Животные и растения, подсказавшие идеи создателям космического оборудования

Лопух: застежка скафандра

Строение плодов лопуха подсказало идею для создания застежки-липучки

Восемьдесят лет назад, гуляя с собакой, французский изобретатель Жорж де Местраль обратил внимание на то, как крепко прикреплялись плоды лопуха к шерсти спаниеля. Местраль посмотрел на них в увеличительное стекло и обнаружил небольшие крючочки, в которых были запутаны волоски пса. После 14 лет экспериментов Жорж де Местраль получил патент и открыл фирму Velcro , которая производила нейлоновую липучку. Именно 1955 год можно считать и официальной датой рождения новой науки — бионики.

Липучка оказалась настолько функциональной и простой в применении, что уже в 1969 году ремешок от часов и скафандр американского астронавта, ставшего первым человеком, ступившим на Луну, были снабжены липучками Velcro. Сегодня ни один сектор Международной космической станции не обходится без застежки, состоящей из двух кусочков ткани, один из которых подражает шерсти спаниеля, а другой — корзинкам лопуха.

Сегодня ученые и инженеры по всему миру продолжают вдохновляться идеями живой природы, чтобы решать сложные технологические проблемы. А космическая отрасль получает их на вооружение одной из первых.

Жираф: система жизнеобеспечения

Кровеносная система жирафа стала прототипом механизма кмпрессионого костюма астронавтов

Еще в начале XX века датский физиолог и лауреат Нобелевской премии Август Крог заметил, что интересно было бы изучить кровеносную систему жирафа. Но занялись этим физиологи только в середине XX века, когда выяснилось, что при быстром наборе высоты и в невесомости кровь у астронавтов и пилотов отливает к ногам, в результате чего они могут потерять сознание. У жирафа схожие проблемы и на Земле, где работает сила притяжения. Отек конечностей предотвращает не только огромное сердце весом 11 килограммов, пульс 170 ударов в минуту и длинная сонная артерия, снижающая кровеносное давление на подступах к мозгу, но и строение ног. Длинные конечности покрывает плотно прилегающая толстая кожа, мощные мышцы выталкивают кровь наверх, а в кровеносных сосудах есть клапаны, не допускающие переполнения сосудов кровью.

Подобным образом работает противоперегрузочный костюм для летчиков и космонавтов: в нижнюю часть комбинезона нагнетается воздух, ткань плотно обжимает ноги и таз, что предотвращает отлив крови от головы. В 2012 году при участии NASA был разработан новый тип скафандров BioSuit с силовым каркасом из никель-титановых нитей с эффектом памяти. В отличие от обычных скафандров, включающих до 13 слоев разнообразных материалов, основу BioSuit составляют всего два слоя металлизированного спандекса, под который помещается слой поропластового или гелевого термоизолятора. Надев скафандр, астронавт активирует механизм, и костюм автоматически плотно обжимает тело.

Паук-гладиатор: широкая сеть

Принцип охоты паука-гладиатора использован для сбора космического мусора

Паук-гладиатор (Deinopis subrufa) , обитающий в Восточной Австралии и Тасмании, владеет необычной тактикой охоты: создает паутину и натягивает ее между передними лапами. Как только потенциальная жертва приближается, паук набрасывает на нее паутину.

Принцип охоты гладиатора использовали для сбора космического мусора. По расчетам Европейского космического агентства, в 2019 году на околоземной орбите находилось более 29 тысяч фрагментов размером свыше 10 сантиметров. Каждый из них представляет опасность для МКС и других аппаратов, выполняющих задачи на высоких скоростях. Инженеры британской компании SSTL вместе со специалистами Airbus и Университета Суррея разработали аппарат RemoveDEBRIS, оснащенный своеобразным гарпуном и сетью, а также лидаром и камерой для отслеживания расположенных неподалеку объектов. Испытания аппарата провели на МКС: с борта станции был сброшен фрагмент, имитирующий космический мусор, и RemoveDEBRIS успешно поймал его с помощью сети.

Верблюд: лунное копыто

Верблюд помог решить проблему с долговечностью шин лунохода

Верблюд передвигается по пустынным барханам, не увязая по колено в песке, благодаря широким копытам, снизу которых есть толстые и мягкие мозоли.

