18.06.2001 И снова о бионике: Человеческая рука, муравьи-листорезы и страусиное яйцо на службе научного прогресса

Некоторое время назад мы посвятили две передачи новейшим исследованиям и достижениям в области бионики. Эти передачи вызвали весьма оживлённую реакцию. Для некоторых слушателей они стали своего рода подтверждением верности избранного направления в их собственных научных изысканиях. Так, Юрий Навольнев из украинского города Дружковка пишет о том, что он сам вот уже 6 лет изучает механику полёта насекомых, ставит соответствующие опыты, и всё это время вынужден терпеть нарекания жены: зачем, мол, великовозрастный инженер занимается всякой ерундой, возится с мухами, бабочками, жуками и стрекозами. Судя по письму Юрия, передача «Немецкой волны», в которой мы рассказали об аналогичных исследованиях американских биофизиков, облегчила его участь, поскольку стала в глазах жены неоспоримым доказательством серьёзности и важности этой тематики. Ну что ж, будем надеяться, что и сегодняшняя передача не только вызовет, так сказать, пассивный интерес общего характера, но и пробудит научное любопытство или даже послужит стимулом к активной изыскательской деятельности. В Германии, например, только что был утверждён проект, цель которого – координация исследований в области бионики. Первый этап проекта рассчитан на 3 года, на его реализацию Министерство образования и науки выделило более 4,5 миллионов марок. В рамках проекта предполагается финансировать те или иные научные программы, оказывать поддержку в деле прикладного использования результатов фундаментальных исследований, более широко информировать общественность о достижениях бионики. Так, совсем недавно стало известно об открытиях, сделанных совместно немецким учёным Рудольфом Баннашем и его украинским коллегой Константином Кебкалом при изучении механизмов биокоммуникации на примере дельфинов. Результаты, полученные двумя исследователями, могут совершить переворот в технике передачи информации. Первые натурные испытания в Северном и Балтийском морях уже показали, что предложенная учёными технология позволяет надёжно передавать под водой цифровые пакеты данных на значительные расстояния. Эта технология не только наглядно демонстрирует применимость достижений бионики на практике, но и открывает новые перспективы в решении задач пространственной ориентации и навигации.

Как это ни парадоксально, но позаимствовать кое-какие технические решения у живой природы умудряются даже конструкторы, работающие в космической отрасли, хотя к жизнедеятельности в условиях вакуума, лютого холода и невесомости эволюция вроде бы ни один из наземных организмов не готовила. Но отправка в космос человека – дело, сопряжённое с риском и с немалыми расходами, поэтому там, где это возможно, исследователи предпочли бы посылать на орбиту роботов. Правда, пока роботы остаются в целом довольно неуклюжими созданиями, но недавно их возможности значительно расширились благодаря новому манипулятору. Он именуется «Рука-2».

Эта рука способна не только очень ловко выполнять множество различных операций, но поднимать каждым пальцем груз массой до 3-х килограммов. Профессор Герд Хирцингер, директор Института робототехники и мехатроники в городе Оберпфаффенхофене, подчёркивает, что при разработке манипулятора инженеры многое подсмотрели у природы:

Конструируя пальцы, мы провели очень много экспериментов с человеческой рукой и подробно изучили, например, ту исключительно важную функцию, которую выполняет большой палец. Результаты этих исследований нашли отражение в конструкции манипулятора. Правда, кое в чём мы отступили от прототипа – в частности, ограничились четырьмя пальцами вместо пяти, – но опирались при этом опять же на наши опыты. А они показали, что мизинец функциональной нагрузки не несёт, природа задумала его как некий запасной элемент, обеспечивающий лишь дополнительную надёжность системы.

Механическая «Рука-2» буквально нашпигована сенсорами – их тут ни много ни мало 84 штуки. Задача сенсоров – регистрировать положение пальцев и силы, действующие на каждый их них. Весь этот поток данных обрабатывается интегрированными в руку микропроцессорами – с таким расчётом, чтобы для управления манипулятором хватило стандартного последовательного интерфейса с 12-ю контактами. Конечно, пока механическая рука во многом уступает живой, но не во всём, – говорит профессор Хирцингер:

Мы разработали сенсоры, которые позволяют бесконтактно измерять расстояние до поверхности объекта. Для этого используется лазерная технология. Природа такими сенсорами не располагает: закрыв глаза, человек не может рукой определить, далеко ли до препятствия. То есть мы не собираемся слепо копировать природу. Однако мы всё же многое у неё заимствуем. Например, когда ищем способ облегчить нашу конструкцию. По такому показателю, как масса на единицу мощности, мы ориентируемся на человеческую руку. И всю кинематическую схему мы тоже позаимствовали у природы: мы строим роботов с 7-ю суставами – ровно столько их в человеческой руке. Это обеспечивает нашему роботу необходимую подвижность и гибкость – в отличие от промышленных роботов, которые обычно имеют лишь 6 суставов.

