В МИЭТ прошла лекция о бионике и ее воплощении в дизайне

Доцент Анастасия Тюрина рассказала о бионике и ее воплощении в дизайне

Доцент МИЭТ Анастасия Тюрина выступила в вузе с лекцией и мастер-классом по бионике. Лекция была посвящена удивительному сочетанию природы и достижений человека, а также тому, как бионика воплощает себя в дизайне. M24.ru приводеит текстовую версию лекции.

- Сегодня наша лекция будет посвящена бионике, ее взаимодействию с природными патентами. И более узкий сегмент – микрофотография – позволяет нам познавать различные природные секреты, чтобы использовать их в науке.

Первый слайд, который я хочу вам представить, достаточно общий. Некая формулировка самой бионики. Бионику можно называть наукой - я бы называла ее некой межнаучной дисциплиной, - которая соединяет в себе элементы познания как в технических науках, так и в науках эзотерических, т.е. наблюдение, анализ, запись, зарисовки, и фотография позволяет нам все больше и больше узнавать о природных элементах, которые мы могли бы использовать на благо природы.

Различают бионику биологическую, которая непосредственно наблюдает биологические объекты; теоретическую, которая составляет различные гипотезы и прогнозы на предмет того, как мы могли бы использовать это знание; и бионику техническую.

Например, в данном слайде мы видим построение подводной лодки по прототипу рыбы. Рыба, думаю, вам всем знакома. Сегодня уже эта лодка существует. Уникальность ее в том, что в отличие от обычной подлодки она имеет возможность выпрыгивать из воды и погружаться в нее, т.е. совершать те же движения, которые характерны для касатки.

Бионика – это не какая-то современная наука. Еще Леонардо да Винчи интересовался какими-то техническими моментами. Все мы знаем его изобретение вертолета, когда он наблюдал падение семечки ясеня, которая крутилась, - таким образом возник этот прототип винта. Таким образом, он считается прородителем бионики, хотя формальным годом возникновения науки принято считать 60-е гг. нашего века (тогда как Леонардо да Винчи жил в XV веке).

Сейчас я расскажу о нескольких примерах использования современных бионических открытий.

Например, покрытие, которым в настоящее время снабжают днища кораблей и подводных лодок. Прототип взят с кожи китов и дельфинов, которая содержит в себе такие микроэлементы, которые позволяют им улучшать динамику перемещения под водой, снижать сопротивление водной среды и таким образом ускорять движение. На самом деле, изобретатели этого материала гнались не столько за увеличением скорости. Нет задачи пересечь океан в какие-то кратчайшие сроки, но мы должны понимать, что любое сопротивление – это расход электроэнергии. Эта задача приоритетная. Таким образом, снижая сопротивление воды, увеличивая скорость, мы снижаем потребление электроэнергии. Согласитесь, это достаточно актуальная проблема ввиду затрачиваемых природных ресурсов и экологических проблем, связанных с добычей и переработкой энергоресурсов и т.д.

Другой пример ниже – вы видите стрекозу – это пример из авиации. На заре авиации, как вы знаете, было много неудачных опытов. Разобрав и проанализировав, что же с ними не так, ученые, рассмотрев стрекозу, увидели, что в крыльях есть утолщения. Эти утолщения также стали использовать в конструкции крыльев самолетов и других летательных аппаратов. Казалось бы, элементарная вещь – утолщение, но, не наблюдая ее, додуматься было бы не так просто.

В настоящий момент ученые уделяют много времени и сил для того, чтобы изучить различные не только формообразующие моменты биологии в живой среде, но и системы функционирования. Например, электрические органы ската воспринимают потенциал в одну сотую микровольта. Я думаю, если вы знакомы с техникой, понимаете, насколько минимально это значение, которое при каком-то удачном воспроизведении в технической среде может помочь в решении технических задач – той же экономии электроэнергии или увеличении безопасности приборов и т.д. Например, орган гремучей змеи воспринимает температуру до одной десятитысячной градуса. Можете себе представить, насколько тонок этот орган, и если бы ученым удалось воспроизвести эту систему в жизни, то мы бы получили более точные методы исследования температур в каких-то средах.

