Перспективы бионики

Получены обнадеживающие результаты по созданию легкого и прочного композитного материала, внутренняя структура которого в значительной степени повторяет строение перламутра раковин моллюсков. Исследования последних лет показали, что перламутр имеет поликристаллическую структуру. Составляющие его основу кристаллы прочного, но хрупкого минерала арагонита (на его долю приходится 95%) располагаются слоями, в пределах которых они ориентированы в различных направлениях. Органические вещества (главным образом белки) играют роль смазки, позволяющей пластинам скользить относительно друг друга и таким образом рассеивать энергию деформации, что существенно увеличивает прочность всей конструкции. Другим фактором, повышающим механическую устойчивость системы, являются «колонны», соединяющие слои. С учетом этих данных был получен многослойный керамический материал на основе суспензии оксида алюминия (глинозема) и полимера полиметилметакрилата. Его прочность превышает таковую составляющих компонентов в 300 раз. Полагают, что данный материал найдет широкое применение в различных областях машиностроения и медицины.

Другим прообразом для создания сверхпрочного полимерного материала послужила нить паучьей паутины. Особенностью ее структуры, с которой связывают свойство высокой механической устойчивости, является наличие множества мелких частиц нанометровых размеров, распределенных в белковой основе. По той же схеме был разработан новый материал. В качестве полимерной матрицы выступил полиуретан, в качестве наночастиц — пластинки глинистого минерала (толщиной 1 нм и длиной 25 нм). Достоинствами полученного материала является большая прочность во всех направлениях и очень незначительная деформируемость даже при высоких температурах (до 150°С).

Большой интерес представляют исследования по разработке материалов с «абсолютно» гидрофобной поверхностью. В основу замысла легли наблюдения за науками. Кончики их конечностей покрыты микроскопическими волосками, которые придают им резко выраженные водоотталкивающие свойства. При одинаковой толщине волоски значительно варьируют по длине и форме. Попытка имитации аналогичной «хаотичной» структуры поверхности с помощью пластиковых фибрилл дала положительный результат. Капля воды при движении по такой поверхности не оставляет за собой даже тончайшего следа, как это имеет место в случае других известных гидрофобных материалов.

Обсуждаются возможности создания электронных и вычислительных устройств нового поколения, обладающих специфическими свойствами нервной системы: миниатюрность, экономичность, высокая надежность (сохранение функциональной целостности при выходе из строя нескольких структурных элементов), гибкое восприятие информации извне, не зависящее от формы (тембр звука, цвет световых сигналов, почерк и т.д.), адаптивность и пластичность (оперативная смена программ деятельности с целью приспособления к новой ситуации).

Предпринимаются попытки создания искусственной сетчатки на кремниевой основе, в которой функцию светочувствительных элементов выполняют фототранзисторы, нейронов — транзисторы, нервных волокон — металлические проводники. Планируется разработка протеза, включающего наряду с такой сетчаткой камеру и процессор, который предполагается имплантировать в глазное яблоко больных, страдающих заболеваниями, сопровождающимися повреждениями сетчатой оболочки глаза.

Ведутся работы по конструированию оптических систем, основанных на принципе мозаичного зрения некоторых членистоногих (насекомых и др.). Сложные фасеточные глаза последних, как известно, состоят из множества (от сотен до десятков тысяч) оммати- диев — микроскопических оптических единиц, включающих светопреломляющий, светопроводящий и светочувствительный элементы. Каждый омматидий связан с головным мозгом самостоятельным нервным волокном. Поступающая от них информация подвергается обработке в соответствующих нервных центрах и интегрируется в целостную зрительную картину. Разрабатываемая аналогичная техническая система по замыслу инженеров будет выгодно отличаться от существующих устройств геометрической пластичностью входа — возможностью варьировать профиль и площадь воспринимающей поверхности (на которой монтируются фотоэлементы) в зависимости от конкретной задачи (рис. 18.6).

Разрабатываются приборы-локаторы для слепых, основанные на принципе эхолокации у летучих мышей.

