Патенты природы

• Величайший в истории изобретатель – это природа, которая нас всех создала. С помощью эволюции за два-три миллиардов лет она терпеливо перепробовала множество вариантов всего живого. Судя по сделанному, трудно утверждать, что использовался только метод проб и ошибок, а не современные методики, предполагающие достижение идеального конечного результата.Люди издавна учились у природы.
  
  Человек стал обдуманно, методически и в больших масштабах сравнивать живые организмы с созданными им приборами и машинами. Увы, сравнение оказалось отнюдь не в пользу приборов и машин. И вот, убедившись в своем отставании, Человек создал в технике целое направление использования «патентов природы», называемое бионикой.
  
  Позаимствовать у природы есть что. Например, люди гордятся высокопрочными сталями, этим «хлебом» машиностроения, но все они уступают обычной паутине в удельной прочности (отношении прочности на разрыв к весу). Представляете, какие ажурные конструкции неслыханной прочности парили бы над Землей, если будет создан искусственный материал с качествами паутины.
  
  Перечислим ряд примеров, когда «патенты» природы исправно служили человечеству.
  Экскаваторы, у которых в средней части ковша полукруглой формы имеются выдвинутые вперед зубья, отличаются высокой производительностью. Вспомните, у скольких животных резцы, клыки, бивни парой выдвинуты вперед и станет ясно, какой древнейший патент использован в современной технике. Кстати, когда палеонтологи обратили внимание инженеров на то, что гигантские динозавры, весившие десятки тонн, должны были перемалывать большое количество пищи, специалисты изучили зубы этих монстров. Оказалось, что сидевшие тройным рядом друг за другом зубы - это изумительные инструменты. Сейчас по их подобию созданы необычайно производительные буровые коронки и оригинальные
•                         
• Интересна история создания гидрофона. Это - подводный микрофон или, говоря доступно, искусственное подводное ухо. Но, когда оно было установлено под днищем корабля, то во время его хода шум водяных струй заглушал все другие подводные звуки. И тогда люди задались вопросом: почему же этот шум не мешает слышать, например, тюленю, когда он движется под водой? Подробно изучив устройство тюленьего уха, биологи обнаружили специальный ушной обтекатель, подобием которого сейчас оснащены все гидрофоны.
  
  Вообще в истории заимствовании Человеком изобретений природы есть два варианта: например, когда, заинтересовавшись тем, как муха ползает по потолку, инженеры изучили этот феномен, или когда, задавшись целью создать новую технику - искали природные аналоги. Кстати, муха - настоящий кладезь технических шедевров: вакуумные присоски на лапах, обладание изумительными пилотажными «приборами», а некоторые виды африканских мух еще и развивают скорость в тысячу км/ч. За крыльями мухи были обнаружены жужжальца - замечательный навигационный прибор. С его помощью муха во время полета не теряет ориентировки даже при самых резких поворотах - на крутых виражах, как говорят летчики. Инженеры построили аналогичный прибор для самолетов - гиротрон. Но, к чести Человека, во всех книгах сделана ссылка на этот патент природы.
  
  Конструкторы самолетов долго боролись с явлением известным у летчиков как «флаттер», когда от перегрузочных вибраций самолет почти мгновенно разрушается в воздухе. Решение было найдено мучительно, после многочисленный аварий и жертв. Проблему блистательно решил математик М.В. Келдыш. Лишь потом было обнаружено изобретение природы: у стрекозы на крылья есть птеростигмы - утолщения, чтобы крылья не сломались в полете.
  
  Все современные решетчатые фермы перекрытий, мостов, крыш громадных спортивных залов имеют своим аналогом надкрылья жука. А конструкции сот у пчел оказались настолько уникальными, что их применение в технике было как бы заранее предопределено. В частности, самая ответственная часть вертолета - винт, имеет сотовую конструкцию, обеспечивающую высочайшую надежность. Эта же конструкция составляет основу солнечных батарей космических станций, что позволяет при минимальной массе достигать больших размеров по площади.
  
  Самое интересное, что заимствования у природы так разнообразны, касаются любых сфер человеческой жизни и деятельности. Вот еще несколько примеров. Изобретатель А.И. Игнатьев, отдыхая на даче, забавлялся с котенком. Когда тот царапнул его, инженер задумался, а почему собственно когти кошки, зубы зайца и белки, клюв дятла постоянно острые? Игнатьев пришел к выводу, что самозатачивание происходит благодаря многослойной конструкции зубов – более твердые слои окружены более мягкими. При работе эти последние испытывают меньшую нагрузку, чем более твердые, поэтому первоначальный угол заострения не меняется. Этот принцип Игнатьев воплотил в самозатачивающихся резцах.
  
