От паутины до радаров: как животные вдохновили ученых на создание новых технологий

Наблюдая за искусными паутинами пауков, древние люди открыли секрет плетения сетей. Сегодняшний человек продолжает черпать вдохновение в возможностях животных, создавая новые приборы и материалы. Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) рассказали о том, как с помощью ультразвука обнаруживаются микроскопические дефекты и осуществляется визуализация внутренних органов человека. Они объяснили, как работает тепловизор и какой орган позволяет змеям ощущать температурные изменения. Каким образом специальные устройства помогают нам видеть в темноте, подобно кошкам? Насколько мы можем подражать хамелеонам? И какие материалы способны защитить нас от шумных соседей?



«Видеть» с помощью звука

Эхолокация у животных основывается на способности излучать и воспринимать отраженные высокочастотные звуковые сигналы, обычно ультразвук (от 20 кГц и выше), который человеческое ухо не улавливает. Этот метод помогает им ориентироваться и находить пищу в темноте, определяя расстояние и размеры объектов по времени задержки отраженной волны.

«Например, летучие мыши генерируют ультразвук особыми надгортанными связками, звуковая волна выходит в пространство через рот и нос, а отраженный от предметов УЗ собирается ушными раковинами, во внутреннем ухе происходит перекодирование колебаний в нервные импульсы, которые поступают в мозг и обрабатываются. У летучих мышей эхолокация эффективна на расстоянии до 20 м. У дельфинов дальность зависит от размера предметов и особенностей среды и может достигать 200 м. А вот пещерные стрижи-саланганы используют для эхолокации звуки с более низкой частотой, которые воспринимаются ухом человека», — рассказывает доцент, кандидат биологических наук Анна Ахова.

С помощью ультразвука научился видеть и человек. Аппарат УЗИ основан на принципе распространения продольной механической волны, посылаемой датчиком, и регистрацией отраженной волны с границ раздела биологических тканей с разной плотностью. На практике используются колебания c частотой от 1 до 30 МГц.

«УЗИ подходит для исследования органов брюшной полости (печени, поджелудочной железы, селезенки и т. д.), щитовидной и молочных желез, кровотока. Оно позволяет выявить наличие новообразований или уплотнений в исследуемой области (которые могут быть доброкачественными или раковыми), сужение сосудов из-за наличия бляшек, наличие камней в мочевом пузыре или почках, патологии структур сердца, разрыв связок суставов, сухожилий, мышц и так далее», — отмечает Владислав Никитин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ.

«Эхолот — это прибор, используемый для изучения подводного ландшафта. Он работает довольно просто: устройством испускается электромагнитная волна в исследуемую область, и когда волна сталкивается с препятствием, она отражается. Возвращенные колебания регистрируются прибором, и по времени, которое волна затратила на путь к объекту и обратно, вычисляется расстояние до него. Это принцип похож на радиолокацию, которая помогает диспетчерам точно определять, когда самолет входит в воздушное пространство аэропорта с высокой точностью», — объясняет Константин Латкин, старший преподаватель кафедры общей физики Пермского Политеха.

«Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металла и воздуха) почти полностью отражаться, позволило применить его для выявления брака. Ультразвуковую дефектоскопию эффективно применяют в металлургии, строительстве, авиации. Метод позволяет найти дефекты в материале без его разрушения. Специальный сканер направляет и принимает ультразвуковые колебания, отраженные от внутренних трещин, расслоений и т. д.», — добавляет Елена Федосеева, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сварочное производство, метрология и технологии материалов».

Как мы используем ультразвук

«Например, ультразвуковая сварка — один из способов соединения поверхностей давлением. Этот метод использует колебания с частотой 20–40 кГц. Сначала металлические детали сжимаются, в зону контакта вводят ультразвуковые колебания. Там возрастает температура, что повышает пластичность внешних слоев металла, испарение пленок жира и влаги, растрескивание окисного слоя. Так соединяемые детали сближаются на расстояние, достаточное для появления межатомного взаимодействия, благодаря которому образуется монолитное соединение», — объясняет Елена Федосеева.

Ультразвук можно применять для соединения металла небольших толщин или сваривания полимерных материалов. Основными сферами применения сейчас являются: сварка электродов аккумуляторных батарей, сращивание медных и алюминиевых пластин для солнечных панелей герметизация медных труб в кондиционерах и холодильниках. Разработан процесс сварки костных тканей в живом организме. В его основе лежит свойство ультразвука ускорять процесс полимеризации некоторых мономеров.

«Тепловое» зрение

Способность воспринимать инфракрасный (ИК) свет еще называют тепловидением. Змеи улавливают ИК волны с помощью особых органов — ямок, расположенных рядом с глазами. В этих ямках находится мембрана, покрытая терморецепторами, которые активируются в ответ на повышение температуры. Наиболее развиты эти органы у гадюк и позволяют им «видеть» теплые объекты на расстоянии до нескольких метров. Импульс от рецепторов передается в мозг и обрабатывается в зрительном центре, что позволяет змее определять форму предметов и расстояние до них. Похожие ямки располагаются в районе носа у летучих мышей-вампиров, что позволяет им также «видеть» в ИК-диапазоне. Использование тепла в качестве ориентира при поиске жертвы характерно также для насекомых, в том числе комаров и клопов.