Безусловный интерес представляют экспериментальные исследования по созданию многоканального вестибулярного протеза для лиц с нарушенным вследствие поражения внутреннего уха чувством равновесия. Устройство состоит из микросхемы управле-

Сложные (полимерные, фасеточные) глаза насекомого

Рис. 18.6. Сложные (полимерные, фасеточные) глаза насекомого,

состоящие из множества омматидиев (я), и модель оптического устройства с полным сферическим полем зрения (б)

ния (процессора), аккумулятора и датчиков движения, ориентированных в пространстве параллельно полукружным каналам. Генерируемые процессором импульсы (миллисекундные, аналогичные таковым in vivo) передаются на вестибулярные нервные окончания по электродам, имплантированным во внутреннее ухо животного. Опыты проводили на шиншиллах с искусственно поврежденными рецепторными клетками внутреннего уха. Характерные для данного патологического состояния симптомы — шаткая походка и дрожащие движения глазных яблок — в значительной мере нивелировались при использовании вестибулярного протеза.

Достигнуты определенные успехи в создании механизмов, имитирующих работу особых органов некоторых рыб, регистрирующих изменения генерируемых ими слабых электрических полей. Элементарной ячейкой (электросенсором) данного прибора являются четыре электрода, два из которых создают электрическое поле, а два других определяют его напряженность. Появление вблизи элсктросснсора какого-либо предмета искажает электрическое поле, что фиксируется специальным устройством. Компьютерная обработка информации (в реальном времени), полученной от множества электросенсоров, позволяет оценить окружающую прибор обстановку с большой точностью (до 3 мм). Планируется оснащение такими системами подводных роботов, работающих в ограниченном пространстве (затонувший корабль и др.).

Для непрерывного мониторинга состояния воды в акватории морских портов разработаны и проходят испытания рыбы-роботы, представляющие собой относительно автономные приборы, снабженные бортовым компьютером, чувствительными химическими сенсорами, системой двусторонней радиосвязи с базовым центром, устройством для гибкого маневрирования в водной среде, аккумуляторными батареями и др. Но замыслу разработчиков рыбы-роботы будут но нескольку месяцев постоянно курсировать в заданном районе (самостоятельно пополняя запас энергии в своих аккумуляторах в специальных зарядных станциях), отслеживать утечки загрязняющих веществ на разной глубине, наносить их на карту и передавать информацию в центральный компьютер. Предполагается использование в одном регионе целой команды таких робототехнических устройств, способных к взаимному согласованию поставленных перед ними задач.

Рассматриваются проекты создания подводного грузового и пассажирского транспорта, корпус которого покрыт мягкой оболочкой, аналогичной коже дельфина и позволяющей существенно (на 40—60%) уменьшить сопротивление воды и увеличить скорость судна. Прошла успешные испытания оболочка, состоящая из трех слоев: гладкого наружного слоя (аналог эпидермиса кожи), среднего — эластичного с гибкими стержнями и демпфирующей жидкостью (аналог дермы) и глубокого, выполняющего функцию опорной пластины. Благодаря такой структуре данное покрытие позволяет сохранить обтекающий тело поток линейным, без завихрений. Одновременно высказываются предложения снабдить подводные суда двигателями, работающими по реактивному принципу, как это имеет место у осьминогов и кальмаров.

Проходит испытания легковой автомобиль, прототипом которого послужила рыба-чемодан. Несмотря на то что последняя имеет почти кубическую форму, данное свойство обеспечивает ей прекрасную гидродинамику. Аэродинамические исследования показали, что коэффициент скольжения в воздухе новой машины равен 0,19 (но сравнению с 0,30 у обычных автомобилей). Существенно, что при этом экономия топлива составляет около 20%, а выброс оксида азота уменьшается на 80%.

Заслуживают внимания работы по снижению гидравлических потерь (и, соответственно, повышению скорости перемещения жидкостей) в металлических трубах путем формирования особого микрорельефа их внутренней поверхности, имитирующего чешую акулы, отличающуюся, как известно, эффективной обтекаемостью.

Планируется разработка принципиально нового типа матрицы для цифровых фотоаппаратов, представляющей собой плотный слой кишечных палочек, темнеющих при попадании на них света. Способность бактерий реагировать на свет достигнута путем включения в их геном одного из генов системы фотосинтеза, полученного из ДНК цианобактерий. Благодаря малым размерам кишечных палочек удается получать фотоснимки с очень высоким разрешением (100 мегапикселей). Основными трудностями на пути практической реализации этого изобретения являются резко ограниченный участок спектра, в котором бактерии реагируют на излучение (только красный свет) и низкая чувствительность «живой фотопленки».

Предполагается создание топливных элементов (миниатюрных батареек и др.) на базе микроорганизмов, способных генерировать

Разнообразие форм скелета диатомовых водорослей

Рис. 18.7. Разнообразие форм скелета диатомовых водорослей

электричество. В качестве наиболее перспективного кандидата рассматриваются десульфитобактерии.