Что касается применения бионики в технике, самый простой пинцет (думаю, вы все с ним знакомы). Аналогом этого пинцета стал клюв обычной птички веретенник, которая обитает во многих полосах планеты, бродит по болотам и выискивает там себе добычу. Соответственно, клюв – это комбинированный инструмент. Одновременно он служит в качестве ковыряющего, ищущего и захватывающего предмета. По такому же принципу работают ножницы. Вы все знаете, что одна часть зафиксирована, вторая имеет свободный ход. По такому же принципу был изобретен пинцет, он используется во многих отраслях, в частности, в медицине - в хирургии в качестве зажимов.

Еще очень интересная и всем знакомая присоска. Примеров в природе мы знаем немало – например, осьминог. Он захватывает свою жертву щупальцами, присасывается огромным количеством присосок, они ему также помогают двигаться по скользящим поверхностям. Также присоски наличествуют у квакши обыкновенной, которые помогают ей удерживаться на листьях деревьев. Принцип очень простой, вы его все знаете: прислоняется материал, из него выгоняется воздух, таким образом какой-то объект держится. В частности, мы это используем в жизни, например, в качестве крепления к автомобильному стеклу, чтобы не занимать руки при разговоре по телефону.

Гидрофон. Роберт Вуд изобрел гидрофон, когда наблюдал за ушной раковиной тюленя. По этому принципу он его и выстроил. Наблюдая за тюленем, можно было понять, что он слышит на огромные расстояния под водой, где существует определенное сопротивление, хотя не имеет внешней ушной раковины, как человек. У него эта раковина почти вся внутренняя. По этому принципу и был изобретен гидрофон, которым пользуются все навигационные системы.

Также интересен пример с самым обыкновенным кротом. Подземные переходы – достаточно молодые инженерные сооружения. В Москве сразу несколько подземных переходов открыли только в октябре 1959 года. Казалось бы, люди уже вышли за пределы нашей солнечной системы, а переход в Москве только открылся в 59 году. Это иллюстрирует то, как семимильными шагами развивается прогресс.

Ученые долго наблюдали за обычным кротом, как он роет свои ходы. И вот один инженер опустил в ящик с утрамбованной землей крота и просвечивал его рентгеном, чтобы посмотреть, что же там происходит. Оказалось, что он все время крутит головой, вдавливая грудь в стенки тоннеля. Он же не кит, и не выплевывает всё наружу. Куда он девает землю, которую только что прорыл? Для этого ему нужны мощные лапы, которыми он "подковыривает", и головой утрамбовывает.

На основе этого наблюдения был создан инструмент "искусственный крот". Он не используется повсеместно, хотя очень полезен. Он позволяет рыть тоннели или используется для ремонта каких-то сооружений без нарушения существующих конструкций. Например, в зоне мостов или существующих тоннелей – там, где нельзя перекрыть полностью движение или подлезть другим мощным трактором или краном.

Самым наглядным будет изобретение липучки. Мы все пользуемся липучкой, она есть у нас на одежде, обуви, рюкзаках. Вот в 55 году швейцарский инженер Жорж де Местраль, гуляя со своей собакой, обнаружил, что к ее шерсти что-то все время прилипает. Он рассмотрел детально это растение – плоды дурнишника – и в результате он запатентовал липучку, которая сначала использовалась в военном обмундировании, но постепенно перешла в гражданскую сферу, мы ее по-прежнему используем в жизни.

Дальше я бы хотела вам рассказать о применении бионики в архитектуре. Всем известна Эйфелева башня – символ Парижа. Вы удивитесь, но прототипом ее конструкции послужило строение большой берцовой кости человека. Ученые, рассмотрев внимательно берцовую кость, произведя ряд тестов и экспериментов, выяснили, что она способна в вертикальном положении выдерживать нагрузку в одну тонну. Человек на самом деле не так слаб, как кажется.

Герман фон Майер, изучая ее строение, заметил, что изнутри она покрыта сетью миниатюрных косточек, или более пористой структурой, которая составляет сетчатую оболочку. Сетчатые конструкции всегда самые прочные, потому что имеют пересечения углов, которые добавляют прочности своей основе. В 66 году Карл Кульман использовал эти опыты для создания системы распределения нагрузки, а уже через 20 лет Эйфель как ученый, инженер и архитектор представил миру свое детище.

Еще один очень известный архитектор – Антонио Гауди. Если вы бывали в Барселоне, этот город практически полностью посвящен ему. Гауди как никто другой в своем творчестве использовал биологические примеры, биологические формы, вдохновлялся ими - и в результате создавал архитектуру, которая полностью отражает принципы закономерности строения в живой природе – практически полное отсутствие прямых углов или каких-то острых элементов. Если мы посмотрим, то не обнаружим в природе ничего строго квадратного, прямоугольного. Это уже создание человеческих рук, в природе этого не существует. Хотя стоит отметить, что он подвергался определенной критике своих современников: многие не верили, что эти конструкции могут быть прочны. Но оказалось, что они не просто прочны, но иногда даже лучше, чем многие классические.

