ПАТЕНТЫ  (ИЗОБРЕТЕНИЯ)  ПРИРОДЫ
и их использование человеком
   

  

Примеры патентов 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. Первые тараны точно воспроизводили бараньи лбы, чьи стычки на пастбищах показали надежность формы при множественных ударах. Греческие амфоры, доходящие до нас в целости через тысячелетия, во многом повторяют форму яйца. Природа изобрела для яичной скорлупы идеальную по прочности форму. Свойство этой формы таково, что нагрузка на одну точку передается всей поверхности скорлупы. Недаром и купола зданий, которые имеют яйцевидную форму, обходятся без промежуточных опор.

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.

Самое интересное в том, что чем интенсивнее развивалась техника, тем больше ее достижений ученые находили у живых существ. Неудивительно, что теперь процесс идет наоборот, то есть изучают явления природного «патента», а затем пытаются поставить его на службу Человека. Например, сейчас изучается обычный светлячок. Мы пока не знаем, как он излучает свой холодный свет. Процесс окисления без высокой температуры - вот и все, что известно. Но кто знает, какие источники освещения или энергии будут построены в будущем на этом принципе?

А 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.

Вспомним веселую передачу на радио о заседаниях КОАППа (Клуба охраны авторских прав природы) о рыбах-прилипалах. Ученые утверждают, что человек, открывший состав клея, с помощью которого морские прилипалы так прочно приклеиваются к поверхностям, и применивший его в промышленности, нажил бы состояние.

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 торцовые фрезы, способные за один проход снять слой металла по 50 мм и более.

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.

Природа снабдила полярных медведей белым мехом, что помогает хорошо маскироваться во льдах. Правда, при охоте за тюленями приходится лапой закрывать черный кончик носа. Вместе с тем, известно, что черная шкура лучше поглощает тепло, что было бы весьма кстати на Севере, где солнце еле греет. Так что, промахнулась природа-изобретатель? Отнюдь! Все дело, как установили ученые, в структуре волосков меха. У белого медведя волоски меха - пустые, причем внутренняя поверхность их шероховатая. Видимый свет, как по световоду перемещается внутрь, а ультрафиолетовые лучи проходят через пустотелые волоски почти без потерь. Под белыми волосками шкура имеет черный цвет, что позволяет интенсивно воспринимать подведенный солнечный свет.

Совершенно не нов принцип медицинского шприца. Всякий, кого хоть раз кусала пчела или оса, знает об этом «инженерном» достижении природы.

Но что поражает, так это обстоятельство, когда кажется, что в природе трудно найти что-либо отсутствующее из того, что создал человек! Двигатель внутреннего сгорания? С ним имеет полнейшее сходство слюнная железа клопа: и здесь и там цилиндр, поршень, клапаны, только в одном случае они хитиновые, а мы привыкли иметь дело с металлом.

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.

Мощное защитное оружие жука-бомбардира давно привлекало внимание исследователей. Самое легкое прикосновение к его телу вызывает сокращение мускульных стенок и двух секреторных желез, вырабатывающих химическое соединение сложного состава. Эти компоненты попадают в общую смесительную камеру, где вступают в бурную реакцию с образованием чрезвычайно едкого вещества - бензохинона и выделением большого количества тепла. Давление в камере резко повышается, и кипящая струя вырывается через отверстие в подбрюшье жука. Таким образом, природа предвосхитила не что иное, как бинарное химическое оружие: два соединения, порознь безвредные, при реакции дают настоящее боевое отравляющее вещество.

А совсем недавно были открыты еще более удивительные подробности работы «метательного механизма» бомбардира. Химик и эколог Томас Эйснер из Корнеллского университета (США) ухитрился зафиксировать все детали «выстрела» с помощью специально разработанных микродатчиков давления и высокоскоростной киносъемки. Как выяснилось, животное выпускает не сплошную струю, а отдельные порции бензохинона с интервалом всего 2 мс. Дело в том, что на выходе обеих секреторных желез стоят обратные запорные клапаны пассивного действия. Как только давление в камере подскакивает, они закрываются, и первая порция боевого вещества выбрасывается наружу. Упавшее давление позволяет клапанам вновь открыться под напором реагентов - и цикл повторяется. Так вот: весь этот механизм в точности соответствует принципу действия... двигателей реактивных самолетов-снарядов ФАУ-1, которыми нацисты обстреливали Лондон в дни второй мировой войны.

