Биомиметик
Что за профессия — биомиметик?
Представьте инженера, который ходит по лесу с блокнотом и подмечает: как паук плетёт паутину, как птица взлетает, почему лотос отталкивает воду. Затем он возвращается в лабораторию и на основе этих идей создаёт новое устройство или материал. Этот волшебник — и есть биомиметик.
Слово состоит из «био» (жизнь) и «мимикрия» (подражание). Биомиметик занимается биомимикрией — наукой и практикой, которые учатся у природы. Он изучает решения, придуманные эволюцией за миллионы лет, и применяет их для создания технологий будущего. Это может быть материал, повторяющий структуру раковины моллюска (прочный и лёгкий), робот, бегающий как гепард, или здание, охлаждающееся как термитник.
Биомиметик говорит: «Природа — лучший изобретатель, а я её ученик»
Зачем подражать природе?
Наша планета полна гениальных инженерных решений. Например, листья дерева автоматически поворачиваются к солнцу — а солнечные батареи люди сначала делали неподвижными, теряя эффективность. Или возьмём акулу: её кожа покрыта микроскопическими чешуйками такой формы, что вода обтекает тело без завихрений — поэтому акула плавает быстро и тихо. Узнав это, люди создали специальное ребристое покрытие для самолётов и подводных лодок, снижающее сопротивление.
Биомиметика как раз и появилась из понимания, что копируя природные решения, можно экономить ресурсы, повышать эффективность и придумывать то, до чего сами ещё не додумались. Природа — огромная лаборатория с 3,8 миллиарда лет опыта экспериментов (столько длится эволюция жизни). Биомиметик заглядывает в эту лабораторию за вдохновением.
Яркие примеры биомимикрии
Биомиметика уже подарила нам множество открытий. Вот несколько известных и впечатляющих примеров:
— Поезд-стрижь: В 1990-х японский скоростной поезд «Синкансэн» сталкивался с проблемой: при выезде из тоннеля он издавал оглушительный хлопок (ударная волна воздуха). Главный инженер Эйдзи Накацу, который по совместительству был наблюдатель птиц, заметил, как зимородок (небольшая птица) ныряет в воду, почти не вызывая всплеска. Он понял, что форма клюва птицы обеспечивает плавный вход в воду. Инженер изменил форму носа поезда, сделав его вытянутым и обтекаемым, как клюв зимородка. Результат: поезд стал выходить из тоннелей бесшумно, кроме того, снизилось потребление электроэнергии на 15% и даже скорость удалось немного увеличить (на 10%). Природой подсказанное решение сделало транспорт тише, быстрее и экономичнее! Теперь этот случай — классический пример биомимикрии, который показывают студентам-инженерам.
— Липучка из репейника: Всем знакомы липучие застёжки на одежде и обуви (например, на кроссовках или куртках). А знаете ли вы, что идею липучки подсказала собака и репей? Швейцарский инженер Жорж де Местраль в 1941 году гулял с псом и заметил, что после прогулки его брюки и шерсть собаки облеплены колючками репейника. Вместо того чтобы просто почистить одежду, он посмотрел на колючки под микроскопом и увидел крохотные крючочки, цепляющиеся за петли ткани. Так родилась идея застёжки «Velcro» — две ленты, одна с крючками, другая с петлями, которые цепляются друг за друга подобно репью и шерсти. Сегодня липучки используются повсюду: от обуви и спортивной экипировки до космических скафандров (где липучки удерживают предметы в невесомости).
Биомиметик не обязательно создаёт высокотехнологичный гаджет — иногда простое, подсмотренное в природе решение меняет мир.
— Гекконьи лапки и суперскотч: Гекконы (ящерицы) умеют бегать по стенам и потолку, будто пренебрегая гравитацией. Секрет — в строении их лап: на пальцах геккона миллионы тончайших волосков, каждый из которых прилипает к поверхности на молекулярном уровне (за счёт сил Ван дер Ваальса). Контакт огромного числа таких волосков создаёт достаточное сцепление, чтобы удержать ящерицу. Инженеры вдохновились этим и создали сухие клеящиеся ленты, имитирующие лапку геккона. В отличие от обычного скотча, такой материал не оставляет липкого слоя и может многократно приклеиваться и отклеиваться. Уже созданы перчатки с гекконьим принципом — с их помощью человек способен взобраться на стеклянную стену! Это ли не человек-паук в реальности? Правда, пока такое снаряжение дорогое и используется в основном в лабораториях и у спецслужб, но в будущем, возможно, станет обыденным.
Конечно, это лишь вершина айсберга. Биомиметика проявляется везде: архитекторы создают дома по образу пчелиных сот (чтобы экономить материалы, но сохранять прочность), химики разрабатывают краски и покрытия как у крыльев бабочки (яркие, но без выцветания, с наноструктурами вместо токсичных пигментов), а программисты пишут алгоритмы на основе поведения муравьёв или пчёл (например, алгоритмы муравьиной колонии используются для оптимизации маршрутов в логистике).