Также в современном мире мы можем наблюдать много архитектурных сооружений, построенных по принципу бионики. Справа вверху вы видите здание правления банка в Монреале, далее – шанхайский небоскреб - такой зеленоватый, - его назвали кипарис, потому что он похож. Это модель, т.к. фотографию сделать невозможно. Он настолько высокий, что облачность помешает снять полностью, снизу это просто невозможно. Благодаря конструкции - подсмотренной в природе системе распределения нагрузки (дерево кипариса) - мы получаем возможность такого огромного строительства многоэтажного.

Рядом с ним находится небоскреб-кокон, а внизу – всем известная сиднейская опера, которая сделана по прототипу панциря ракушки.

Сейчас я покажу некоторые биологические конструкции и плавно перейду к тому, как это связано с тем, что может делать дизайнер, исследователь, технолог и т.д.

Большая черно-белая фотография, которую вы видите, сделана мною в рамках нашего института, это сильно увеличенная фотография семечки - чуть дальше вы видите, какая она была на самом деле. Т.е. вы видите, как сложна структура этого элемента. Физический размер этого семени был порядка одного миллиметра. При таком огромном увеличении мы можем увидеть конструкции. Внизу вы видите различные сетчатые конструкции, которые используются в архитектуре при современном строительстве: вертикальное озеленение, сферические формы, ну и более фантазийные конструкции, которые используются в каких-то парках, как элементы именно парковой архитектуры и т.д.

Конструкции, используемые в архитектуре и дизайне, - это паутина, пчелиные соты, муравьиное гнездо, мочалка, в основном, конечно, клетчатые мембраны.

Очень интересный пример с паутиной, которую плетет паук. Как оказалось при исследовании нагрузки на паутину, ее прочность составила больше, чем прочность стали, в приложении усилия на разрыв. Это означает, что если бы ученым удалось создать материал, по прочности соответствующий паутине, но имеющий другие физические размеры, то мы бы получили материал легкий и достаточно прочный. Предположим, если бы могли создать огромную паутину, диаметр плетения которой составлял порядка 15 см, то паутина такого размера могла бы остановить самолет в воздухе на полном ходу. Паук, который плетет паутину, вырабатывает определенные белки, которые он далее обрабатывает под действием кислорода и т.д. Как раз эти белки ученые сейчас пытаются синтезировать в лабораториях. Это очень интересные моменты.

Изучение форм живой природы, конечно, бывает различным. Ученые иногда натыкаются на интересные находки, смотря в определенные специальные приборы: микроскопы, телескопы, тепловизоры, рентгены и т.д. Дизайнер же, если у него нет всего этого под рукой, только визуально может наблюдать. Но это не мешает ему делать выводы в своих наблюдениях, делать зарисовки, выявлять какие-то закономерности и использовать это в своей работе.

Однако зарисовки – это уже процесс деятельности нашего внутреннего фильтра. Например, известный бактериолог Роберт Кох, в честь которого названа небезызвестная палочка, призывал ученых отказаться от зарисовок объектов и пользоваться микроскопом, потому что зарисовки редко бывают схожи с оригиналом, они более красивые, каждый в них что-то свое привносит. Таким образом, это не всегда объективно, они проходят через интерпретацию автора, тогда как фотография, естественно, объективна.

Но вы должны понимать, что микрофотография стала доступна не так давно. Самые первые микроскопы были биологические и позволяли видеть только бинокуляр – это когда вы двумя глазами смотрите. Соответственно, только один человек мог видеть то, что происходит под микроскопом. Плюс это были плоские изображения. Позже появились стереомикроскопы, которые позволили видеть объем, можно было уже помещать для рассмотрения более крупные объекты. С появлением компьютерных технологий мы получили возможность фиксировать то, что мы видим, и даже не просто фиксировать, но и транслировать всем остальным.

Внизу вы видите семечки, которые я также получила, снимая нашим микроскопом на кафедре общей физики. Сейчас об этом проекте расскажу подробно. Справа семечка мака. Употребляя булочку с маком, вы теперь будете знать, как выглядит эта семечка, какая у нее сложная структура. А рядом с ней, слева, менее круглая - это семечка плода маракуйя - тоже иллюстрирует достаточно интересную структуру.