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.

Все, кто видел блестящие лаком красавцы-автомобили, восхищаются их равномерным покрытием. Достигается такое качество электростатическим методом покрытия. Частицы краски, получив в пистолете-распылителе электрический заряд, испытывают притяжение со стороны окрашиваемой поверхности. Попав на нее, частицы теряют свой заряд, но обеспечивают прекрасное качество и значительную (до 60 % по сравнению с другими способами окраски) экономию красителя. Что касается природы, то этот метод известен с древнейших времен. Только растения «распыляют» влагу на себя из атмосферы, заряжая самих себя. Происходит это следующим образом. На одревесневевших колючках и волосках растений пустынь в ветреную погоду накапливаются электрические заряды. Каждый, кто хоть раз расчесывался пластмассовым гребнем, ощущал, как притягиваются волосы. А растение так притягивает к себе из воздуха частицы влаги. Не удивительно, что кактусы, на 95 % состоящие из воды, растут в таких местах, где годами с неба не падает ни капли воды.

Но и эти «чудеса» не являются пределом фантазии для нашего учителя-природы. Мы уже упоминали о ее конструкторских решениях, изящность которых сопоставима с ажуром башен Шухова и Эйфеля. Когда Джозеф Пакстон, в молодости страстный садовод, принял участие в конкурсе на разработку павильона для Всемирной выставки в Лондоне (1851), его побуждало честолюбивое желание затмить конкурентов. Он хотел создать нечто, рождающее при гигантских размерах ощущение почти невесомости создания. Это должна была быть конструкция, позволяющая экономно расходовать строительные материалы и широко применять стекло, стекло и еще раз стекло. В то же время она должна была быть достаточно прочной. В архитектуре не было аналогов для подобного проекта, ибо новое не имеет образцов для подражания.

Правда, к тому времени 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.

В ФРГ в федеральных туристических бюро безошибочно предсказывают изменение погоды... лягушки. В Японии рыбаки и жители прибрежных районов, часто страдающих от штормов, повсеместно держат в аквариумах маленьких рыбок, которые заранее и совершенно безошибочно реагируют на малейшие изменения погоды. В Бирме, где во многих домах питон боа считается чуть-ли не домашним животным (дети играют с этой змеей, как с собакой или кошкой), его берут с собой в море. За несколько часов до ненастья питон выползает из лодки и плывет к берегу. Рыбакам остается лишь спешно следовать за ним.

Но вот один исторический факт о верности долгосрочных прогнозов... паука. Осенью 1794 года французская армия вступила на территорию Голландии. У голландцев не было ни солдат, ни пушек, чтобы задержать первоклассную для того времени армию французов. Они прибегли к хитрости и открыли шлюзы каналов, затопив дороги, обочины и поля. Путь врагу, казалось бы закрыт - французы уже начали готовиться к тому, чтобы покинуть Голландию. Но командующий войсками Шарль Пишегрю вдруг отдал приказ задержать отступление. Основанием для такого решения послужило полученное им тайное сообщение о неожиданном изменении поведения пауков: эти насекомые с удвоенной энергией начали плести паутину. А так они обычно ведут себя перед сухой и холодной погодой. Восьминогие «метеорологи» не обманули ожидания - после временного потепления наступили морозы, вода замерзла, и уже ничто не могло остановить французскую армию.

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. Природа в очередной раз щедро поделилась с людьми своими изобретениями.

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.

Обратите внимание на экологическую ситуацию в природе: там создан удивительный по эффективности механизм комплексной переработки всех отходов. Сейчас для человечества это - наиболее актуальная задача. Если бы нам удалось создать технологии переработки, подобные существующим в растительном мире, мы не сталкивались бы с жестокой реальностью загрязнения окружающей среды, отходами производства и быта, с которой вынуждено считаться все человечество.

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.

НОВОЕ ПОНЯТИЕ

БИОНИКА – направление кибернетики, изучающее структуры и жизнедеятельность организмов, с целью использования открытых закономерностей и свойств для решения технических задач.