От липучек до сверхскоростных пассажирских экспрессов природа вдохновила на некоторые из самых впечатляющих подвигов человеческих инноваций. Этим летом крабоподобный подводный робот, разработанный корейскими учеными, будет искать древние артефакты в Желтом море. Дроны имитируют полетные движения птиц и пчел. И наше будущее биомиметики выглядит ярко.
Горстка исследователей сейчас в восторге от нового творения: синтетической кожи.
Морские животные используют свою кожу, чтобы помочь ориентироваться и выживать в окружающей среде. Дельфины, живущие в холодных водах, на самом деле имеют толстую кожу, чтобы изолировать их тела и оставаться теплыми. Облицованная кожей осьминога не только содержит миллионы нервов, которые помогают им ощущать и захватывать добычу, но также имеет уникальные изменяющие цвет клетки, которые могут сделать их невидимыми для хищников. Кожа неровностей этой линии плавников грудных китов увеличивает плавучесть животного. Итак, ученые видят потенциал.
Используя технологию 3D-печати и компьютерного моделирования, исследователи разрабатывают искусственную, но реалистичную кожу морских животных для использования во всем, от антимикробных дверных ручек до подводных роботов. Джордж Лаудер, ихтиолог из Гарвардского университета в Бостоне, и его команда разработали первую настоящую искусственную кожу акулы с помощью топового 3D-принтера.
Предыдущие попытки были связаны с использованием резиновых форм и ткани, и исследователи изо всех сил пытались изготовить материал с использованием как мягких, так и твердых компонентов. Купальники, вдохновленные кожей акулы, произвели сенсацию на Олимпийских играх 2008 года, но исследовательская группа Лаудера фактически обнаружила, что материал в костюмах, таких как Fastskin II от Speedo, на самом деле не имитирует кожу акулы или уменьшает сопротивление, потому что в ней отсутствуют зубцы.
Акулы могут плавать с высокой скоростью через океанские воды благодаря крошечным зубчатым зубчикам, покрывающим их шелковистую кожу. «Это оказывается очень важной характеристикой производительности кожи акулы во время плавания», - говорит Лаудер. Казалось бы, гладкая кожа лучше для скорости. Но он добавляет: «На самом деле хорошо быть шероховатым, иметь шероховатую поверхность определенного типа, когда вы хотите перемещаться в текучей среде, воде или воздухе с максимальной эффективностью».
С помощью микро-КТ-сканера команда Лаудера сканировала фактическую шкуру мако-акулы. С помощью сканирования они создали 3D-модель и отправили модель на 3D-принтер, который изготовил пластиковый полимерный материал. с мягкой основой, покрытой жесткими зубчатыми структурами. Конечный продукт обладает наждачной бумагой на коже акулы. В резервуаре в своей лаборатории исследователи проверили искусственную кожу и обнаружили, что она увеличила скорость на 6, 6 процента и уменьшила расход энергии на 5, 9 процента по сравнению с гладким пластиковым плавником без зубцов.
Увеличенное изображение узоров на зубах, найденных на голове акулы мако. (Изображение: Йоханнес Оффнер, Ли Вен, Джеймс Уивер и Джордж Лаудер) 
Зубчики на голове акулы. (Изображение: Йоханнес Оффнер, Ли Вен, Джеймс Уивер и Джордж Лаудер) Зубы плавников акулы (Фото: Йоханнес Оффнер, Ли Вен, Джеймс Уивер и Джордж Лаудер) 
Зубчатые узоры на туловище мако-акулы (Изображение: Йоханнес Оффнер, Ли Вен, Джеймс Уивер и Джордж Лаудер) «Если бы вы могли сделать купальник со структурой из зубчатой кожи или чешуек акулы на гибкой поверхности, которую вы могли бы носить, и которая была бы относительно гидрокостюма для всего тела, это действительно улучшило бы ваши плавательные характеристики», - говорит Лаудер. Но этот новый материал не совсем готов к прайм-тайм. «В настоящее время было бы очень и очень сложно внедрить такую структуру в любую ткань», - добавляет он. Это подвиг на следующее десятилетие.