Предпринимаются попытки использования диатомовых водорослей (многие из которых имеют скелет разнообразной формы рис. 18.7) в качестве основы для получения объемных электронных микросхем.

Проводятся исследования с целью получения материала, обладающего свойством «сухого прилипания» к различным поверхностям. За биологический прообраз взяты некоторые ящерицы (гекконы) и насекомые (мухи). Рабочая поверхность их конечностей покрыта множеством микроскопических щетинок, которые благодаря силам межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ва- альса) обеспечивают достаточно прочный контакт с объектом. Созданы роботы, обутые в обувь из синтетического материала, имеющего аналогичную структуру, которые могут передвигаться по стеклянной поверхности. Существенным недостатком описанного механизма является то, что он почти полностью теряет свою эффективность на мокрых поверхностях и иод водой. Наблюдения за морскими двустворчатыми моллюсками (мидиями) показали, что они прикрепляются к твердым предметам с помощью особого клейкого вещества. Однако этот природный клей прочно фиксирует поверхности, что существенно ограничивает возможность его использования в качестве липкого покрытия «ног» робототехнических устройств, предназначенных для передвижения по предметам (в том числе вертикальным) под водой. Предпринята обнадеживающая попытка совместить эти два биологических приспособления. С этой целью изготовлена матрица из микроскопических кремниевых колонок (аналог щетинок), покрытая 3,4-дигидрокси-Ь-фени- лаланином — компонентом биоклея, определяющим его адгезивные свойства (рис. 18.8). Примечательно, что полученная таким образом гибридная конструкция одинаково эффективно фиксируется к сухим и мокрым (под водой) поверхностям и, что особенно важно, «приклеенное состояние» характеризуется кратковременностью, что позволяет передвигающимся объектам быстро прикрепляться к предметам и открепляться от них. Испытания показали, что данная матрица выдерживает более тысячи циклов «приклеивание — отклеивание».

Материал, способный обратимо фиксироваться на сухой и влажной поверхностях (матрица из микроскопических кремниевых колонок, покрытая биоклеем)

Рис. 18.8. Материал, способный обратимо фиксироваться на сухой и влажной поверхностях (матрица из микроскопических кремниевых колонок, покрытая биоклеем)

Заслуживают внимания работы по созданию технических устройств, имитирующих способ передвижения по поверхности воды, используемый ящерицей-василис- ком. Представители этого вида ящериц, перемещаясь по воде, перебирают конечностями так быстро, что последние не успевают преодолеть силу поверхностного натяжения и погрузиться в воду. Сконструировано несколько вариантов мини-роботов с 6, 8 и 12 конечностями, из которых одна пара является собственно двигательными, остальные служат для поддержания устройства на плаву. Двигательные конечности, покрытые гидрофобным полимером, совершают колебания в двух плоскостях с частотой 40 циклов в минуту, что обеспечивает поступательное движение по поверхности водоема со скоростью до 3 см/с (рис. 18.9). Расчеты показали, что данный способ передвижения по воде экономичнее по сравнению с обычным плаванием. Обсуждаются перспективы использования таких роботов в качестве автоматизированных зондов для взятия проб из различных участков природных водоемов.

Определенный интерес представляют исследования по созданию искусственных побегов высших растений, точнее, их проводящей системы, обеспечивающей восходящий поток веществ (ксилемы). Основу такого «побега» составило множество микроскопических капилляров (диаметром около 100 мкм) из особого полимерного геля (полигидроксиэтилметакрилат). Благодаря оптимальному со-

Робототехническое устройство

Рис. 18.9. Робототехническое устройство, имитирующее механизм передвижения по поверхности воды некоторых ящериц четанию физико-химических свойств геля и диаметра каналов в системе устойчиво поддерживается давление, поднимающее жидкость вверх по капиллярам. Следует особо отметить, что на входе данного устройства вода может поступать в виде пара. Предполагается использовать данную технологию для извлечения чистой воды из засушливых почв.

Ведутся интенсивные исследования но созданию нанокомпью- тсров (молекулярных вычислительных машин), в которых вместо кремниевых микрочипов используются молекулы нуклеиновых кислот и ферментов. При этом в качестве средства ввода, переработки и хранения информации используется синтетическая молекула ДНК, а в качестве источника питания — АТФ. Примечательно, что такие устройства, как предполагают разработчики, смогут работать в естественном биологическом окружении (например, в клетке).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >