Наша рассылка позволит вам оперативнее узнавать о том, как меняется железнодорожный мир!
Вы будете получать уведомления о публикации новых статей
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь c политикой конфиденциальности
Подпишитесь на нашу страницу в Facebook!

Живые и роботы

Бионические технологии сегодня уже позволяют не только использовать органические материалы в промышленности или создавать новые уникальные природные формы машин и зданий. Человек тоже постепенно становится частью мира, управляемого искусственным интеллектом. Через несколько лет фантастические фильмы и романы о людях-киборгах могут найти отражение в реальной жизни.
Бионика — это наука о применении в технических устройствах и системах форм, свойств, функций и структур живой природы. Именно она лежит в основе большинства поворотных изобретений в истории человечества. Даже на создание колеса, строго говоря, изобретателей вдохновило солнце, совершающее свой путь с востока на запад. Ну или скатывающиеся с горы камни. Затем появлялись корабли, мельницы, ткани. Люди не переставали искать в окружающем мире подсказки. Не стеснялись «заимствовать» у природы идеи такие гении, как Леонардо да Винчи и Архимед.

В XIX—XX веках бионику постепенно стали отодвигать на второй план. Казалось, что будущее человечества за робототехникой или цифровизацией. Но вскоре выяснилось, что большинство технологических решений универсальны. Их можно с равным успехом использовать и на заводе, и на транспорте, и на селе. Задача специалистов — правильно адаптировать решение, найти ту изюминку, благодаря которой технология выстрелит именно в конкретных условиях. И бионика триумфально вернулась. Оказалось, что использование природных форм и материалов позволяет получить максимальный эффект от автоматизации и цифровизации бизнеса.

Повторимые формы

Сегодня существует несколько уровней погружения современных технологий в мир живой природы. Самый простой и одновременно самый древний — позаимствовать форму живого организма.

В 2005 году Mercedes-Benz презентовал проект Bionic Car. Дизайнеры решили придать модели вид рыбы-коробки (кузовка-кубика). Инженеры доказали, что машина такой формы будет расходовать меньше энергии и будет более маневренной в движении. Концепт остался непонятым многими потребителями, но, возможно, просто опередил свое время. Сейчас практически каждый автоконцерн может похвастаться подобным концептом.
Mercedes-Benz Bionic Car
Применение бионических дизайнерских решений уже стало новым трендом в локомотивостроении. Удачным примером подобного дизайна стал японский поезд «Синкансэн», перемещающийся со средней скоростью 360 км/ч. Чтобы сделать его более бесшумным для эксплуатации в городских районах и туннелях, локомотиву придали дизайн птицы зимородка, чтобы «форма клюва» позволяла смягчать звуковой удар.

В свою очередь, в конце 2020 года китайский машиностроитель CRRC представил первый грузовой поезд в мире, достигший скорости 350 км/ч. Чтобы снизить сопротивление воздуха, локомотиву придали форму осетра.
Задача специалистов — найти изюминку,
благодаря которой технология выстрелит
Природную форму вовсе не обязательно придавать транспортным средствам. Например, решение оборудовать лопасти вет­ряных турбин дополнительными гребнями в форме ласт горбатых китов позволяет одновременно увеличить подъемную силу и уменьшить сопротивление. После добавления этого элемента ветряные электростанции начали потреблять на 25% меньше, а производить на 20% больше энергии.

В свою очередь, в Зимбабве архитекторы скопировали структуру пустынных термитников для проектов систем дымоходов и вентиляционных выводов зданий. Оказалось, что таким строениям нужно на 90% меньше энергии для обогрева и охлаждения.
Лопасти ветряных турбин стали оснащать дополнительными гребнями в форме ласт горбатых китов

3D-ускорение

Дополнительный стимул распространению бионических решений в последнее десятилетие дало развитие 3D-печати. Как оказалось, аддитивные технологии идеально подходят для воплощения сложных бионических форм. Их уже применяют для создания протезов, в машиностроении и строительстве. Новые изделия оказываются легче обычных аналогов, но как минимум не проигрывают им по прочности или гибкости.

С помощью аддитивных технологий Toyota смогла воплотить в жизнь дизайн автокресла, смоделированного в структуре костного скелета. Его вес составил около 7 кг против 25 кг у аналогичной продукции.
Аддитивные технологии идеально подходят для воплощения бионических форм
Именно 3D-печать использовали для производства титановых крепежей для бионических багажных полок самолета А350. Их вес снизился на 45%. Теперь в компании работают над печатью бионических материалов больших размеров.

Первым шагом в этом направлении стал проект по производству перегородки для самолетов семейства А320, отделяющей пассажирский салон от кухни. На 3D-принтере ее отпечатили из специального материала Scalmalloy (сплава алюминия, магния и скандия). Получилась бионическая структура, имитирующая паутинную сеть. По сравнению с перегородками, которые в настоящее время используются в самолетах, вес изделия снизился на 30 кг. Пока это крупнейший в мире компонент салона самолета, созданный на 3D-принтере.

Toyota продемонстрировала кресло, созданное с помощью 3D-принтера
Протез позвоночника, напечатанный на 3D-принтере. Пекин, 2018 год

Сложнее и сложнее

Следующий уровень сложности существующих бионических решений — сымитировать не только форму, но и манеру движения живых организмов.

Разработчики роботов уже много лет создают такую технику. Уже существует машина, которая использует крючки, чтобы цепляться за неровности, и ямы, чтобы закрепиться, а потом прилипнуть к поверхности, как это делают осы.

Другое интересное решение — сельскохозяйственный робот, перемещающийся над полем на натянутых над ним тросах. Он перехватывает их руками, раскачиваясь, как на лиане. Бионический подход основан на копировании движений ленивца. Существует уже даже робот-таракан, который избегает препятствий, выполняя прыжки в высоту на расстояние более полутора метров.

Но в последние годы ученые все чаще стали задумываться, как использовать еще и естественные свойства живых организмов. Например, в мире существует уже несколько моделей робомедуз. Обычно их делают из пластика и проводов, а используют для наблюдения за морской средой. Такая форма повышает маневренность роботов в воде. Но одним из наиболее удачных считается проект ученых из Массачусетса. Для своего аппарата они культивировали ткань сердечной мышцы крысы. Она сокращается при электрическом стимулировании в жидкой среде. Эта мышца стала сердцем робота, которое поместили в «тело» (силиконовый полимер) и выпус­тили в океан. Такая медуза абсолютно безопасна для экосистемы, и ее собираются использовать даже на Большом барьерном рифе в Австралии.
форма медузы повышает
маневренность робота в воде
Несколько лет назад ученые начали выращивать спонгин (вещество, из которого состоит скелет морских губок) для создания композитных материалов. Он устойчив к воздействию кислот, а также выдерживает нагревание до 360 °C при наличии кислорода и до 1200 °C в бескислородной среде.

После термообработки карбонизированный материал воспроизводит форму и уникальную микроархитектуру природного каркаса губки. По крепости он сопоставим с графитом. Из него уходит минеральная составляющая, и образуется твердая пористая структура с большой открытой поверхностью. На нее можно наносить катализатор для экологической очистки воды. Он очень быстро перерабатывает агрессивные химические вещества в нейтральные.

Спонгин должен стать заменой таким дорогим и не всегда экологичным материалам, как углеродные нанотрубки и нанопористые материалы.
Робот в форме медузы, разработанный компанией Festo
Андрей Рипецкий,
руководитель направления «Технологии цифрового и аддитивного производства» МАИ:
3D-принтинг — это инструмент для моделирования и создания геометрических форм бионического дизайна. Его можно заменить и обычными методами промышленного производства, но порядка 70% бионических деталей эффективнее создавать именно с помощью аддитивных технологий. Это особенно актуально, если в бионической форме есть внутренние полости или сложные каналы. А иногда 3D-печать — это вообще единственный выход. Так, раньше технологически невозможным было создание нераздельных деталей, допустим, для целей протезирования, и приходилось стягивать шпильками несколько раздельных элементов.

Пока 3D-принтинг также имеет ограничения. Накоплено не так много опыта печати бионических изделий, нужно больше анализа: не всегда очевидно, как долго оно прослужит. Например, в Голландии недавно презентовали напечатанный мост с применением бионически оптимизированной геометрической формы, но это лишь концепт, и пока неясно, как поведет себя конструкция со временем.

Серийно выпускаемые промышленные принтеры имеют ограничения по габаритам изделий, которые они могут воспроизвести. Но геометрическая форма и правильное технологическое членение сегодня могут дать решения по использованию самого распространенного размера камеры построения промышленных 3D-принтеров выборочного лазерного сплавления из металлопорошковых композиций (250 х 250 х 300 мм). Принтеры с большой рабочей зоной (от 500 х 500 х 500 мм) для печати металлами — пока очень дорогой инструмент.