Современные микроскопы позволяют, конечно, творить чудеса. В частности, растровый электронный микроскоп. Вот как он выглядит. У нас на кафедре общей физики стоит примерно такой же. Микроскоп стоит огромных денег. Принцип его работы следующий: в специальную камеру помещается образец, предварительно очищенный и с нанесенным на него тончайшим слоем золота. После напыления золота объект помещается в камеру, откачивается воздух, создается вакуумное пространство. Разгоняется заряд и, отталкиваясь от поверхности, формирует максимально четкое изображение. Таким образом, говорить о том, что это фотография в прямом смысле, наверное, нельзя. Фотография – это все-таки система получения снимка с помощью света, без света мы фотографию получить не можем. Тогда как в этой камере света нет. То изображение, которое вы видите, - это изображение, достроенное, скажем так, бомбардировкой заряженный частиц. Это означает, что я могу сколь угодно много приближать объект и получать четкое изображение. Предел – миллионы крат.

Вот фотография снежинки. Это не искусственная, а самая обычная снежинка. Справа – фотография текстуры поверхности кремния. Изучением этих поверхностей занимаются все наши технические специалисты. Выращивая определенный кремний, они тем самым выявляют дефекты, которые могут возникнуть на поверхности того или иного кристалла, будет он дальше хорошо работать в микросхеме или нет.

У нас с технарями возникло интересное взаимодействие. Все очень сильно удивились, когда в какой-то момент я показалась на пороге их кафедры с какими-то своими семечками. Конечно, сначала они долго думали, как со мной поступить, но в итоге пошли навстречу. Единственное, что нам не удалось сделать, – это нанести золото. Потому что это образец органический. Неизвестно, как бы он себя повел в этой установке, сломать которую было бы не просто жалко, это было бы… она действительно очень уникальна и дорога. Поэтому мы не стали использовать только золото. И вот что удалось получить. Это одна и та же семечка. Все открытия, которые в дальнейшем становятся самыми интересными, происходят случайно. Наверху вы видите семечку, которая в большей степени похожа на какую-то морскую живность. И вы видите разное распределение белых участков. Из-за того что золото не было нанесено, заряд начал расплавлять этот объект. Более светлые участки появляются там, где он начинает плавиться, из-за этого мы видим такой эффект. Когда на это смотрят фотографы, они не понимают, как это было подсвечено. Когда я говорю, что там света не было вообще, они в первый момент теряются. Ну и, соответственно, ниже вы видите увеличение, которое можно получить. Я выделила специально квадратиком зону, которую ниже обозначила.

В чем большой плюс человека, работающего в графических программах, например, дизайнера или просто человека интересующегося? Нельзя сделать квалифицированную технику, которая бы решала задачи ученого и художника, это логично. Микроскоп не имеет выводного устройства (принтера), которое бы делало фотографии, которые потом можно было бы экспонировать в огромном размере. Например, для популяризации науки где-то на выставке. Здесь уже в игру вступают различные графические редакторы, например, всем известный "Фотошоп", который позволяет кадрировать, удаляя лишние объекты, убирать какую-то пыль, улучшать контраст. Но самое главное - он позволяет изменить масштаб. Получив увеличение, например, в 10 крат, и еще в 10 раз увеличив изображение в фотошопе, я получу стократное увеличение. Но существуют пределы качества, пределы технического умения. Можно получать инверсивные изображения, которые помогают всем интересующимся и ученым, дизайнерам дальше вдохновляться и создавать свои объекты.

В конце я бы хотела вам показать некоторые элементы удивительного сходства, которое мы наблюдаем в мире. Вы видите хоботок бабочки при сильном увеличении, разрезанную ракушку наутилуса – моллюска, который сохранил свою морфологию с древних времен, и лестницу в Ватикане. Здесь можно говорить, что просто ракурс похожий специально был выбран, но смысл спирали - он на самом деле присутствует везде. И это одна из наиважнейших форм жизни, которая также используется и в архитектуре, и в приборостроении, и в технике, и в любых сферах, которые вы только можете предположить.

Дальше я бы хотела вам показать видеозарисовки, некоторые из них на немецком языке, я буду комментировать.