Конструкторы признают, что для особо тонких операций их механическая рука пока не годится. Однако с космонавтами, движения которых сковывают скафандры, роботы вскоре смогут вполне успешно конкурировать, – считает профессор Хирцингер:

Мы в этом нисколько не сомневаемся. Нельзя забывать, что робототехника насчитывает всего лишь 40 лет. Так что мы уверены: в условиях, не столь жёстко организованных, как, скажем, заводской цех, в условиях, не рассчитанных изначально на автоматизацию, нам просто придётся придать роботам манипуляторы, которыми те смогут управляться почти как человек своими руками. Конечно, поначалу роботы будут действовать более неуклюже, чем люди, но со временем эта разница сойдёт на нет.

Итак, специалисты в области бионики участвуют в решении проблем освоения космоса. Впрочем, им хватает работы и на Земле. Недавно они заинтересовались, например, темой упаковки. Конечно, огромные и продолжающие расти горы мусора из отслужившей своё упаковки – это сугубо человеческое достижение. Однако природа тоже умеет упаковывать свою продукцию и поддерживать её в свежем состоянии, причём делает это эффективнее и экологичнее, чем люди. Наглядный пример – яйцо страуса.

Страусиное яйцо, вернее, его скорлупа – это весьма впечатляющее изделие матушки природы: и внешне, потому что она светится как старинный фарфор, и внутренне, потому что она представляет собой идеальную упаковку – причём не только для страусят. Скорлупа страусиных яиц вполне может соперничать с любой искусственной тарой для поддержания продуктов в свежем состоянии. Бушмены в Намибии давно используют это свойство яиц, – говорит доктор Удо Кюпперс, бременский специалист в области бионики:

Непосредственным поводом для того, что вплотную заняться изучением этого природного объекта, послужило использование его бушменами. В пустыне питьевая вода – дефицит, её не встретишь на каждом шагу, значит, её нужно запасать впрок. А чтобы она при хранении не портилась, бушмены стали искать – и нашли – подходящие сосуды для своих запасов.

Выяснить, в чём секрет страусиных яиц, и по возможности использовать его в современном производстве – типичная для бионики задача. Бременский учёный взялся за её решение и обнаружил, что скорлупа страусиных яиц обладает особой микроструктурой. Она допускает газообмен содержимого яйца с внешней средой, однако не пропускает внутрь микроорганизмы и молекулы веществ, своими размерами превышающие молекулу кислорода. И что же в результате?

Если вы «запакуете» в страусиное яйцо какую-либо жидкость – это вовсе не обязательно должна быть вода, можно взять, например, и молоко, – и оставите её в покое на несколько месяцев, то по истечении этого срока вы убедитесь, что жидкость не просто прекрасно сохранилась, но что её качество выше, чем в любой другой упаковке из тех, что используются сегодня в пищевой промышленности.

По своему химическому составу скорлупа страусиных яиц ничем не отличается от скорлупы яиц куриных: это та же самая известь. Однако страус придаёт скорлупе не только нужную форму, но и ту самую особую структуру. Курица таким талантом не обладает: её яйца способны обеспечить свежесть только цыплятам, но уж никак не молоку. Отличие страусиной скорлупы от стеклянных бутылок, вощёных пакетов «тетрапак» и всех прочих промышленных упаковок носит принципиальный характер: в яичной скорлупе содержимое дышит, в промышленной упаковке оно герметически изолировано от внешней среды. Соки в бутылках могут храниться месяцами лишь благодаря консервантам, молоко не прокисает неделю-другую, только если подверглось предварительно пастеризации. Теперь Удо Кюпперс занят поиском материала, способного воспроизвести свойства страусиной скорлупы:

Мы пытаемся – в этом-то, в конечном счёте, и состоит задача бионики – имитировать эту природную упаковку техническими средствами. Но это не значит, что мы намерены искусственно воссоздать абсолютно точную копию страусиной скорлупы. Мы ставим перед собой иную цель: используя имеющиеся в нашем распоряжении технические возможности, сконструировать некую слоистую структуру, которая даёт такой же физический эффект, как природная скорлупа.

