Люди подглядывают за всем, что их окружает. С давних времён они пользовались принципами, взятыми у животного и растительного мира. Ведь лучший экспериментатор на Земле — сама природа. И в наше время человек продолжает создавать устройства и материалы, вдохновлённые способностями тех или иных животных. Рассказываем о некоторых идеях.
Что можно «разглядеть» с помощью звука
Эхолокация у животных основана на их способности испускать и воспринимать отражённые звуковые сигналы, обычно высокочастотные. Время задержки отражённой волны определяет положение, удалённость и размер объектов.
Например, летучие мыши генерируют ультразвук с помощью особых надгортанных связок. Дельфины используют более низкие частоты для эхолокации.
Человек давно взял на вооружение этот метод. Действие аппарата УЗИ основано на распространении продольных механических волн, которые датчик посылает, а после регистрирует отражённые от границ между разными биологическими тканями волны.
Или взять эхолот — прибор для исследования подводного ландшафта. Он испускает электромагнитную волну в исследуемую область, а отражённые колебания возвращаются и регистрируются прибором. Этот временной промежуток и даёт возможность оценить расстояние до объекта. Так же действует и радиолокация летательных аппаратов.
Ультразвуковая дефектоскопия применяется в металлургии, строительстве и авиации. С помощью этого метода находят трещины и другие дефекты в материалах без их разрушения.
Но есть и другие применения ультразвука.
«Ультразвуковая сварка — один из способов соединения поверхностей давлением. Этот метод использует колебания с частотой 20–40 кГц. Сначала металлические детали сжимаются, а после в зону контакта вводят ультразвуковые колебания. Там возрастает температура, что повышает пластичность внешних слоёв металла, испарение плёнок жира и влаги, растрескивание окисного слоя. Так соединяемые детали сближаются на расстояние, достаточное для появления межатомного взаимодействия, благодаря которому образуется монолитное соединение», — рассказывает доцент кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» Пермского Политехнического университета Елена Федосеева.
Ультразвуковая сварка используется для соединения металлических деталей небольшой толщины и полимерных материалов. Основные области применения сейчас — сварка электродов аккумуляторных батарей, сращивание медных и алюминиевых пластин для солнечных батарей, герметизация медных труб в кондиционерах и холодильниках. Также разработан процесс сварки костных тканей в живом организме, основанный на ускорении ультразвуком процесса полимеризации мономеров.
Как «увидеть» с помощью тепла
Способность воспринимать инфракрасный свет называют тепловидением. Змеи делают это, обладая специальными органами — ямками, расположенными рядом с глазами. Эти органы особенно хорошо развиты у гадюк и позволяют им «видеть» тёплые объекты на расстоянии до нескольких метров. Похожие ямки есть у летучих мышей-вампиров. Использование тепла для поиска жертв характерно и для насекомых, таких как комары и клопы.
Человек тоже создал прибор, способный улавливать тепловое излучение — тепловизор. «Любое тело, имеющее температуру выше −273,15 °C, излучает инфракрасные волны. В тепловизоре находится матрица из датчиков, которые меняют электрическое сопротивление при нагреве таким излучением. Аппаратура интерпретирует эти данные как температуру наблюдаемых объектов», — объясняет инженер кафедры общей физики ПНИПУ Константин Латкин.
Тепловизоры стали незаменимыми в медицине, оборонной отрасли и при утеплении жилых помещений. В медицине они используются для бесконтактного и быстрого измерения температуры, что безопаснее и быстрее, чем использовать термометры с токсичной ртутью. В оборонке эти приборы помогают выявлять вражеские боевые единицы даже в сложных погодных условиях. А специалистам в области утепления тепловизоры нужны для обнаружения плохо изолированных от внешних температур областей.
Усилить видимый свет
У кошек и собак в глазах есть особая структура — тапетум. Это отражающая мембрана, которая помогает увеличить количество света, попадающего на сетчатку. Так улучшается видимость в условиях низкой освещённости.
«Подобный принцип человек использовал в электронно-оптическом преобразователе, — рассказывает Латкин. — Прибор работает на двух явлениях: фотоэффекте и люминесценции. При попадании на катод частицы света, фотона, отрицательная частица „выбивается“ и устремляется к люминофору. Это материал, который светится при „встрече“ с электроном, а уже сам свет можно легко различить человеческим глазом. Такие приборы способны обеспечить человеку видимость даже в темноте».
Превратиться в хамелеона
Некоторые животные — например, каракатицы и осьминоги — меняют цвет благодаря особым хроматофорным клеткам, содержащим пигменты. Эти клетки сжимаются и расширяются, что позволяет моллюскам изменять окраску менее чем за секунду. Это необходимо для маскировки либо общения.
Учёные заметили, что моллюски не подстраивают окраску своего тела точь-в-точь под окружающую среду, они зрительно считывают обстановку и выбирают тот шаблон цвета, который заложен в них генетически и отобран в ходе эволюции.
У хамелеона изменение окраски происходит иначе. Поверх слоёв кожи, которые содержат хроматофоры, у него есть два слоя клеток, содержащих нанокристаллы. Именно они влияют на то, как свет отражается от кожи и какой цвет видит наблюдатель. Недавние исследования показали, что хамелеоны меняют окрас в ответ на изменение температуры и настроения, для коммуникации, но в меньшей степени — для маскировки.
А вот учёные сейчас стремятся создать костюм, способный принять цвет окружающей среды. Это будет идеальное средство для маскировки. Для этого в него нужно внедрить видеокамеры, снимающие и распознающие фон за спиной человека, и множество маленьких высокотехнологичных экранов, показывающих изображение этого фона на лицевой части костюма.
Стать бесшумным, как сова
Совы должны быть абсолютно бесшумными, чтобы незаметно подкрадываться к добыче. В этом им помогает особая структура перьев. Волокна изолируют поток воздуха от крыльев, что позволяет избежать громких звуков, включая хлопанье.
Эту идею человек широко использует в строительстве.
«Воздух, а точнее вакуум — лучший звукоизолятор. В качестве материала стен между квартирами, как правило, используются силикатные блоки толщиной 80-100 мм, изготовленные из извести и песка, керамический кирпич, гипсовые пазогребневые плиты или газобетонные блоки. Такие изделия имеют пустоты, что повышает их звукоизоляционную способность, — проводит аналогию с природой доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения Пермского Политеха Степан Леонтьев. — В межквартирных перегородках пространство между блоками заполняют минеральной ватой. Это материал, который делают преимущественно из горных пород (базальта), связующего вещества и специальных добавок. Благодаря волокнистой структуре и воздуху, хаотично расположенному между волокнами, минеральная вата обладает хорошими звукоизоляционными свойствами. Такими же свойствами обладают газобетон, пробка, перфорированные панели из гипса».