  Когда начались работы по конструированию подземохода, во всех проектах машина отбрасывала грунт назад в отличие от крота, оставляющего за собой туннель. Инженер Александр Требелев в ящик с утрамбованной землей запустил крота и просвечивал ящик рентгеном. Оказалось, что крот все время вертит головой, вдавливая грунт в стенки туннеля. «Искусственный крот» стал точно повторять движения живого и оказался весьма удачным созданием. Во всяком случае, именно с его помощью «прокалывают» грунт под полотном железнодорожных путей, под шоссейными дорогами и в других местах, где нельзя нарушать ранее возведенные сооружения.
  
  Ультразвуковая локация у летучих мышей и особое устройство кожи дельфина, благодаря которому снижается сопротивление воды при движении, теплолокатор, построенный по аналогии с таким же устройством у гремучей змеи, световоды, являющиеся почти копией оптоволоконной техники современности, а встречающиеся у некоторых типов светлячков -невозможно даже в беглом пересказе охватить все! Но природа неисчерпаема в своих тайнах, а у человечества нет предела в поиске нового. Мы продолжаем задавать себе вопросы, находя ответы и обогащая сокровищницу знаний.
•                         
• Лет через 30, когда принцип ультразвуковой локации у летучей мыши был, наконец, признан, Деннис Габор изобрел голографию. Прошел еще десяток лет, прежде чем произвел сенсацию лазер, и голограмма реально вошла в практику нашей науки и техники. А через год зоологи объявили, что акустический локатор летучей мыши дает голографическую картину. И это объяснимо. Летучая мышь, как и мы, любит видеть не плоское, а объемное изображение.
  
  Мы уже не очень отрицаем и возможно скоро признаем, что телепатия существует. А в природе она есть? Какими чувствами (или сигналами?) руководствуются тысячные стаи ласточек, когда вдруг все одновременно совершают крутой поворот в воздухе. И ни одна не столкнется с другой! На такой скорости! Возможно, раскрыв некоторые тайны природы, человечество будет вынуждено в корне пересматривать многие из привычных, но неэкономичных, нерациональных, энергоемких технологий. Даже на космической технике,этом сгустке человеческой гениальности, мы применяем сложнейшие электронные системы, чтобы обеспечить стабилизацию спутника в оптимальном режиме освещения его солнечных батарей Солнцем. А высшие растения проблему слежения за светилом решают настолько рационально, что можно лишь удивляться. И никаких исполняющих сервомеханизмов - это лишь одна из многочисленных функций самого растения.
• 
  Вероятно, вы уже видели по телевизору новые виды летательных аппаратов, которые вторгаются в авиацию развитых стран. Это – так называемые «летающие тарелки». Они и в самом деле похожи на корабли инопланетян, какими их описывают фантасты и очевидцы встреч с НЛО. Самое удивительное, что и этот вид дископланов давным-давно используется природой в важном деле - распространении семян. Присмотритесь внимательнее. Вам ведь попадались эти исключительно легкие образования, по форме напоминающие диски, в центре которых находятся семена или плоды. Если «продуть» эти создания природы в аэродинамической трубе, будут получены оптимальные результаты. И это не поражает - природа-инженер не делает ошибок. При сравнении контура крылатки ясеня и лопастей пропеллера крупного самолета выяснилось полное совпадение основных технических характеристик (отношение ширины к длине и величины углов атаки).
  
  В начале нашего столетия одни из пионеров воздухоплавания отец и сын Этрихи, фабриканты из Богемии, пытались найти удачную конструкцию крыла планера. Неудача следовала за неудачей и тогда стало ясно, что необходимо искать, находить и тщательно изучать уже имеющиеся образцы надежности. В технике в масштабе контуры подобных примеров не существовало.
  
  Долгое время приемлемой моделью крупного пассажирского самолёта для подражания он считал летучих мышей. С технической стороны это казалось нетрудным создать. Слева даны поперечные летательные перепонки. Однако не разрезы. Отчетливо видна возможность достичь столь же высокой, как у летучих, но совпадение обеих мышей, подвижности геометрии крыла привела к краху конструкций.
  
  Это вынудило Этриха для создания модели планера искать в природе образец, который имел бы жесткую, неподвижную конструкцию. Ему повезло. Оказалось, что семена одной из тропических лиан занонии (кстати, их размах - 14...16 см) представляют собой планер типа «летающее крыло». В последующие годы Этрих строил планеры только этого типа, которые в точности копировали свой природный аналог.
  
