Наука природной инженерии: Биомимикрия для устойчивого будущего

Природная инженерия, часто называемая биомимикрией или био-вдохновленным дизайном, — это быстрорастущая область, которая стремится решать сложные человеческие проблемы, подражая стратегиям и конструкциям, встречающимся в природе. Этот междисциплинарный подход черпает вдохновение в мире природы, от сложных структур растений до эффективных процессов экосистем, для создания инновационных и устойчивых решений. По сути, природная инженерия задает вопрос: «Что бы природа сделала в этой ситуации?» и затем стремится воспроизвести или адаптировать эти решения.

Что такое биомимикрия?

Биомимикрия — это больше, чем просто имитация внешнего вида природных форм. Это глубокое погружение в основополагающие принципы, стратегии и функции, которые движут природными системами. Речь идет о понимании почему природа делает что-то определенным образом, и затем применении этого понимания к инженерным задачам. Основной принцип биомимикрии заключается в том, что природа за миллиарды лет эволюции уже решила многие из проблем, с которыми мы сталкиваемся сегодня.

Джанин Бенюс, автор книги «Биомимикрия: инновации, вдохновленные природой» ("Biomimicry: Innovation Inspired by Nature"), определяет ее как «инновации, вдохновленные природой». Она подчеркивает, что биомимикрия — это не просто использование природы как источника идей, но и как наставника и мерила. Мы можем учиться у природы ее эффективности, адаптивности и устойчивости, а затем использовать эти уроки для создания продуктов, процессов и систем, которые являются более устойчивыми и гармоничными с окружающей средой.

Уровни биомимикрии

Биомимикрия действует на трех различных уровнях:

• Форма: Имитация формы или структуры природного объекта. Например, проектирование ветряных турбин, форма которых напоминает плавники кита, для повышения эффективности и снижения шума.
• Процесс: Имитация работы природного процесса. Например, разработка систем очистки воды, которые имитируют способ фильтрации воды водно-болотными угодьями.
• Экосистема: Имитация принципов целой экосистемы. Например, проектирование устойчивых городов, которые функционируют как природные экосистемы, с замкнутыми системами управления ресурсами и переработки отходов.

Примеры природной инженерии в действии

Применение принципов природной инженерии можно увидеть в различных секторах, предлагая устойчивые и инновационные решения глобальных проблем.

Архитектура

Здания несут ответственность за значительную долю мирового потребления энергии и выбросов парниковых газов. Биомимикрия предлагает многочисленные возможности для проектирования более энергоэффективных и экологически чистых зданий. Примеры включают:

• Центр «Истгейт», Хараре, Зимбабве: Это здание использует пассивную систему охлаждения, вдохновленную термитниками, для регулирования температуры. Термитники имеют сложную сеть туннелей, которая позволяет горячему воздуху выходить, а прохладному — циркулировать. Центр «Истгейт» использует аналогичную систему для поддержания комфортной температуры в помещении, не полагаясь в значительной степени на кондиционирование воздуха, что экономит значительное количество энергии и средств.
• Проект «Эдем», Корнуолл, Великобритания: Геодезические купола проекта «Эдем» вдохновлены структурой мыльных пузырей и клеточной структурой растений. Эти легкие и прочные конструкции обеспечивают стабильный и эффективный способ ограждения больших пространств, создавая уникальную среду для разнообразных видов растений.
• Самовосстанавливающийся бетон: Вдохновленные способностью человеческого тела к самоисцелению, исследователи разрабатывают самовосстанавливающийся бетон, который содержит бактерии, способные ремонтировать трещины. Когда вода проникает в бетон, бактерии активируются и производят карбонат кальция, который заполняет трещины и предотвращает дальнейшие повреждения. Эта технология может продлить срок службы бетонных конструкций и снизить затраты на их обслуживание.

Материаловедение

Природа предлагает богатый источник вдохновения для разработки новых и усовершенствованных материалов. Примеры включают:

• Паучий шелк: Паучий шелк — один из самых прочных и эластичных материалов, известных человечеству. Исследователи изучают структуру паучьего шелка для разработки новых высокопроизводительных волокон для таких применений, как пуленепробиваемые жилеты, медицинские швы и легкие композиты. Несколько компаний сейчас производят синтетический паучий шелк с использованием методов биоинженерии.
• Клеи, вдохновленные гекконами: Гекконы могут карабкаться по гладким поверхностям благодаря миллионам крошечных волосков на лапках, называемых щетинками, которые создают сильные силы Ван-дер-Ваальса. Исследователи разработали клеи, вдохновленные гекконами, которые имитируют этот механизм, обеспечивая прочное и обратимое сцепление без необходимости в клеях или других химикатах. Эти клеи имеют потенциальное применение в робототехнике, производстве и медицине.
• Клеи, вдохновленные мидиями: Мидии могут прикрепляться к камням в суровых подводных условиях благодаря особым белкам, которые они выделяют. Исследователи изучают эти белки для разработки новых водонепроницаемых клеев для медицинских и промышленных применений. Эти клеи могут использоваться для восстановления тканей, герметизации ран или склеивания материалов во влажной среде.