Кроме этого, одним из основных сдерживающих факторов развития как технологий моделирования бионической формы, так и способов ее 3D-принтинга является нехватка подготовленных кадров. Другая проблема — недостаток программного обеспечения. Когда мы получаем предварительную геометрию после топологической оптимизации, это происходит полуавтоматически (результат оптимизации тоже зависит от инженера, который формирует начальные требования). Человеку надо дополнительно обрабатывать модель. Потом сложности могут возникнуть при печати, ее результат пока сложно прогнозировать. Впрочем, результаты в горизонте ближайших лет могут быть значительно улучшены за счет применения технологий искусственного интеллекта в этих процессах.

Венец природы

Использование свойств живых существ в сложных технологических решениях стало третьим, самым глубоким уровнем погружения в бионику. После удачных результатов экспериментов с природными материалами было лишь вопросом времени, когда героем подобных исследований станет самый сложный биологический организм — человек.

В начале 2021 года ученые из Университета Колорадо представили кольцо, которое относится к категории «носимых» устройств (wearable). Это своеобразный термоэлектрический генератор, преобразовывающий внутреннюю температуру тела в электричество. Прибор использует естественное тепло человека, чтобы питать прочие аппараты, — от часов до планшета.

По словам исследователей, их устройство способно производить порядка одного вольта энергии на каждый квадратный сантиметр кожи. Это меньшее напряжение на площадь, чем у большинства существующих батарей, но оно достаточно для питания других wearables, таких как часы или фитнес-трекеры. Устройство можно носить как кольцо или любой другой аксессуар, который касается кожи. При этом ученые заверяют, что мощность прибора можно увеличить, добавив больше блоков генераторов, то есть, допустим, увеличить кольцо до размеров браслета.
Эксперимент по воссозданию изображения по электрической активности мозга
Новые технологии превращают человека
в ходячую батарею
С разницей в неделю Корейский институт науки и технологий представил свое термоэлектрическое устройство. Оно не столь изящно и крепится на гибкую подложку, из которой можно изготовить, например, перчатки. Но при соприкосновении с кожей также начинает генерировать энергию. Раз производителей у устройства будет несколько, то наводнить мировой рынок аппаратом, превращающим человека в ходячую батарею, технически можно в течение нескольких лет.

Использование тепла живого тела в качестве батарейки для гаджетов лишь цветочки. Синергия от интеграции человека в общий механизм с нейросетями и искусственным интеллектом уже сегодня превосходит самые смелые ожидания.

Полем для экспериментов стала медицина. Современные бионические протезы уже имитируют естественные движения человека и отслеживают мышечную или нервную активность организма. Но они эффективны, если конечности пациента сохранили моторные функции. Несколько лет назад ученым удалось имплантировать в мозг человека чип, посылая мысленные сигнал через который он смог двигать ранее парализованной рукой.
Бионические протезы стали прорывом в медицине
А недавно в лаборатории нейроробототехники МФТИ начали воссоздавать по электрической активности мозга изображения, которые человек видит в данный момент.

Альтернативные технологии по распознаванию и ретрансляции изображений с помощью сигналов мозга гораздо сложнее в применении. Они основаны на функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ), то есть требуют имплантации и хирургического вмешательства. Для нового решения достаточно электро­энцефалограммы (ЭЭГ), легко снимаемой с головы, и нейросети, которые в реальном времени реконструируют просматриваемое человеком видео.
Человек сольется в один организм
с искусственным интеллектом
Через несколько лет на основе новой технологии можно создать работающий в реальном времени канал связи «мозг — компьютер», удобный и доступный нейроинтерфейс, не требующий имплантации. На начальном этапе это будет новый тип устройств для постинсультной реабилитации, управляемых сигналами из головы.

Технологии, которые пока пробуются в медицине, неизбежно скоро получат промышленное применение. Уже не кажется научной фантастикой сценарий, когда человек просто сольется в один организм с искусственным интеллектом. Лишь одной силой мысли он сможет управлять сотнями самолетов или поездов, передавать и транслировать видео, фото и текстовые данные, а легким движением руки разгружать контейнерные вагоны.

Кольцо — термоэлектрический генератор
КОРОТКО
  • Бионика — это наука о применении в технических устройствах и системах форм, свойств, функций и структур живой природы.
  • Применение бионических дизайнерских решений уже стало трендом в локомотивостроении.
  • Дополнительный стимул распространению бионических решений в последнее десятилетие дало развитие 3D-печати.
  • Использование природных материалов также помогает ученым создавать уникальные продукты. Потому живые организмы все чаще сами становятся частью технологичных решений.