Институтът “Смитсониън” обяви най-добрите бионични идеи, които да подобрят живота на хората през 2022 г.
Редица нови изобретения и технологии черпят вдъхновение от природата. Практиката за направата на изкуствени продукти от биологията се нарича биомимикрия или биомиметика. Този метод изучава как природата и нейните принципи на взаимодействие могат да бъдат приложени в науката. Използва се навсякъде: в сгради, превозни средства и дори материали. Думата “биомимикрия” идва от гръцкото “биос”, което означава живот, и “мимикрия” – имитирам. Биомиметиката е тясно свързана с биониката.
Един от най-успешните продукти, разработени на базата на наблюдение на обекти в природата, е велкрото. Друг пример е модел на “Мерцедес”, чиято форма и начин на маневриране са вдъхновени от рибата Ostracion cubicus.
Природният свят определено вдъхновява учените да се гмурнат по-дълбоко в него, но интересът им не се изчерпва дотам. Истинската им креативност и авантюризъм проличават в обвързването на биологичните феномени със съвременните изобретения.
Институтът “Смитсониън” обяви най-добрите идеи от природата, които човекът може да използва през 2022 г. и от които може да се създадат технологии за филтриране на вода, нов вид роботи, строителни материали, дори и лекарства за рак.
Например
червата на акулата
функционират като
клапаните на Никола Тесла
През 1920 г. сръбско-американският изобретател проектира устройство без местещи се части, което позволява на течността да се движи в една посока, предотвратявайки обратния поток. Тези клапанни тръбопроводи, както Тесла ги нарича, са направени от фиксирани халки с формата на сълзи, които позволяват на течността да се движи свободно в едната посока, но блокира или поне забавя противоположния ход.
Изобретението е било част от разработването на нов парен двигател, но няколко месеца по-късно той подава заявление за несъстоятелност и обрича патента си на забрава през следващите десетилетия.
Червата на акулите имат подобна функция като клапаните на Тесла: абсорбират хранителни вещества и изхвърлят отпадъците, които задължително се преработват преди това. В животинското царство тези органи имат всякакви видове и форми. Хората, както и голяма част от живите организми, притежават черва, които изискват мускулни контракции, за да придвижват хранителните вещества по тях. Акулите обаче използват друг метод за обработка на храната. Чрез пружинни спирали и фунии се транспортират обработените меса така, че да се извлече и последната калория от тях, преди остатъците да бъдат отстранени.
Миналата година изследователите откриха, че тези спираловидни органи наподобяват дизайна и функцията на клапаните на Тесла. Усукванията, завоите и фуниите лесно придвижват течностите напред, което се определя като енергоспестяваща форма на храносмилане.
“Акулите имат всички тези малки подобрения в дизайна на клапана на Тесла, които биха ги направили по-ефективни”, казва Саманта Лий, животински физиолог от калифорнийския държавен университет “Домингес Хилс” пред сп. New Scientist.
Изучаването на тези
природни феномени,
въплътени в
инженерството, може
да подобри системите
за филтриране на
отпадъчни води
за отстраняване на микропластмаси.
“Планираме да направим проби през следващата година, за да определим колко ефективни са морфологиите при филтриране на частици с различен размер”, добавя Лий. Ако резултатите са добри, ще могат да се направят подобрения в технологията на спираловидните черва. Така те ще бъдат използвани в направата на филтри, които отстраняват микропластмаси след буря или при отпадъчни води.
Зимният сън на лемурите ще се използва за дълги пътувания в Космоса
Дебелоопашатите джуджета лемури са нашите най-близки роднини примати, които спят зимен сън. За първи път в изследователската история учени успяха да пресъздадат условията, необходими за привличането на лемурите към техния дълъг сън, в университета Дюк, Северна Каролина. Така ще може да се разучава този уникален метаболитен процес, обяви специалистът по поведение на приматите Марина Бланко.
За да създадат на лемурите настроение за добра дрямка, изследователите направили импровизирана хралупа, в която животните да се изолират. Изложили ги на 9 ч и половина дневна светлина вместо на 11 ч, за да имитират зимното скъсяване на деня, и на температура до 10°.
4 месеца сънливите лемури имали притъпен метаболизъм, по-ниски телесни температури и по-малък апетит.