Материал, похожий на кожу акулы, может также служить линией защиты от биологического обрастания или скопления водорослей и ракушек на дне судов. Большинство противообрастающих красок токсичны, поэтому искусственная кожа акулы может стать экологически чистой альтернативой. В 2005 году исследователи в Германии разработали силиконовый материал, вдохновленный кожей акулы, который сократил оседание ракушки на 67 процентов. Затем, в 2008 году, инженер Энтони Бреннан применил аналогичный подход, создав материал под названием Sharklet, имеющий текстуру, похожую на зубчик, и предотвращающую 85% нормальной адгезии водорослей на гладких поверхностях. Sharklet также был применен к медицинским приборам и больничным поверхностям. В больницах и даже в общественных ванных комнатах бактерии могут легко распространяться от человека к человеку, поэтому покрытие этих дверных ручек и оборудования материалом, который противостоит бактериям, может уменьшить количество инфекций.
Исследователи из Университета Дьюка в Северной Каролине также разработали материал против обрастания, который дергается или морщится, как кожа животного (в этом случае лучшая аналогия - дергание лошади при прикосновении мухи) при стимуляции. Другая группа в Имперском колледже Лондона пытается создать материал трубы, покрытый микроскопическими ударами и химическими веществами, которые отталкивают воду - вдохновленный кожей дельфина.
С точки зрения дизайна, кожа акулы также может быть использована для того, чтобы сделать крылья самолета более энергоэффективными - приложение, которое Лаудер считает полезным в будущем. Добавление зубчатых структур в плоскости может уменьшить сопротивление. Аналогичным образом, грудные плавники кита уже вдохновили дизайн крыла вертолета.
Однако, пожалуй, самое интересное использование этих материалов лежит в развивающейся области био-вдохновленных подводных роботов. «У нас будут новые виды подводных роботов, которые имеют гибкие изгибающиеся тела, которые движутся как рыба», - говорит Лаудер. Работает несколько рыбных роботов на батарейках, и, по логике вещей, добавление к ним кожи искусственной акулы может увеличить скорость и эффективность использования энергии. Лаудер и его команда сотрудничают с исследователями из Университета Дрексел в Филадельфии над роботом-рыбой. С тех пор они расширили свое изучение механики кожи, чтобы посмотреть на различные виды рыб, а также увидеть, как различные формы и модели чешуи влияют на плавание.
С помощью 3D-печати ученые смогут узнать еще больше о том, как зубчатые или масштабные узоры на рыбе влияют на силы плавания. «Вы можете изменить расстояние [зубцов]; Вы можете сделать их вдвое дальше. Вы можете поразить их, сделать так, чтобы они накладывались друг на друга, чтобы они не перекрывались, и внести множество изменений, чтобы начать фактически отделять ключевые особенности кожи акулы », - говорит Лаудер. Эти эксперименты помогут ученым усовершенствовать искусственные шкуры.
«В настоящее время это быстро развивающаяся область, - говорит Джордж Джеронимидис, инженер из Университета Рединга в Великобритании. - Мы только начинаем понимать, насколько интегрированной и функциональной является кожа морских существ».
Лаборатория Jeronimidis разработала искусственную кожу осьминога. Кожа осьминога имеет свой набор сложностей: она мягкая, гибкая и наполнена миллионами сенсорных нейронов, которые помогают организму ориентироваться в окружающей среде. Синтетическая версия инженера состоит из нейлоновых волокон, залитых в силиконовую резину, которые сохраняют эластичность кожи, но при этом устойчивы к разрывам. У него даже есть присоски, хотя они пассивны - настоящий осьминог может манипулировать каждым присоской индивидуально.
Хотя предстоит еще много работы, в будущем подводные роботы могут быть наделены скоростью акулы или сенсорным интеллектом осьминога. И, обладая сложной искусственной кожей, они могли рисковать там, где люди не могут - от навигации по темным водам нефтяных разливов до поиска обломков самолета и, возможно, даже исследования самых глубоких глубин океана.