Для начала я бы хотела показать вам этот ролик, раз уж мы заговорили о насекомых. Я думаю, вы убедились, что, рассматривая под микроскопом глаз обычной бабочки, моли или мотылька, ученые пришли к выводам, как это можно применить в технике.
Интересный фрагмент сейчас вам покажу также с открытием ученых. Это эффект лотоса. Мы с вами видим лист, на который выливается вода, которая вся скатывается. Рассмотрев под микроскопом строение этого листа, ученые обнаружили, что оно настолько мелкое, что никакое вещество никакой консистенции (вот это клей) туда попасть не может. Это такой эффект самоочистки лотоса, растущего на болотах. Соответственно, вот замечательная работа ученых. Лотос в природе самоочищается.

Примерно таким же составом стараются покрывать стекла автомобилей, чтобы в дождь и непогоду обеспечить безопасность движения. Усиливая это явление, можно добиться каких-то уникальных вариантов. Вот так выглядит эффект самоочистки. Это смоделированная микроструктура листа, на ней какие-то частицы грязи – песок или опилки. Эта капля воды не может проникнуть в поверхность, таким образом, она в себя вбирает грязь, позволяя листу самоочищаться. Это уже сейчас используется в современной науке и в жизни. Часть поверхности покрыта этими элементами, часть не покрыта. Мы льем на нее краску и видим, что где-то она отталкивается, где-то нет.

Два металлических стержня, один из которых обработан, опущены в масло. Там, где он обработан, масло не прилипает. Вот, например, рабочие перчатки, которые мы опускаем в воду. Одна из них пропитана, вторая не пропитана этим составом. Прислоняем и смотрим: перчатка, пропитанная составом, воду в себя не вобрала. Также перчатки рабочие опускаем в грязь. То же самое: одна покрыта, другая – нет. Очень удобно: на одну липнет, на другую – нет. Также проверяется в работе с маслом. Одна пропитана, мы на нее льем, вторая не пропитана, она маслом пропиталась, его уже ни отмыть, ни отстирать не получится. Это же используется на фасадах зданий: машина проехала, грязь на фасад музея налепила. Если бы он был пропитан, остался бы чистым. Это актуально для стран, где погода не самая лучшая.

Удивительно как жидкость себя ведет на такой поверхности, вот мы выливаем капельку. Это все вода. Она держит форму и не выходит за границы, потому что такой эффект покрытия существует.

Это обычная краска, выливаем ее на панель. С обработанного участка все скаталось на половину, где не обработано. Пластиковые поверхности тоже. Т.е. любой тип поверхности можно обработать этим материалом, и он не будет вбирать в себя жидкости, грязь и т.д.

Вот, например, молотки опускают в сырой бетон. Он же моментально застывает. Вот молоток, который был обработан, ничего на себя даже не прицепил, хотя это металл. Практически все материалы могут быть покрыты – и резина, и пластик, и металлы. Очень практично применение на обуви: вот мы получили результат обработанной обуви и необработанной. Я думаю, все понимают, о чем речь, что это очень полезно.

На этом я закончу свою лекцию. Я бы хотела, подводя итоги, сказать следующее: мы живем в удивительное время, во время, когда технологии шагнули вперед - даже за некоторыми мы не успеваем. Таким образом, то, что не было доступно 50 лет назад, например, растровые электронные микроскопы, доступно нам сейчас. В будущем это будет все более доступно. Еще 10 лет назад мы не могли вообразить, что в нашу жизнь войдут 3D-принтеры, а сейчас мы повсеместно можем их использовать. Придумали себе какую-то новую форму телефона и тут же распечатали на 3D-принтере.

Технологии – это удивительная вещь. Единственное, что позволяет нам до сих пор вдохновляться, и место, где мы до сих пор можем черпать эту фантазию, – это природа. Наблюдая за ней не только с помощью нашего инструмента (глаз) и осмысливая это нашим инструментом – мозгом, - а используя инструменты сложные технически (микроскопы, телескопы, какие-то дополнительные исследовательские приборы), мы все больше и больше эту природу познаем и все больше и больше у нее заимствуем. Берем ее патенты и используем на благо человечества.

Задач перед человечеством стоит очень много: начиная от экономии электроэнергии, заканчивая экологией, а также различными улучшениями сфер нашей жизни.

Я думаю, это должно вас заинтересовать. Независимо от того, какую профессию вы себе выберете в будущем, помните, что многие решения лежат у нас перед глазами. Но задача - их увидеть, осмыслить, проанализировать, и если это получается с помощью современных инструментов, то у вас есть все преимущества.

Спасибо за внимание!