Сърдечният им ритъм се забавил до 8 удара в минута. “Забавянето на метаболизма на животните, които изпадат в това летаргично положение, не им се отразява негативно в никакъв аспект”, казва Бланко. Тя добавя, че приматите не се движат и не ядат с месеци, но и не губят мускулна маса и функцията на органите си.
Изучаването как друг примат изпада в състояние на летаргия може да подобри сегашните методи за забавяне на процесите на тялото при животоспасяващи операции или дори дългосрочно пътуване в Космоса.
“Успешното космическо пътуване до далечни дестинации ще изисква месеци или години, прекарани в неактивност при транзит”, допълва Бланко.
Бръмбар бот стъпва по водата, но от долната страна
Благодарение на повърхностното напрежение мравки, паяци, охлюви и гущери могат да ходят по водата. Бръмбарите чистачи обаче се отличават с още по-сложна техника. Тези буболечки се обръщат надолу с главата и се вкопчват точно под горния воден слой, сякаш се прикрепят към долната страна на стъклена маса.
“В момента, в който разбрах, че бръмбарът се движи гмурнат огледално, точно по долната част на водната повърхност, осъзнах, че съм открил нещо изключително странно”, казва биологът Джон Гулд.
При първия задълбочен анализ върху тези буболечки учените заснемат интересната им техника на обърнато пълзене. Известно за тези бръмбари е, че те улавят въздушни мехурчета от водата чрез космите на краката си, което ги поддържа хидратирани, но видеозаписите показват, че именно това поведение би могло да ги държи приковани от долната страна на повърхността огледално. Мехурът най-вероятно дава на насекомото достатъчно опора да окаже известен натиск точно върху границата вода-въздух, без да я пробива.
“Краката на бръмбарите успяват дори да изтласкат малко количество вода, като образуват трептения на повърхността, докато се движат”, казва Гулд.
Учените все още имат безброй въпроси, свързани с физиологията на тези насекоми, например как анатомията на краката им влияе на това умение и дали различните части от тялото им са водоустойчиви. “Изучаването на талантите на този бръмбар чистач може да вдъхнови създаването на иновативни миниатюрни роботи, които да ползват същата техника”, разкрива още Джон Гулд.
Вече съществуват някои микророботи за обезмасляване на вода, а инженерите създават и ботове, които могат да се движат едновременно по земна и водна среда.
Един бръмбар бот би могъл да елиминира нуждата от хибридни модели, защото устройството ще ходи по сушата по същия начин, по който ходи и под вода. “Вярваме, че това може допълнително да подобри способностите на роботите за военни цели или за издирване и спасяване на хора”, добавя още биологът.
Освен ходенето във водна среда наблюденията върху бръмбарите сочат, че те може да се задържат неподвижни. Това вдъхновява учените да работят по нови изобретения като водно лепило или структурен дизайн, както и да измислят решение за задържане на обекти на повърхността на водата за измерване на вибрации, температура или събиране на други данни.
“Може да се синтезират материали, които да използват това откритие, за да се задържат неподвижно на повърхността на водата без изразходване на енергия”, казва Гулд.
Скокливостта на катериците създава нов вид роботи
Движейки се по върховете на дърветата, катериците биха рискували да скочат на дълги разстояния от един клон на друг, ако са сигурни, че той е достатъчно стабилен. Дори и следващата им стъпка да се окаже върху крехък участък, изключителните им способности за възстановяване, развити най-вероятно от грешки в миналото, им позволяват да се приземяват успешно при почти всеки случай.
Тези две умения на рунтавите животни могат да се окажат изключително полезни при проектирането на ловки и пъргави роботи. Те ще се използват за анализаторски умения на машините при изпълнението на даден скок, както и при постепенното научаване на пропуснатите детайли веднъж, щом скокът бъде изпълнен, с цел да се подобри следващо подобно действие.
“Както катериците, така и следващото поколение пъргави роботи може да възприемат възможностите за използване на специфични аспекти от заобикалящия ги свят, които пряко допълват собствените им възможности. Сензорите и възприятията им могат да бъдат проектирани да идентифицират само необходимата информация, свързана с вземането на решения за движение и контрол, и същевременно да игнорират останалата, която не е полезна за съответното действие”, казва Натаниъл Хънт, инженер по биомеханика в Университета на Небраска.
