Щоб розв’язувати проблеми й задовольняти потреби людства — від дрібних до справді серйозних — інженери та науковці часто надихаються навколишнім світом. І недарма: практика показує, що інновації, створені за природними моделями, чудово проходять перевірку часом. Такий підхід у науці називають біоміметикою або біомімікрією.
Ось лише кілька прикладів того, як люди адаптували під свої потреби геніальні винаходи природи.
1. Реп’ях і застібка-липучка
Ми звикли до липучок на одязі, взутті та сумках і навіть не замислюємося, що вони існували не завжди. У 1941 році їх вигадав швейцарський інженер Жорж де Местраль.
Одного разу він повернувся з полювання в Альпах разом зі своїм собакою і помітив, що до її шерсті, так само як і до його одягу, причепилися колючки лопуха. Местраль уважно роздивився реп’ях під мікроскопом і побачив, що рослина чіпляється за петлі тканини за допомогою мільйонів маленьких гачків. Так лопух поширює своє насіння на великі відстані.
Местралю спало на думку, що таким чином можна легко й швидко з’єднувати два матеріали: на поверхні одного з них мають бути мікрогачки, а на другому — мікропетлі.
Після цього він розпочав шлях завдовжки в десятиліття, щоб знайти оптимальний матеріал для свого винаходу, навчитися виготовляти липучки механічно, а не вручну, і створити для цього спеціальний ткацький верстат. Зрештою у 1951 році інженер подав заявку на патент, а отримав його лише у 1955-му. Так з’явилася стрічка Velcro (velours з фр. — «оксамит» і crochet з фр. — «гачок»).
2. Лотос і водонепроникні матеріали
Пелюстки й листя лотоса мають супергідрофобні властивості. Це означає, що вода їх не змочує, а скочується у вигляді кулястих крапель і за найменшого подуву вітру просто стікає з поверхні, попутно захоплюючи весь пил і бруд.
Такий ефект досягається завдяки тому, що поверхня лотоса не ідеально гладка — вона вкрита найдрібнішими горбиками, які разом із восковим покриттям листя утворюють крихітні повітряні кишені. Через це краплі ніби «зависають» над поверхнею, не зчіплюючись із нею.
Інженери регулярно надихаються «ефектом лотоса» й створюють нові матеріали з гідрофобними властивостями.
Фарби, що не брудняться і самоочищуються під дощем, нанопокриття для екранів смартфонів, водовідштовхувальні тканини — усе це стало можливим завдяки цьому феномену. «Ефект лотоса» активно застосовують і в промисловості — наприклад, створюють водовідштовхувальні покриття для сонячних панелей, щоб на них не осідав бруд.
3. Термітник і вентиляція
Терміти — справжні майстри клімат-контролю. Їхні оселі влаштовані так, щоб підтримувати стабільну температуру всередині навіть за умов екстремальних перепадів зовні. Усе завдяки системі природної вентиляції.
Упродовж дня сонячне світло нагріває повітря всередині термітника, і воно піднімається вгору та виходить через отвори на вершині, створюючи ефект димоходу. Водночас прохолодне повітря затягується через тунелі біля основи.
Терміти можуть самі керувати потоками, відкриваючи й закриваючи проходи залежно від температури та вологості.
Кмітливість цих комах надихнула архітектора Міка Пірса під час проєктування офісного комплексу Істгейт-центр у Хараре, Зімбабве. Там немає звичної системи опалення й охолодження. Удень тепло накопичується в масивних стінах будівлі й виходить через димоходи у верхній частині, а прохолодне повітря надходить з-під землі.
Завдяки цьому Істгейт-центр використовує лише десяту частину енергії порівняно зі звичайною будівлею такого ж розміру і залишається прохолодним навіть за сильної африканської спеки.
4. Рибалочка і надшвидкісний поїзд
Японські надшвидкісні поїзди можуть розганятися до 300 км/год — і попри те, що це дає змогу пасажирам долати великі відстані за лічені хвилини, без незручностей не обійшлося навіть тут.
Річ у тім, що на такій високій швидкості перед носом локомотива накопичується повітря під сильним тиском. І щоразу, коли поїзд виїжджає з тунелю, виникає потужний звуковий удар, який чути на відстані до 400 метрів.
Японський інженер Ейдзі Накацу придумав, як розв’язати цю проблему, завдяки спостереженню за рибалочками. Ці птахи пірнають з повітря у воду — у 800 разів щільніше середовище — майже без сплеску. Накацу припустив, що завдячують вони цьому своєму довгому дзьобу.
Команда інженерів уважно вивчила дзьоб рибалочка: його форма виявилася ідеально обтічною.
Верхня і нижня частини дзьоба мають трикутний переріз із вигнутими сторонами, а разом вони утворюють форму сплюснутого ромба.
Для перевірки концепції дослідники тестували моделі різних форм. Вони запускали їх у повітряних і водяних тунелях, вивчали взаємодію з потоками, а також моделювали результати на суперкомп’ютері. Висновки були однозначними: «пташиний» дизайн виявився найефективнішим.
На основі цих даних Накацу з командою сконструювали модель поїзда «Сінкансен» з витягнутою носовою частиною. Це дало змогу поліпшити аеродинаміку і суттєво знизити рівень шуму, який створює поїзд.
5. Плавник кита і вітрова турбіна
У горбатих китів плавники влаштовані незвично: на їхньому передньому краї розташовані невеликі горбики. Коли тварина розсікає товщу води, вони зменшують опір і збільшують підйомну силу. Завдяки таким «горбкуватим» плавникам кити можуть рухатися швидко, плавно маневрувати і з легкістю долати великі відстані.
Цей механізм надихнув розробників вітрових турбін — вони додали ряди опуклостей на лопаті, припустивши, що це допоможе підвищити їхню ефективність. Результат виявився вражаючим: такі лопаті можуть обертатися навіть за невеликих швидкостей вітру — 16 км/год замість стандартних 27 км/год — і при цьому генерувати енергію ефективно та стабільно.