способен карабкаться по гладкой вертикальной стене, и Роберт убежден, что со временем роботу покорятся и более сложные поверхности.
Топ-10 технологий в бионике / Хабр
Учёные постепенно приближаются к тому, чтобы собрать полностью бионического человека, словно конструктор из деталей. Количество органов в человеческом теле, которые можно заменить хирургическим путём, велико как никогда.
Журнал LiveScience предлагает список самых интересных достижений современной бионики.
Восстановление костей
Ещё с 60-х гг учёным известно о белках, которые стимулируют восстановление костной ткани на повреждённых участках. К сожалению, технология никогда не работала нормально. Только в 2005 году был создан искусственный протеин, который воздействовал точно на определённый вид костной ткани. Протеин назвали UCB-1, и как раз сейчас начинается его активное использование в практической медицине.
Микросхема вместо гиппокампа
Заменить часть мозга не так просто, как восстановить кусочек обычного органа, но скоро даже это станет возможно. В университете Южной Калифорнии разработали чип, выполняющий функции гиппокампа (это важный участок мозга, который отвечает за кратковременную память, а именно за переход отдельных воспоминаний из кратковременной памяти в долговременную). Он повреждается при болезни Альцгеймера и других заболеваниях, так что подобный имплантант может вернуть многим людям полноценную жизнь. Автор изобретения Теодор Бергер в настоящее время продолжает тестировать свой микрочип.
Искусственные клетки
Зачастую, когда нужно ввести в организм лекарство, таблетки или инъекция не справляются с транспортировкой вещества до нужного участка тела. Профессор биоинженерии Дэниел Хаммер из университета Пенсильвании предлагает лучшее решение: искусственные клетки из полимеров, которые могут легко путешествовать по кровеносным сосудам по всему организму и доставить лекарство куда угодно.
Новые руки
Интеллектуальные протезы нового поколения подключаются к нервным окончаниям из мозга, так что управлять ими можно как обычными руками: миниатюрные моторы включаются буквально усилием мысли. Сигнал идёт по тем же самым нервным окончаниям, которые использовались для управления конечностью до её потери. В данный момент учёные продолжают калибровку системы, чтобы воспринимать нервные импульсы более чётко. Они хотят также добавить обратную связь, чтобы в мозг поступала информация с сенсоров на руке о температуре, вибрации и давлении.
Мобильная почка
Для людей с поражёнными почками поддержание организма в нормальном состоянии — вывод токсинов и поддерживание нормального баланса в крови — требует длительных процедур. Несколько часов они подключены к большой машине, выполняющей диализ. Новая портативная почка достаточно мала и легка, так что её можно даже носить с собой. Она полностью автономна и работает даже лучше, чем стандартная машина для диализа, потому что выполняет свою функцию 24 часа в сутки 7 дней в неделю, как настоящая почка.
Бесчувственный вкус
Специально для производителей питания учёные из университета Техаса создали электронный язык, который чётко отличает один вкус от другого. Микросенсоры фиксируют содержание различных видов сахаров в продукте и изменяют цвет в зависимости от этого. Такой язык не способен понять, где хороший вкус, а где плохой, но зато с его помощью можно точно зафиксировать вкус конкретного натурального продукта, а потом подобрать искусственную смесь, которая будет на вкус точно такой же.
Портативная поджелудочная железа
Уже в ближайшие годы на рынке появится устройство, способное частично взять на себя функции поджелудочной железы. Как известно, именно этот орган содержит эндокринные железы, выделяющие инсулин и глюкагон — гормоны, регулирующие метаболизм углеводов. Эти гормоны обладают противоположным действием: глюкагон повышает, а инсулин понижает уровень сахара в крови. Новое устройство сразу и измеряет уровень сахара в крови, и выделяет инсулин в нужных количествах, значительно облегчая жизнь диабетикам.
Умное колено
Нормальное человеческое колено не обладает совершенно никаким интеллектом, в отличие от искусственного аналога, созданного в MIT. Если прежние репликанты для колена нужно было программировать, то это совершенно автономно способно подстраиваться под хозяина, перенимать его манеру ходьбы. Сенсоры учитывают даже тип обуви и поверхность, по которой человек идёт.
Восстановление функциональности corpora cavernosa
Специалисты из Wake Forest University сумели вырастить в лабораторных условиях новую мышцу corpora cavernosa, которая является «мотором» репродуктивного органа мужчины, наполняя пенис кровью во время эрекции. Эксперимент на кроликах завершился удачно: после удаления старой мышцы была создана новая и функционировала нормально уже через месяц после операции.
Bionic Humans: 10 лучших технологий
Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию.
Вот как это работает.
Bionic Humans
В отличие от шимпанзе, человеческий мозг с возрастом уменьшается. Возрастная потеря объема мозга может быть ценой, которую мы платим за то, чтобы пережить наши репродуктивные годы. (Изображение предоставлено: Национальный институт общих медицинских наук, Артур Тога, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес)Ученые приближаются к созданию бионического человека или, по крайней мере, за 6 миллионов долларов. Сегодня мы можем воспроизвести или восстановить больше органов и различных частей тела, чем когда-либо прежде. От дарования зрения слепым до создания языка, более точного, чем любой человеческий вкус, джентльмены, у нас есть технология.
Бионические глаза
Пациент будет носить специальные очки с небольшой цифровой камерой, установленной в объективе. У камеры будет провод, который связывается с внешним сигнальным процессором, который, в свою очередь, будет переводить изображение с камеры в нейронные импульсы и передавать их по беспроводной связи на имплантированный стимулятор.
Стимулятор будет управлять электродом, хирургическим путем помещенным в мозг, и передавать изображения в зрительную систему. (Изображение предоставлено Джоном Пезарисом, адаптировано с разрешения D.H. Hubel) Когда вы слепы, способность видеть даже основы света, движения и формы может иметь большое значение. И протез сетчатки Argus II, который в настоящее время проходит испытания FDA, и система, разрабатываемая научным сотрудником Гарвардского университета доктором Джоном Пезарисом, записывают основную визуальную информацию с помощью камеры, преобразуют ее в электронные сигналы и отправляют по беспроводной связи на имплантированные электроды. В Argus II используются электроды, вживляемые в глаза, которые могут помочь людям, частично утратившим функцию сетчатки. Система доктора Пезариса, все еще находящаяся на ранних стадиях исследований, будет полностью обходить глаза, отправляя визуальные данные прямо в мозг. Обе системы бионического глаза будут лучше всего работать с людьми, которые когда-то могли видеть, потому что их мозг уже знает, как обрабатывать информацию.
«Зрительный мозг зависит от визуального опыта для нормального развития», — объяснил Пезарис.
Вросшая кость
(Изображение предоставлено Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе)С 1960-х годов исследователи знали о белках, которые могут побуждать костную ткань к выращиванию собственных заплат для отсутствующих или поврежденных частей. К сожалению, эта технология никогда не работала идеально, часто выращивая неправильный тип ткани или наращивая кость там, где кости быть не должно. В 2005 году исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе решили эту проблему, используя специально разработанный белок, способный запускать рост только определенных типов клеток. Этот белок, названный UCB-1, в настоящее время используется для роста новой кости, которая может срастаться и обездвиживать секции позвонков, облегчая сильную боль в спине у некоторых пациентов.
Портативная поджелудочная железа
(Изображение предоставлено stock.xchange) Искусственная поджелудочная железа, способная контролировать уровень сахара в крови человека и регулировать уровень инсулина в соответствии с потребностями организма, вероятно, появится на рынке в течение нескольких коротких лет.
, сказал Аарон Ковальски, директор стратегических исследовательских проектов в ювенильном фонде исследования диабета. Ковальски сказал, что устройство изначально будет представлять собой комбинацию двух существующих технологий: инсулиновой помпы и непрерывного монитора уровня глюкозы. Это приспособление может помочь инсулинозависимым диабетикам вести более нормальную жизнь и облегчить им возможность избежать уродующих и опасных для жизни побочных эффектов слишком низкого или слишком высокого уровня сахара в крови.
Нечеловеческий вкус
(Изображение предоставлено stock.xchng) Язык может быть мощным инструментом, но также очень субъективным, сказал Дин Нейкирк, профессор вычислительной техники и электротехники Техасского университета в Остине. Когда пищевые компании хотят каждый раз создавать один и тот же вкус, они обращаются к электронному языку, устройству, разработанному Нейкирком и его командой для анализа жидкостей и определения их точного химического состава.
Язык Нейкирка использует микросферы, крошечные датчики, которые меняют цвет при воздействии на определенные цели, такие как определенные виды сахара. В результате получается система, которая не может заменить человека, который говорит: «Это вкусно!» но может убедиться, что химия хорошего вкуса надежно воспроизведена.
Новые конечности
i-LIMB имеет гибкие гидравлические приводы, расположенные непосредственно в подвижных суставах пальцев. (Изображение предоставлено: Touch Bionics, Университетская ортопедическая больница) Люди с ампутированными конечностями теперь могут использовать протез руки так же, как и настоящий: силой мысли. Разработанная доктором Тоддом Куикеном из Реабилитационного института Чикаго, «бионическая рука» связана с мозгом здоровыми двигательными нервами, которые раньше шли к отсутствующей конечности пациента. Эти нервы перенаправляются в другую область тела, например, в грудь, где нервные импульсы, которые они несут, могут быть уловлены электродами в бионической руке.