Однако просто созданием некоей полупроницаемой мембраны с заданными свойствами задача не ограничивается. Эта мембрана должна быть экологически чистым продуктом, то есть при её производстве не должно возникать никаких загрязняющих окружающую среду отходов, а сама она должна поддаваться биологическому разложению: ведь в природе никаких свалок не бывает. Значит, необходимо найти правильное сочетание материалов:

Мы ищем, главным образом, натуральные материалы, которые затем собираемся соединить с искусственными. Надеемся разработать своего рода природно-технические композиты.

Впрочем, это всё теория, а Удо Кюпперс разработал уже и некий прототип чудо-материала. Правда, пока с его помощью удаётся надолго сохранить в свежем виде от силы одну чайную ложку жидкости. О составе этого опытного образца учёный говорить отказывается. А стоящую перед ним задачу в самом общем виде формулирует так:

В конечном счёте цель состоит в том, чтобы создать мембрану, которая могла бы обеспечить хранение в свежем виде определённых жидкостей без потребления энергии и без искусственного охлаждения, как это имеет место в холодильнике. Вот наша главная цель.

Мне, честно говоря, кажется, что до той поры, пока место привычного холодильника на кухне займёт полка с сосудами из заменителя страусиной скорлупы, пройдёт ещё некоторое время. А вот другой патент природы, позволяющий создавать и поддерживать в жилом помещении оптимальные климатические условия, обеспечивать комфортную температуру, эффективную вентиляцию и т.д., находит практическое применение уже сегодня. Многому инженеры и архитекторы научились у муравьёв и термитов:

Термиты широко распространены во многих, преимущественно тропических, регионах нашей планеты, и пользуются они, прямо скажем, плохой репутацией: повреждают деревья и виноградную лозу, разрушают деревянные постройки и мебель, подтачивают ограды. Нашествие термитов может за несколько месяцев сделать дом непригодным для жилья, а то и просто превратить его в труху. Однако у архитекторов и проектировщиков эти насекомые вызывают порой чувство, близкое к восхищению, – говорит Дитер Зеегерс, управляющий делами Кёльнского объединения инженеров-строителей:

В том, что касается вентиляции, распределения воздушных потоков, термитник сконструирован так удачно, что нам не грех бы у природы и поучиться.

Муравьи-листорезы строят огромные подземные гнёзда, по размерам не уступающие иному винному подвалу. Вход в гнездо представляет собой надземный, закруглённый сверху конус, пронизанный вентиляционными каналами. Выходные отверстия каналов концентрируются в центральной части конуса у его вершины. Ветер, обдувающий муравейник, создаёт – в полном соответствии с законами газовой динамики – разрежение, которое отсасывает отработанный воздух из внутренних помещений. А воздухозаборные отверстия у основания муравейника засасывают свежий воздух. Этот принцип – в той или иной форме – всё чаще находит практическое применение в архитектурных проектах, разработанных Кёльнским объединением инженеров-строителей. Дитер Зеегерс говорит:

Мы построили в Берлине высотный многоквартирный дом, причём вся наветренная сторона здания представляет собой простирающийся снизу доверху остеклённый фасад. Благодаря сложной системе вентиляционных заслонок, управляемых компьютером, нам, с одной стороны, удалось обеспечить воздушные потоки, которые пронизывают здание, а с другой стороны, передать давление посредством специальных вытяжных шахт. Иначе говоря, мы скомбинировали избыточное давление с тягой. Тяга создаётся так называемой створкой Вентури, установленной на крыше здания.

При возведении здания техникума в Санкт-Августине под Бонном Кёльнское объединение инженеров-строителей тоже разработало необычную конструкцию вентиляционно-отопительной системы, идея которой позаимствована у термитов. Прежде чем попасть в аудитории, воздух проходит по подземному воздуховоду длиной в 150 метров: зимой такое техническое решение обеспечивает нагрев, а летом – охлаждение поступающего внутрь здания воздуха, делая в значительной мере излишними кондиционеры.

Конечно, современные компьютерные технологии и программы позволяют моделировать и просчитывать воздушные потоки в помещениях и зданиях любой конфигурации. Однако когда речь заходит о поиске действительно новаторской идеи, то на неё инженеров гораздо чаще наталкивает всё же не компьютер, а живая природа.