Биомиметик будущего сможет объединять знания биологии, физики, химии и инженерии, чтобы решать важнейшие задачи человечества — от новой медицины до освоения космоса. Например, возможно, костюмы космонавтов на Марсе будут менять цвет как хамелеоны (отражая солнечные лучи днем и поглощая ночью для обогрева), а системы жизнеобеспечения в космических станциях станут замкнутыми экосистемами, подобно пруду или лесу.
Уже сегодня: кто работает в этой области?
Хотя должности с названием «биомиметик» пока редки, многие специалисты применяют принципы биомимикрии:
— Инженеры-бионики. Бионика — это близкая область, изучающая применение решений живой природы в технике. Бионики работают в робототехнике (создают, например, роботизированные протезы, повторяющие движение руки, или дронов с крыльями как у птиц), в материаловедении (разрабатывают материалы по образцу природных: сверхлёгкие, как кости птиц, или гибкие и прочные, как паутина). В России есть специальность «бионика» и «биомедицинская инженерия» — это фактически предтеча профессии биомиметика.
— Материаловеды и нанотехнологи. Они создают новые материалы, и часто вдохновение приходит от природы. Например, уже есть краска «лотос-эффект», с которой грязь и вода скатываются, не смачивая поверхность (как с листьев лотоса). А суперчёрное покрытие Vantablack, поглощающее 99,96% света, напоминает структуру глаза мотылька (который не отражает свет, чтобы не выдавать себя хищникам). Эти учёные фактически занимаются биомимикрией, даже если называют себя иначе.
— Архитекторы и экодизайнеры. Современные «зелёные» здания часто проектируются с учётом природных идей. Биоморфные формы (ракушки, соты), естественная вентиляция как в термитниках (известен офисный центр Eastgate в Зимбабве, где система вентиляции скопирована у термитника — здание охлаждается без кондиционеров). Архитектор-биомиметик проектирует города, где природа интегрирована: дома с фасадами как кожа, реагирующая на температуру, или с солнечными навесами, раскрывающимися как цветы.
— Биологи-изобретатели. Многие новые технологии рождаются на стыке биологии и техники. Например, генетики-синтетики создают бактерий, производящих пластик подобно тому, как пауки производят шёлк — это тоже биомимикрия, только на уровне живых систем. Другой пример — биохимики, разрабатывающие искусственное фотосинтезирующее устройство (то есть «искусственный лист», генерирующий топливо из воды и CO₂ под солнцем, как это делают растения). Эти люди не назовут себя биомиметиками, но по сути они используют подход «учись у природы».
Какие навыки нужны биомиметику?
Биомиметик — это человек-оркестр от науки. Нужно разбираться во многих областях, ведь природа многогранна.
Важные умения:
— Биология и экология. Нужно отлично знать живую природу: от анатомии и физиологии животных до микробиологии. Биомиметик должен понимать, почему у акулы такая кожа или как дерево поднимает воду от корней до листьев. Чем больше знаешь о живых организмах, тем больше идей.
— Физика. Механика, оптика, термодинамика — природа подчиняется физическим законам. Чтобы воспроизвести природный механизм, нужно его рассчитать. Например, зная физику полёта, можно перенести принципы полёта стрекозы в конструкцию дрона.
— Химия и материаловедение. Многие природные решения реализованы через химические процессы и материалы. Раковины моллюсков состоят из известняка и органики — чтобы сделать подобный композит, надо понимать химию. Или, скажем, создание искусственной паутины — это по сути полимерная химия, где важно знать состав белков и способы полимеризации.
— Инженерное дело и дизайн. Необходимо уметь проектировать устройства, рисовать чертежи, работать с 3D-моделированием. Биомиметик превращает идею из природы в конкретный механизм или материал, а значит, ему нужны навыки инженера-конструктора. Дизайн-мышление тоже важно: представить, как будет выглядеть объект, впишется ли он в окружающую среду.
— Креативность и наблюдательность. Эта профессия — для любознательных. Нужно уметь часами смотреть на природные объекты, задавая вопрос «как это работает?» и «как это применить?». Иногда решение задачи приходит внезапно, из аналогии с чем-то совсем далеким. Биомиметик — изобретатель, а изобретательность требует творчества.
— Навыки междисциплинарного общения. Биомиметика находится на стыке наук, поэтому обычно над проектами работают команды: биолог, инженер, дизайнер, химик. Очень важно уметь говорить на языке разных специалистов, работать в команде, презентовать свои идеи и прототипы понятным языком.
— Программирование и анализ данных. В современном мире любые исследования требуют обработки больших объёмов информации. 3D-моделирование природных структур, компьютерное моделирование аэродинамики (например, формы птицы), использование нейросетей для поиска оптимальных биологических форм — всё это инструменты биомиметика. Поэтому умение писать программы, работать с симуляциями и даже владеть основами машинного обучения станет плюсом.