  Присмотритесь к своей одежде и обуви. Сейчас модны, так называемые, застежки «липучки». В самом деле, удобно: мгновенное движение и - застегнут клапан, почти герметично соединена ткань и т.п. А ведь существует эта система, кое-где вытесняя всем известную застежку-молнию, сравнительно недавно. Хотя плоды репейника (лопуха) цеплялись к одежде еще наших прапрадедушек и решение, казалось бы - очевидно.Как видно, когда нам удается подсмотреть и позаимствовать что-то у природы, это всегда - движение вперед, это часто - решение проблемы.
  
  Строители мостов уже доказали высокую несущую способность стальных конструкций. Но одно дело тяжелые фермы моста и совсем иначе должно было выглядеть крупное сооружение павильонного типа. И тут бывший садовод-любитель вспомнил о некоей растительной конструкции. Те из читателей, кому довелось бывать в Адлере, в парке «Южные культуры», любовались гигантскими плавающими в прудах округлыми листьями Виктории регии. Эти тарелки с высоко поднятыми краями, диаметром до двух метров, при незначительной толщине способны выдерживать вес взрослого человека. Своей высокой прочностью листья обязаны тому, что их нижняя поверхность представляет нечто вроде лучей, напоминающих спицы в колесе, соединенных между собой частым забором связок. Решение было найдено. До сих пор Лондон гордится своим Хрустальным дворцом, но если быть справедливым, то истинным победителем давнего конкурса надо считать тропическую лилию.
• 
  Огромное количество изобретений человека связано с необычными способностями живых существ «предсказывать» погоду и разные катаклизмы. Самое интересное, что живые «метеорологические приборы» всегда так точно улавливают изменения различных метеофакторов, что в век метеоспутников биосистемы часто оказываются надежнее и совершеннее технических. Обладают в различной степени способность метеорологов многие представители флоры и фауны - насекомые и птицы, водоплавающие и растения, причем, некоторые представители живого мира наделены даром удивительно точного долгосрочного (на недели, месяцы и целые периоды) прогноза. Люди давно используют этих представителей, хотя мы можем только догадываться и предполагать, каким образом животные и растения предвидят погоду.
•                             
•                         Воспользовавшись патентом природы,люди создали остро необходимый                                  морякам точно и безотказно работающий автоматический предсказатель                                  шторма. Тщательно изучив особый орган медузы - инфраухо, позволяющее                             животному улавливать недоступные человеку инфразвуковые колебания                                   частотой 8...13 Гц, являющиеся предвестниками шторма, они сделали такой                             прибор. 
• 
  Обобщим наши наблюдения. Много, очень много люди взяли для себя у живого мира. Однако, чем дальше движется прогресс, тем чаще мы обращаемся к патентам природы. Не зная, как растение кодирует и хранит информацию для будущих ростков, можно предположить, что открывший этот секрет изобретатель произведет революцию в электронно-вычислительной технике. Угадав, как работают биологические часы растений и животных, мы сделаем величайшее открытие. Изучив, как создаются управляемые перепады гидростатического давления в растительном организме, мы совершим революцию в гидравлике, в конструкциях гидравлических систем.
  
  Завершая рассказ о примерах бионики, обратившейся к опыту живой природы, необходимо еще раз напомнить очевидное.
  Живая природа - гениальный конструктор, инженер, технолог, великий зодчий и строитель, непревзойденный метеоролог. В ходе эволюционного развития в живых организмах сформировались многие весьма тонкие органы чувств, высокосовершенные механизмы обмена веществ, преобразования энергии и информации. Эти «биоинженерные системы» природы функционируют очень точно, надежно и экономично, отличаются поразительной целесообразностью и гармоничностью действий, способностью реагировать на ничтожные, едва уловимые изменения многочисленных факторов внешней и внутренней среды, запоминать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями.
  
  Какую бы задачу мы не решали, какую подсистему, устройство или механизм не разрабатывали, обязательно будет найдено уже имеющееся аналогичное творение универсальной мастерской - природы. И в подавляющем большинстве они далеко превосходят все то, что создано до недавнего времени инженерным творчеством человека .
  
  Хотя надо признать, что то, над чем природа трудилась миллиарды лет Человек создал за неизмеримо меньший период существования развитой материальной культуры. Будущие изобретатели должны брать у природы аналоги и прообразы своих решений.