Робототехника

Природа является богатым источником вдохновения для проектирования роботов, которые могут двигаться, ощущать и взаимодействовать с миром новыми способами. Примеры включают:

• Роботы Boston Dynamics: Компания Boston Dynamics известна своими роботами, которые имитируют движение и ловкость животных, таких как собаки и гепарды. Эти роботы предназначены для навигации по сложной местности, переноски тяжелых грузов и выполнения задач в сложных условиях.
• Дроны, вдохновленные пчелами: Исследователи разрабатывают дроны, вдохновленные пчелами, которые могут опылять урожай, инспектировать инфраструктуру и проводить поисково-спасательные операции. Эти дроны имитируют схемы полета и сенсорные способности пчел, что позволяет им эффективно перемещаться в сложных средах и собирать данные.
• Роботы, вдохновленные змеями: Роботы, вдохновленные змеями, могут перемещаться в узких пространствах, преодолевать препятствия и инспектировать трубопроводы. Эти роботы имитируют гибкое и адаптивное движение змей, что позволяет им получать доступ к областям, недоступным для других типов роботов.

Управление водными ресурсами

Нехватка воды — это растущая глобальная проблема, и биомимикрия предлагает инновационные решения для очистки, сохранения и управления водными ресурсами. Примеры включают:

• Сбор воды: Жук из пустыни Намиб собирает воду из тумана, конденсируя ее на своей бугристой спине. Исследователи разрабатывают материалы, имитирующие эту структуру поверхности, для сбора воды из тумана в засушливых регионах. Эти материалы могут использоваться для обеспечения чистой питьевой водой общин, не имеющих доступа к надежным источникам воды.
• Фильтрация воды: Водно-болотные угодья и мангровые заросли естественным образом фильтруют воду, удаляя загрязняющие вещества и осадки. Исследователи проектируют искусственные водно-болотные угодья и проекты по восстановлению мангровых зарослей для улучшения качества воды и защиты прибрежных экосистем. Эти естественные системы фильтрации более устойчивы и экономичны, чем традиционные водоочистные сооружения.
• Аквапорины: Аквапорины — это белки, обнаруженные в клеточных мембранах, которые способствуют быстрому транспорту воды. Исследователи разрабатывают мембраны на основе аквапоринов для очистки и опреснения воды. Эти мембраны могут фильтровать воду более эффективно и требуют меньше энергии, чем традиционные методы.

Сельское хозяйство

Устойчивое сельское хозяйство имеет решающее значение для пропитания растущего мирового населения при минимизации воздействия на окружающую среду. Биомимикрия предлагает решения для повышения урожайности, сокращения использования пестицидов и улучшения здоровья почвы. Примеры включают:

• Интегрированная борьба с вредителями: Вместо того, чтобы полагаться на химические пестициды, фермеры используют стратегии интегрированной борьбы с вредителями (IPM), которые имитируют природные экосистемы. IPM включает использование комбинации биологического контроля, агротехнических приемов и физических барьеров для борьбы с вредителями при минимизации вреда для полезных насекомых и окружающей среды.
• Нулевая обработка почвы: Нулевая обработка почвы имитирует естественные процессы разложения и круговорота питательных веществ в лесах и на лугах. Избегая вспашки, фермеры могут уменьшить эрозию почвы, улучшить инфильтрацию воды и повысить здоровье почвы. Нулевая обработка почвы также связывает углерод в почве, помогая смягчить последствия изменения климата.
• Поликультура: Поликультура предполагает выращивание нескольких культур вместе на одном поле, имитируя разнообразие природных экосистем. Поликультура может повысить урожайность, уменьшить вспышки вредителей и болезней, а также повысить плодородие почвы.