За да научат повече за това как тези животни успешно се придвижват от клон на клон, учените подлагат на изпитание лисичи катерици на трасе с препятствия в евкалиптова горичка в кампуса на Калифорнийския университет в Бъркли. Екипът анализира промяната в подскоците спрямо гъвкавостта на клоните - изчислява предварително старта на самия скок, както и наблюдава подготовката за различни вариации спрямо височината и дължината на действието. След няколко повторения на каскадата катериците я изпълняват с изключителна лекота.
“Инженерите, които проектират роботи с цел “инспекция, поддръжка, работа в дома и дори проучвания”, могат да извлекат важни уроци от тези гризачи с огромни опашки”, обяснява Натаниъл Хънт.
“Когато роботите излязат от лабораториите в реалния свят и започнат да вършат работа, те трябва да умеят да се приспособяват към неочаквани ситуации, както и да се научат да се справят със сложното взаимодействие между различни повърхности. Независимо дали те са твърди или меки, леки или тежки, изкуственият интелект трябва да реагира адекватно на ситуацията, когато се блъсне в даден предмет и изгуби ориентация”, допълва Хънт.
От кожата на златист гекон ще мислят нова терапия за кожен рак
Любителят на влечуги Стив Сайкс купил рядка двойка гущери гекони цвят “лимонова слана” за $ 10 000 на търг през 2015 г. “Лимоновата слана” представлява вид генетична морфа, която е породена от силно златистите им нюанси, наподобяващи слънцето. Когато обаче започнал да отглежда мъжкия гекон на име г-н Фрости, той забелязал, че голяма част от потомството му има малки бели тумори, растящи по кожата. Близо 80% от тези гекони развиват рак на кожата, който възниква от клетки, произвеждащи пигмент, наречени иридофори.
Генетикът от Калифорнийския университет в Лос Анджелис Лонгуа Гуо се свързва със Сайкс с молбата да изследва морфите на геконите, като впоследствие решава да се съсредоточи именно върху генетичната мистерия на специфичния вид “лимонова слана”. Тогава той и екипът му откриват ген, наречен SPINT-1, който причинява рак на кожата при хората. Той е отговорен за златистия цвят на влечугите, както и за множеството им малки тумори. Смята се, че при по-нататъшно изследване на гена може да се стигне до нови открития относно развитието на някои ракови образувания, също и потенциално да се разработят нови методи за лечение срещу тях.
“Ще се опитаме да култивираме раковите иридофори, за да разработим нова клетъчна линия за изследване на туморни пътища, както и потенциални лечения”, обяснява Гуо.
Д-р Лара Ърбан от Университета в Отаго, Нова Зеландия, смята, че изследването на това как генът действа върху геконите, без те да се разболяват от рак, би могло да поведе по нов път към следващи открития.
“Това ще окаже влияние върху изследванията на рака, тъй като сега разбираме по-добре съдържанието на този SPINT-1 генетичен път. Това ще доведе и до потенциален нов модел организъм, който ще служи за изучаване на развитието на рака на кожата и би допринесъл за действителното терапевтично развитие”, допълва Ърбан.
Наноботи, подобни на бавноходките, ще чистят артериите от плака
Бавноходките изглеждат като малки, осемкраки, едри безгръбначни организми, откъдето идва и прякорът им - водни мечки. Тези почти микроскопични създания умеят да оцеляват на най-неблагоприятните места на Земята - от абсолютно нулеви стойности на температурите до кипящи хидротермални отвори, устояват дори на космически вакуум, както и на налягане, което е шест пъти по-силно от това на океана, според данни на сп. “Нешънъл Джиографик”.
Докато други същества с меки тела пълзят и се въртят като червеи, бавноходките са единствените, които могат да ходят. Заради това изследователи са наблюдавали с часове кадри на водни мечки, ходещи по различни повърхности - от стъкло до гел.
Екипът установил, че тези животни ходят като насекоми, които са 500 хил. пъти по-големи от техния размер. Средно за една секунда те изминават само половината от собствената си дължина, което е около 0,5 мм, но при максимална скорост могат за същото време да извървят 2 пъти дължината на тялото си.
Колкото и бавни да са, наблюдения сочат, че те коригират стъпките си според терена, по който се движат. Тъй като походката им ги е отвела до далечните краища на Земята, изучаването ѝ може да вдъхнови нови начини на движение за микромащабни роботи.