Как стать биомиметиком: путь образования
Пока нет прямого пути «поступи на биомиметика» — профессия новая и редкая. Но можно сформировать свой трек из существующих направлений:
— Школьные предметы: необходимо увлечённо изучать биологию, химию, физику. Постарайтесь не делить их на отдельные предметы, а видеть связи. Например, изучая биологию растений, подумайте, какие физические процессы (капиллярность, осмос) и химические (фотосинтез) в них задействованы. Математика также важна: природные формы часто описываются уравнениями (спираль раковины — это логарифмическая спираль, очень красивая математически).
— Кружки: отличным выбором будет кружок юных натуралистов или биологический кружок — он разовьёт наблюдательность, даст знания о живых организмах. Также полезны технические кружки:авиамоделирование (поймёте основы аэродинамики — пригодится, чтобы копировать полёт птиц), робототехника (научитесь конструировать механизмы — создадите робота-рыбу?). В некоторых городах есть кружки по биотехнологиям для школьников, где можно попробовать вырастить бактерии, создать биополимер. Это тоже часть биомимикрии
— Конкурсы и проекты: участвуйте в научно-практических конференциях для школьников, таких как «Школьная биологическая олимпиада», олимпиада НТИ (профиль «Биотехнологии» или «Инженерный дизайн»), конкурс «Юный изобретатель». Попробуйте сделать проект на стыке биологии и техники — например, сконструировать модель здания с биомиметическим охлаждением или создать материал, аналогичный паутине. Даже если проект простенький, опыт исследования и презентации очень важен.
— Вузы: вы можете пойти разными путями. Один путь — через биологию: поступить на биофак или в медицинский/биотехнологический вуз, а затем переквалифицироваться в сторону техники через магистратуру (например, биоинженерия). Другой путь — через инженерное образование: например, факультет материаловедения, инженерно-физический, робототехники. В России набирает популярность направление «биомедицинская инженерия» (есть в МГУ, МГТУ, Политехах) — там как раз учат соединять биологию и инженерное дело. В мире появляются и программы по биомимикрии — например, в США Университет Акрона предлагает специальность по биомимикрии. Возможно, когда вы окончите бакалавриат, и в российских вузах появятся магистратуры по биомиметике. Главное — получить крепкие знания в своей базе (био или техно) и быть готовым к междисциплинарности.
— Дополнительно: изучайте английский язык — по биомимикрии много информации на английском, включая сайты Biomimicry Institute, AskNature.org, где собрано множество примеров и идей. Смотрите научно-популярные фильмы, например, «Дизайн, подсказанный природой» (Nature Inspired Design), читайте книги. Одна из знаковых книг — «Biomimicry: Innovation Inspired by Nature» (автор Дженин Беньюс, на русском «Биомимикрия. Как идеи природы используются в технологиях»). Она откроет вам глаза на широту этой области.
Интересные факты для вдохновения
— Живой клей из мидий: морские мидии крепко приклеиваются к камням, хотя вокруг вода. Их «клей» — особый белок. Учёные-биомиметики создали на его основе медицинский клей, который работает во влажной среде и даже под водой. Им можно «склеивать» ткани организма при операциях, что уже используется в хирургии.
— Муха-робот и поисковые системы: поведение насекомых подсказало идеи для компьютерных алгоритмов. Например, алгоритм роя частиц (в информатике) основан на поведении стаи птиц или роя мошек — так программы ищут оптимальные решения сложных задач. А роботы-дроны размером с насекомое (как проект RoboBee Гарвардского университета) учатся летать устойчиво, копируя рефлексы настоящих мух.
— Термитник-небоскрёб: термиты строят «домики» с хитрой системой вентканалов, поддерживая внутри постоянную температуру для выращивания грибов (их пищи). В Зимбабве построили офисное здание Eastgate Centre по этому принципу: оно тратит в разы меньше энергии на кондиционирование, используя естественную вентиляцию, как у термитов. Биомиметика уже экономит деньги и энергию в градостроительстве.
— Шерстинки полярного медведя и оптика: шерсть белого медведя не белая на самом деле — каждый волос прозрачный и полый, работает как световод, проводя солнечный свет к чёрной коже медведя и согревая его. Этот принцип вдохновил создание оптических волокон для освещения: можно собрать свет на крыше здания и развести его по комнатам через прозрачные трубки-«волоски». Так дневной свет используется внутри зданий без электричества. Удивительно, но даже тут природа опередила нас!
Биомиметик — это профессия, где фантазия встречается с наукой. Она учит нас скромности (природа знает больше) и дерзости одновременно — брать у природы идеи и делать нечто новое. Школьнику, который любит и биологию, и мастерить вещи руками, эта сфера может дать воплощение самым смелым мечтам. Кто знает, возможно, именно вы когда-нибудь сконструируете автомобиль с кожей акулы или дом, способный к саморемонту как живая ткань.
У природы нет патентов — она щедро делится идеями, нужно только присмотреться!