В 1971 году миссия «Аполлон-15» вывела луноход на поверхность Луны, что позволило астронавтам преодолеть около 17 миль. В следующем году миссия «Апполон-17» установила рекорд расстояния, пройдя на луноходе более 22 миль. В 2029-м Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) планирует преодолеть на Луне расстояние более шести тысяч миль. Столь масштабная задача сопряжена с новыми проблемами. Одна из них — не увязнуть в лунном грунте, оставшись без колес. Частички грунта похожи на абразивный материал и быстро стирают легкую резину. Для решения этой проблемы в 2020 году компания Bridgestone создала особое колесо, использовав принцип копыт верблюдов. На колесе как бы сдвоенные шины из подобия стальной ваты, расположенные вплотную друг к другу, при этом рисунок протектора на них направлен в противоположные стороны. Такое устройство более долговечно, позволяет оптимизировать распределение веса лунохода и не проваливаться глубоко в лунный песок.

Геккон: крепкое сцепление

Строение лап геккона легло в основу «конечностей» роботов LEMUR

Пальцы гекконов покрыты ворсинками, концы которых расширены подобно строительному шпателю. Благодаря им между пальцами и поверхностью, по которой геккон перемещается, возникают вандерваальсовы силы, а также срабатывает эффект контактной электризации (притяжения между положительно и отрицательно заряженными частицами). В результате ящерица может висеть на одной лапе и бегать по скользким листьям. Этот принцип заложен в механизм конечностей робота LEMUR , разработанного в Лаборатории реактивного движения для обслуживания орбитальных космических аппаратов. «Пальцы» робота снабжены пластинами с тремя крючками, обладающими подвижностью. Когда контактная площадка упирается в поверхность, крючки под разным углом цепляются за неровности, фиксируя робота. Подобный тип площадок применяется и на марсоходе Perseverance .

Чешуя гекконов покрыта мелкими шипиками. Благодаря им капли воды остаются шарообразными и не образуют единой водяной пленки на теле. Этот принцип использовали специалисты Массачусетского технологического института, создавшие в 2012 году самоочищающееся, небликующее, гидрофобное и незапотевающее стекло. Его поверхность состоит из ряда регулярно расположенных микроскопических конусов, препятствующих растеканию капель воды. В 2020 году появились прототипы материалов для обшивки самолетов и ракет, обладающие аналогичными свойствами.

Слон: точный захват

Хобот слона — идеальный механизм для захвата мелких предметов

Ловкости и точности, с которой орудует своим хоботом слон, можно только позавидовать: он без труда может захватить даже маленькую травинку или веточку.

Создание полноценных манипуляторов, заменяющих руки космонавтов и позволяющих не только производить операции на МКС, но и исследовать другие планеты при помощи управляемых аппаратов, — одна из основных задач разработчиков. Инженеры немецкой компании Festo, создавшие в 2010 году манипулятор Bionic Handling Assistant, использовали принцип действия хобота слона. Манипулятор — это супергибкий «хобот» с мягкими «пальцами» на конце, которые надежно и бережно удерживают предметы. Устройство не только копирует хобот внешне (роборука покрыта гофрированным полимером, подражающим складчатой коже слона), но и полностью подражает движениям хобота благодаря сложной системе сенсоров. Компания Festo надеется, что подобные «хоботы» уже в скором времени могут прийти на смену привычным манипуляторам, которые, увы, не способны похвастаться той же точностью и плавностью движений.

Птицы: эффект мурмурации

Принцип движения стаи птиц помогает управлять группой малых спутников

Проект «Рой», разрабатываемый Сколтехом, предполагает использование малых космических спутников, или кубсатов (их размер всего 10 см³), для обнаружения гамма-вспышек, происходящих во Вселенной. Для управления большим числом спутников применяют модель, основанную на феномене мурмурации (так называется скоординированный полет птиц в стае).

Первую подобную модель разработал в 1987 году специалист по компьютерной графике Крейг Рейнольдс. Ранее трехмерная симуляция полета стаи основывалась всего на трех правилах: не сближаться со скоплениями сородичей, двигаться в направлении среднего курса и стремиться к средней позиции соседних объектов. Сейчас известно, что факторов значительно больше.

Биолюминесценция: свет будущего

Свечение морских животных отражено в скафандрах NASA

Биолюминесценция довольна распространена в животном мире: многие микроорганизмы, насекомые, медузы и глубоководные рыбы используют свет для привлечения половых партнеров или приманивания жертв. Эффект свечения возникает в результате химической реакции люциферина и фермента люциферазы. Биолюминесценция у животных может быть настолько яркой, что достичь в лабораторных условиях подобного эффекта пока не удается.

Однако в 2015 году NASA все же использовала идею свечения животных при разработке скафандра нового поколения Z-2 Biomimicry. На костюмы нанесены разные светящиеся элементы. По мнению инженеров, уникальные комбинации элементов позволят при работе в экстремальных условиях отличать одного астронавта от другого. Каждый скафандр печатается на 3D-принтере на основе 3D-модели астронавта, чтобы максимально точно подстроить снаряжение под размеры и форму тела определенного человека.