“Те имат някои лесни, но много ефективни начини за координиране на движението на осемте им крака и правят това с минимална мозъчна сила, използвайки някои прости правила, които са поразително подобни на тези, използвани при някои много по-големи видове насекоми”, казва Даниел Коен, машинен инженер в Принстънския университет.
Според учения това показва, че малките роботи, при които изчислителната мощност и теглото са ограничени, не се нуждаят от много, за да ходят добре.
Вдъхновените от водните мечки наноботи могат да бъдат инжектирани в увредена тъкан, за да я поправят, или пък в артерия с цел да отстранят натрупванията на плака.
Слузестата плесен съхранява спомени, без дори да има мозък
Въпреки че понякога може да приличат на гъбички, слузестите плесени са кълбовидни, обитаващи почвата амеби, които съществуват в много странни форми и ярки цветове. Те нямат мозък или нервна система, но могат да се движат в лабиринт или да запомнят местоположението на храната си.
Подобно на множество сложни себеподобни тела, каквито са фракталите, тези едноклетъчни слузести организми освобождават тръбовидни извивки, които транспортират течности и хранителни вещества в цялото си разтегнато мрежово “тяло”. Изследователите откриват, че тези организми “запомнят” важни детайли от заобикалящата ги среда, като променят диаметъра на тези тръбовидни канали.
Когато учените изследвали под микроскоп слънчево жълт слузест едноклетъчен организъм, наречен ацелуларна слузеста плесен или миксомицет, те забелязали, че тръбите стават по-дебели, когато срещнат храна, и по-тънки, когато не откриват. Предполага се, че някакъв вид химически сигнал вероятно предизвиква тези промени.
“Като се има предвид силно динамичната мрежова реорганизация на ацелуларната слузеста плесен, постоянството на този отпечатък води до идеята, че самата мрежова архитектура може да служи като спомен за миналото”, казва Карен Алим, биофизик от Техническия университет в Мюнхен.
Тази мрежа имитира как мозъкът ни съхранява паметта на принципа на по-силни и по-слаби връзки между отделните клетки в зависимост от тяхната употреба. По същия начин тръбите с мухъл, които намират храна, растат, а тези, които не се подхранват, изсъхват.
“Използвайки молекули с голям размер, гелове или други биологични материали на базата на протеини, изследователите биха могли да адаптират този вид съхранение на памет и химическо сигнализиране в изкуствения интелект, без да включват електроника”, обяснява Алим. Това може да бъде истинско иноваторство при меката роботика, която няма хардуер.
“Тук потоците на течности са вълнуващ метод както за стимулиране на мобилността, така и за кодиране на вземането на решения, необходими за автономно поведение, а това би било директно изпълнение на механизма на паметта, който наблюдавахме при ацелуларната слузеста плесен”, допълва Алим.
Човешките клетки могат да се пазят от бактерии чрез сапуноподобен протеин
Човешката имунна система притежава специализирани клетъчни войници - като Т-клетки и B-клетки, които са готови да се борят с бактериални инвазии. Въпреки това неимунните клетки не са напълно беззащитни.
Изследване, публикувано в сп. “Наука”, установява, че определени протеини имат силна почистваща способност, подобна на дезинфекциращ продукт, която заличава бактериите, сякаш са мазно петно. По-нататъшното проучване на тези протеини може да вдъхнови изцяло нов вид антибиотик.
“Това е случай, в който хората правят свой собствен антибиотик под формата на протеин, който действа като детергент”, казва Джон Макмикинг, имунобиолог от Йейлския университет.
В началото екипът му заразил неимунните клетки със салмонела - бактерия, която засяга червата. След това учените проверили гените на клетката за защитни протеини и намерили съвпадение: APOL3. Този протеин има части, състоящи се от вода и други неща, които са от мазнини - точно като перилен препарат. APOL3 атакува мазните съединения в организма, които обвиват вътрешната бактериална мембрана с прецизност, като никога не бърка човешките клетки с нашественика.
Тъй като резистентността към антибиотици нараства, е необходим алтернативен вариант за справяне със заболяванията. Техните причинители може да имат свои собствени протеини, които пречат на контраатаките на APOL3, но изследователите биха могли да проектират нов антибиотик, който е насочен специално към вредителите, така че APOL3 да може да свърши своето.
Първо обаче учените трябва да разберат инфекциите, контролирани от APOL3 и други протеини за имунна защита.