«У человека терморецепторы тоже имеются, но информация, поступающая от них, не используется для формирования зрительных образов. Хотя результаты некоторых исследований говорят, что в особых условиях человеческий глаз может улавливать излучение в ИК-диапазоне. При этом такой свет воспринимается как видимый», — отмечает Анна Ахова.

«Прибор, который может улавливать тепловое излучение, называется тепловизором. Любое тело с температурой выше -273,15°C излучает инфракрасные волны. В тепловизоре есть матрица небольших датчиков, называемых болометрами, которые меняют свое электрическое сопротивление, когда нагреваются от этого излучения. Эти изменения интерпретируются как температура объектов, которые мы наблюдаем. Частота наиболее интенсивной электромагнитной волны, испускаемой объектом, зависит от его температуры. Например, звезды также измеряются по цвету: красные звезды — самые холодные (около 3500°C), а голубые звезды — самые горячие (от 30 000°C), » — объясняет Константин Латкин.

Незаменим тепловизор стал для медицины. При осмотре пациента намного безопаснее измерить его температуру бесконтактным и быстрым способом. Наблюдательные тепловизоры с большой дальностью обнаружения помогают сотрудникам оборонной отрасли выявлять вражеские боевые единицы даже в самую плохую погоду. Людям, профессионально занимающимся утеплением жилых помещений, тепловизор необходим для выявления плохо изолированных от внешних температур областей.

«В своем опыте работы на производстве я столкнулся с интересным примером использования тепловизора. Мы разрабатывали оптическую схему для анализа люминесцентных свойств активного оптоволокна, но результаты измерений оказались противоречивыми. С помощью тепловизора нам удалось быстро выявить проблему: один из компонентов работал нештатно из-за перегрева. Когда мы идентифицировали источник высокой температуры, решили проблему с помощью обычной системы охлаждения. Это показывало, насколько важно контролировать температуру в производственных процессах. Я уверен, что подобная ситуация характерна не только для фотоники. Отслеживание избыточного нагрева критически важно при работе с электронными компонентами, различными типами двигателей и даже в процессе производства взрывчатых веществ», — добавляет Константин Латкин.

Усиление видимого света

У некоторых животных, например у кошек и собак, есть особая структура в глазах — тапетум, которая отражает свет и помогает им лучше видеть в темноте.

«Человек использует схожий принцип в электронно-оптических преобразователях. Эти приборы основаны на двух явлениях: фотоэффекте и люминесценции. В их основе лежит чувствительный элемент с катодом — электродом, на поверхности которого много электронов. Когда фотон света попадает на катод, он выбивает один электрон, который затем стремится к люминофору — материалу, который светится при контакте с электроном. Этот свет уже может восприниматься человеческим глазом.

Иногда в схемы добавляются дополнительные электроды, чтобы один электрон мог выбивать большее количество других частиц, что запускает лавинный процесс. Эти приборы позволяют человеку видеть даже в очень темных условиях, обеспечивая ясное изображение», — объясняет Константин Латкин

Камуфляж

Некоторые животные, такие как каракатицы и осьминоги, меняют цвет благодаря хроматофорным клеткам с различными пигментами. Сжимая и расширяя эти клетки, моллюски могут изменять окраску менее чем за секунду, используя это для камуфляжа или общения. Они не подстраиваются точно под окружение, а воспринимают общий тренд цвета и выбирают подходящий шаблон, заложенный генетически.

У хамелеонов изменение окраски происходит иначе. У них под хроматофорами находятся иридофоры, которые содержат нанокристаллы и влияют на отражение света. Плотность упаковки этих кристаллов определяет отражаемые длины волн и цвет хамелеона. Исследования показывают, что хамелеоны меняют окрас, реагируя на температуру и настроение, а не только для камуфляжа.

Олег Зверев, кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики ПНИПУ рассказывает, что для улучшения маскировки человека разрабатываются специальные халаты для вооруженных сил. Эти костюмы будут использовать видеокамеры для распознавания фона и высокотехнологичные экраны, чтобы отображать окружающую среду на лицевой части костюма.

Звукоизоляция

Совы остаются бесшумными благодаря особой структуре перьев, которая изолирует поток воздуха и предотвращает громкие звуки, возникающие при хлопанье крыльев.

«В качестве звукоизолятора воздух, а точнее вакуум, считается лучшим. Для стен между квартирами используют силикатные блоки, керамический кирпич и газобетон, которые имеют пустоты, повышающие звукоизоляцию. Пространства между блоками заполняют минеральной ватой, сделанной из базальта, что также улучшает звукоизоляционные свойства благодаря ее волокнистой структуре. Такими же свойствами обладают пробка, перфорированные панели из гипса. Для нежилых помещений могут быть использованы звукоизоляционные материалы на полимерной основе — пенополиэтилена, пенполипропилена и др.» — рассказывает Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» в ПНИПУ.

От шумных соседей сверху помогут навесные потолки, например, из гипсокартона, или натяжной материал. Между ним и реальной потолочной поверхностью образуется воздушная прослойка. Другой способ скрыть звук — отразить волну от поверхности. Так поступают при отделке звукозаписывающих студий. Специальные акустические панели из вспененного полиэтилена с неровным рельефом многократно «отражают» и затем гасят звуковые колебания, не пропуская их в соседние помещения. Пористая структура также помогает снизить уровень шума.