Преимущества природной инженерии

Природная инженерия предлагает широкий спектр преимуществ, в том числе:

• Устойчивость: Биомимикрия способствует устойчивому дизайну, используя природу в качестве модели для создания продуктов, процессов и систем, которые являются экологически чистыми и ресурсоэффективными.
• Инновации: Биомимикрия может стимулировать инновации, предоставляя новые перспективы и идеи для решения сложных проблем. Природа предлагает обширную библиотеку решений, которые могут вдохновить на создание новых технологий и подходов.
• Эффективность: Природные системы часто очень эффективны, используя минимальное количество энергии и ресурсов для достижения своих целей. Имитируя эти системы, мы можем создавать более эффективные и экономичные продукты и процессы.
• Устойчивость к внешним воздействиям: Природные экосистемы устойчивы, адаптируются к изменяющимся условиям и восстанавливаются после нарушений. Проектируя системы, имитирующие эти характеристики, мы можем создавать более устойчивую инфраструктуру и сообщества.
• Снижение воздействия на окружающую среду: Биомимикрия может помочь уменьшить наше воздействие на окружающую среду, способствуя использованию возобновляемых ресурсов, минимизации отходов и сокращению загрязнения.

Проблемы и соображения

Хотя природная инженерия предлагает многочисленные преимущества, существуют также проблемы и соображения, которые необходимо учитывать:

• Сложность: Природные системы часто сложны и взаимосвязаны, что затрудняет полное понимание и воспроизведение их функций.
• Масштабирование: Масштабирование решений биомимикрии от лаборатории до реальных приложений может быть сложной задачей и требовать значительных инвестиций.
• Этические соображения: Важно учитывать этические последствия биомимикрии, такие как обеспечение устойчивости использования природных ресурсов и уважение прав коренных общин.
• Интеллектуальная собственность: Защита интеллектуальной собственности, связанной с биомимикрией, может быть сложной, поскольку природа не патентуется.

Будущее природной инженерии

Область природной инженерии быстро развивается, что обусловлено технологическим прогрессом, растущим осознанием экологических проблем и все большим признанием потенциала биомимикрии. Будущие тенденции в природной инженерии включают:

• Расширенное использование искусственного интеллекта: ИИ можно использовать для анализа больших наборов биологической информации и выявления многообещающих решений в области биомимикрии.
• Разработка новых материалов: Исследователи разрабатывают новые био-вдохновленные материалы с улучшенными свойствами, такими как самовосстанавливающиеся, самоочищающиеся и самособирающиеся материалы.
• Интеграция биомимикрии в образование: Включение биомимикрии в образовательные программы может вдохновить следующее поколение новаторов и решателей проблем.
• Сотрудничество между дисциплинами: Природная инженерия требует сотрудничества между инженерами, биологами, дизайнерами и другими экспертами для эффективного воплощения уроков природы в практические решения.

Мировые примеры и инициативы

Многочисленные организации и инициативы по всему миру способствуют использованию природной инженерии для решения глобальных проблем.

• Институт биомимикрии (Глобальный): Эта некоммерческая организация предоставляет образование, обучение и ресурсы, чтобы помочь отдельным лицам и организациям применять принципы биомимикрии.
• AskNature (Глобальный): База данных, содержащая биологические стратегии, которые можно использовать в качестве вдохновения для дизайнерских решений.
• Международное общество бионической инженерии (ISBE) (Международное): Содействует исследованиям и разработкам в области бионической инженерии.
• Многочисленные университетские исследовательские лаборатории: Университеты по всему миру, в том числе в США, Европе, Азии и Австралии, активно исследуют биомимикрию и био-вдохновленный дизайн. Например, Институт биологически вдохновленной инженерии Висса при Гарвардском университете является ведущим исследовательским центром в этой области.
• Компании, внедряющие биомимикрию: Многие компании, большие и малые, включают биомимикрию в свои процессы разработки продуктов. Примеры включают Interface (производитель напольных покрытий) и Patagonia (компания по производству одежды для активного отдыха).

Практические советы: Как принять участие

Хотите узнать больше о природной инженерии и о том, как применять ее в своей работе?

• Образовывайтесь: Читайте книги, статьи и веб-сайты о биомимикрии и био-вдохновленном дизайне.
• Пройдите курс: Запишитесь на курс или семинар по биомимикрии, чтобы изучить ее принципы и методы.
• Присоединяйтесь к сообществу: Общайтесь с другими энтузиастами биомимикрии через онлайн-форумы, профессиональные организации и местные мероприятия.
• Обратитесь к природе: Проводите время на природе и наблюдайте за стратегиями и конструкциями, которые используют природные системы для решения проблем.
• Применяйте биомимикрию в своей работе: Подумайте, как принципы биомимикрии можно применить к вашим собственным проектам и задачам.

Заключение

Природная инженерия предлагает мощный и многообещающий подход к решению некоторых из самых насущных мировых проблем. Учась у природы, мы можем создавать инновационные и устойчивые решения, которые более эффективны, устойчивы и гармоничны с окружающей средой. По мере того как мы продолжаем сталкиваться со сложными глобальными проблемами, принципы биомимикрии будут становиться все более важными для создания более устойчивого и процветающего будущего для всех.