“Това ще стимулира изследователските усилия за справяне с важни човешки бактериални и вирусни инфекции, както и паразити, особено ако антибиотичната резистентност вече е преобладаваща за тези микроби и се нуждаем от нови лекарства”, казва Макмикинг.
Трябва обаче да се вземе под внимание и фактът, че изобретенията, които имитират активността на протеина на гостоприемника, все още са сравнително недостатъчно изследвани.
Създават спрей за сгради от крилете на пеперуда
За първи път изследователи от Института по технологии в Масачузетс (MIT) надникват в какавида, докато цветните люспи на крило на пеперуда се образуват, и заснемат непрекъснати изображения на процеса. Това проучване е публикувано в сп. PNAS. Според автора му Матиас Коле, който е машинен инженер, изучаването на този процес може да вдъхнови многофункционални изобретения в ярки цветове, които да осигуряват контрол над температурата и да бъдат водоустойчиви.
“Вярваме, че способността да виждаме и да разбираме процесите в основата на развитието на пеперудите, както и умението им да адаптират структурата и производителността на материала, ще ни помогне да ги преведем в стратегии за формиране на следващото поколение усъвършенствани функционални материали”, казва Коле.
Като за начало изследователите наблюдавали гъсениците на пеперудата, наречена “нарисуваната дама”. Те я изчакали да влезе в метаморфоза - етапа, в който настъпва същественото изменение в строежа на организма и образуването му като самостоятелен индивид, след което се формира и какавидата. След това прецизно изрязали част от обвивката, като поставили на нейно място стъкло с помощта на прозрачен хидрогел, който стимулира възстановяването.
В рамките на дни клетките се подреждат в редици от люспи, образуващи повтарящ се модел под и над крилото - като тухли, наредени върху покрив. Всяка люспа развива в този период миниатюрни канали. Учените смятат, че именно тези канали, наподобяващи хребети, помагат на пеперудите да изхвърлят вода, изпълнявайки функцията на дъждовни улеи, а освен това подозират, че в тази част от крилете си те събират топлина, за да поддържат пространството сухо.
“Смятаме, че тези изводи може да доведат до нови изобретения, защото люспите на пеперудите са чудесен биологичен пример за материално решение с множество функции, всички активирани от една и съща структура”, казва Коле. Тези функции включват контрол върху оптичния външен вид и цвят, терморегулацията, овлажняващи характеристики, както и много други.
Важно е да се обърне внимание и на материала, от който са направени люспите - хитин. Той е биоразградим и е лесен за промяна или освежаване. Това би могло да вдъхнови създаването на нов материал, например спрей, който ще има функциите да придава по-наситен цвят, както и да изолира от вода. Подобно изобретение може да се ползва върху цели сгради, коли, дрехи и обувки.
Подводни дронове ще имитират движенията на пеперуди в археологията
Формите на пеперудата се различават от всяко друго летящо животно, което прави анализирането на полета ѝ още по-вълнуващо за учените. Проучване от 2021 г. установява, че тези насекоми използват ефективен метод за пляскане, чрез който образуват допълнителен тласък.
Двойка биолози от университета в Лунд, Швеция, на име Кристофър Йохансон и Пер Хенингсон, провели аеродинамичен анализ на свободно летящи пеперуди. Открили, че насекомите пляскат с криле, когато замахват нагоре, като се огъват и използват захванатия между тях въздух, за да укрепи следващото им движение надолу. Изпълнението на този процес се различава от пляскането на хората с ръце именно заради допълнителното извиване на крилете.
Чрез експеримент, проведен с две роботизирани пеперуди, едната от които може да огъва крилете си, а другата - не, е доказано, че тази, която ги извива, е с 22% по-силна от другата, както и че крилото ѝ е с 28% по-ефективно.
В природата пляскането с криле вероятно им дава допълнителния тласък, от който се нуждаят, за да избягат от хищниците. Обратно в лабораторията обаче двойката учени се надява, че техните наблюдения вдъхновяват ново поколение летящи и плаващи роботи.
“Днес вече се наблюдават дронове, които работят на принципа на пляскането, като модела DelFly, но те не го използват за задвижване, а вместо това произвеждат енергия от този процес”, коментира Йохансон.
Създаването на гъвкави пляскащи роботи може да бъде нискоенергиен начин за увеличаване на силата на тласъците. По същия начин добавянето на еластичност може да бъде от полза за подводната роботика в тесни пространства, например да се приложи в археологията в моретата и океаните.