Когда пациент решает пошевелить рукой, нервы, которые посылали бы сигнал в настоящую руку, вместо этого посылают его в искусственную. Теперь команда доктора Куикена работает над улучшением руки, используя уцелевшие сенсорные нервы для передачи ощущения температуры, вибрации и давления от бионической руки в мозг пациента.
Умное колено
(Изображение предоставлено Ossur) Колено — это не часть тела, которую вы ожидаете думать самостоятельно, а RHEO, протез колена, разработанный исследователями искусственного интеллекта Массачусетского технологического института Хью Херром и Ари. Уилкенфельд действительно имеет собственное мнение. Ранее электронные коленные системы обычно должны были быть запрограммированы техническим специалистом, когда пациент впервые их надевал. Колено RHEO, с другой стороны, само по себе создает реалистичные и комфортные движения, изучая то, как ходит пользователь, и используя датчики, чтобы выяснить, по какой местности он идет. Система делает ходьбу с протезом ноги более легкой и менее утомительной.
Носимая почка
(Изображение предоставлено 3Dscience.com)Людям с почечной недостаточностью для удовлетворения основных жизненных потребностей, таких как удаление токсинов из крови и поддержание сбалансированного уровня жидкости, требуются часы, подключенные к диализному аппарату размером с одежду. сушилка. Но новая портативная искусственная почка, достаточно маленькая и легкая, чтобы поместиться на поясной системе, могла бы изменить это. Несмотря на свои небольшие размеры, автоматизированная носимая искусственная почка (AWAK), разработанная Мартином Робертсом и Дэвидом Б.Н. Ли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, на самом деле работает лучше, чем традиционный диализ, потому что его можно использовать 24 часа в сутки, семь дней в неделю, как настоящую почку.
Искусственные клетки
(Изображение предоставлено Тоддом Макдевиттом, Технологический институт Джорджии) Иногда, когда вам нужно доставить лекарство в нужное место в теле, таблетка или инъекция не помогут.
У Дэниела Хаммера, профессора биоинженерии Пенсильванского университета, есть лучший метод: искусственные клетки, сделанные из полимеров, которые могут имитировать легкость, с которой лейкоциты перемещаются по телу. Эти фальшивые клетки, получившие название c, могут доставлять лекарства прямо туда, где они необходимы, что упрощает и делает более безопасным борьбу с некоторыми заболеваниями, включая рак.
Старик, новый пенис
Туляремия, или кроличья лихорадка, может передаваться от кроликов, енотов, скунсов или других мелких млекопитающих. (Изображение предоставлено Stock.xchng.) Эректильная дисфункция может лишить мужскую жизнь удовольствия, но Энтони Атала и его команда из Университета Уэйк-Форест придумали метод, который может вернуть весну многим парням. , шаг. В 2006 году Атала удалось вырастить новые кавернозные тела, губчатую ткань, которая наполняется кровью во время эрекции, для самцов кроликов, которым удалили собственные. Новая ткань была выращена из собственных клеток кроликов, и через месяц кролики вернулись к тому, что у них получается лучше всего.
Протезы для вашего мозга
изображение мозга. (Изображение предоставлено Dreamstime.)Заменить часть вашего мозга не так просто, как заменить конечность, но в будущем это может быть. Теодор Бергер, профессор Университета Южной Калифорнии, создал компьютерный чип, который может заменить гиппокамп — часть мозга, отвечающую за кратковременную память и пространственное понимание. Имплантат гиппокампа, часто повреждаемый такими вещами, как болезнь Альцгеймера и инсульт, может помочь поддерживать нормальную функцию у людей, которые в противном случае были бы серьезно инвалидами. Бергер все еще тестирует этот имплантат, но он хотел бы увидеть больше. Он даже написал книгу «На пути к запасным частям мозга» в 2005 г.
Слово «бионический» было придумано Джеком Э. Стилом в 1958 году и, возможно, произошло от греческого слова «βίον», произносимого как «бион», означающего «единица жизни», и суффикса -ic, означающего «подобный» или «в манера», следовательно, «как жизнь». Некоторые словари, однако, объясняют, что это слово образовано от «
, то есть электроника, использующая фотоны в качестве носителя информации вместо электронов.
Он подтвердил результаты, сравнив электрические сигналы от его кремниевой сетчатки с электрическими сигналами, производимыми глазом саламандры, когда две сетчатки смотрели на одно и то же изображение.
