Когда люди получат "животные" способности

Бионика - сравнительно молодая наука. Ее официальная история началась в 1951 г., когда в научно-исследовательском отделе ВМС США было открыто новое направление - изучение живых организмов для разработки новых механических и электронных систем для флота. Спустя девять лет стал официально применяться и термин "бионика". Впрочем, ученые и инженеры заимствовали у природы удачные технологические решения и раньше. Одним из адептов бионики считается Леонардо да Винчи, который моделировал летательные аппараты, подражая строению крыла птицы. В основе конструкции Эйфелевой башни, к примеру, лежит принцип строения скелета.

Корабли с дельфиньей кожей и автомобили с рыбьим профилем

Прежде всего принципы строения живого используются для улучшения технических характеристик оборудования и средств передвижения. Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло немецкому инженеру Максу Крамеру создать особую обшивку подводной части кораблей. Без увеличения мощности двигателя она позволяет повысить скорость на 20-25%. Покрытие, получившее название ламинфло, как и кожа дельфина, не смачивается и имеет особую эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением.

Американские инженеры из Массачусетского технологического института рассчитали, что тяга при колебании плавников рыб эффективнее, чем тяга судового винта. Они сконструировали подводные лодки, которые приводятся в движение колеблющимся плавником, похожим на плавник тунца. Миниатюрные субмарины, более быстрые и маневренные по сравнению с обычными винтовыми роботизированными подлодками, будут использоваться для сбора информации о состоянии мирового океана, поиска и осмотра затонувших кораблей, а также разведывательных операций.

В арсенале Пентагона имеется сверхчувствительный электронный прибор для распознавания запахов различных газов, созданный по подобию органа обоняния обыкновенной мухи. Американские военные оснастили такими газоанализаторами самолеты, предназначенные для поиска в океане дизельных подводных лодок. Самолеты-ищейки берут след по рассеянному в воздухе шлейфу выхлопных газов от лодочных дизелей и следуют по нему до самой точки погружения.

Немало бионических разработок имеется и в сфере авиации. Долгое время проблемой скоростных лайнеров был флаттер - внезапно возникающая вибрация крыльев. Из-за этого в считанные секунды самолет мог просто развалиться в воздухе. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход: крылья лайнера стали делать похожими на крылья стрекозы, с утолщениями на концах, что позволило полностью решить проблему.

Слабое место беспилотников - неспособность огибать препятствия. Специалисты Гарвардского университета выяснили, что прекрасной маневренности птицы достигают благодаря особому движению и повороту крыльев и головы. На основе полученных данных и компьютерного моделирования будут построены беспилотные аппараты нового поколения. Еще одно улучшение для беспилотников - стабильное движение при минимальных воздушных колебаниях - позаимствуют у шмелей. После изучения полета шмелей вида Bombus impatiens в аэродинамической трубе группа ученых Гарвардского университета выяснила, что секрет состоит в особом строении крыльев и их вибрации при полете. Результаты эксперимента станут основой новых авиационных технологий. Сейчас исследователи изучают полет дрозофил. Особый интерес вызывает способность мух садиться вверх ногами, что пока недоступно рукотворным летательным аппаратам.

Что касается автомобильной промышленности, то самым ярким представителем бионических экспериментов стал Mercedes bionic от компании Mercedes-Benz. Прообраз модели - рыбка-кузовок Diodon orbicularis. Несмотря на угловатое, практически кубическое строение тела, кузовок почти идеален с аэродинамической точки зрения: его коэффициент лобового сопротивления всего 0,06. Конструкторам удалось достичь рекордного показателя и у автомобиля - 0,19, почти рекорд для класса компактных машин, минимизирующий расход топлива. Mercedes bionic в среднем потребляет 4,3 л горючего на 100 км, а при движении со скоростью 90 км/ч - 2,8 л. Принципы костеобразования скелета рыбы легли в основу конструкции кузова машины. Автомобиль с "рыбьим" кузовом легче традиционного на треть при увеличении жесткости панелей на 40%.

Человека научат видеть, как насекомые

Одним из самых важных направлений бионики является протезирование. Задача бионических протезов - максимально точно и полно воспроизводить функции утраченных конечностей и недостающих органов. Со временем протезы станут не только более эстетичными, но и приобретут недостижимую ранее чувствительность.
Так, американское оборонное агентство DARPA недавно презентовало протез руки, которым человек может не только управлять с помощью мысли, но и осязать. На ладони размещено несколько сотен сенсоров, передающих прямо в мозг информацию о температуре, плотности и даже текстуре объекта. В активе армии США также бионическая рука Deka Arm, создание которой обошлось в $40 млн. Технология позволяет протезу воспринимать сигналы мозга, посылаемые в несуществующую часть тела, и переводить их в 10 различных движений искусственной руки. Биопротез уже получил одобрение FDA и может использоваться не только в военных госпиталях, но и в гражданских клиниках.

Бионические руки становятся не только более совершенными технически, но и более дешевыми. Так, пару недель назад японская компания Exiii продемонстрировала бионическую руку-протез, созданную с помощью 3D-принтера, стоимостью около $300. Датчики считывают электрические сигналы с оставшейся части руки человека и интерпретируют их с помощью смартфона. Руку можно поворачивать, двигать пальцами и удерживать в ладони предметы.

Мировой лидер по производству бионических протезов ног - американский Университет Вандербильта. Его специалистам удалось добиться максимальной природной достоверности в воспроизводстве коленного сустава и ступни. Пользователи таких устройств могут свободно передвигаться и преодолевать без остановки до 14 км.

При конструкции бионических глаз разработчики все чаще обращаются к уникальным свойствам зрения насекомых, среди которых недоступная для человека способность различать мигание источника света с частотой до 300 Гц, а также огромная глубина резкости. Специалисты Федеральной политехнической школы Лозанны  в рамках проекта CurvACE (Curved Artificial Compound Eyes) создали искусственный глаз из 630 фасеток, которые обеспечивают поле зрения 180 на 60 градусов. А ученые Университета штата Огайо сконструировали глаз, позволяющий добиваться присущей человеку фокусировки и большой глубины резкости и поля зрения в 150 градусов, как у некоторых животных. Эксперты ожидают, что к 2020 г. начнется бум подобных технологий: и по цене, и по доступности они сравняются со смартфонами и планшетами. Причем менять глаза смогут все желающие обрести дополнительные способности.

В американскую армию призовут шимпанзе, мулов и бабочек

Чрезвычайно востребованная сфера бионики - бионические роботы. В частности, такие машины массово создаются по заказу Пентагона: природа оказалась кладезем идей для шпионажа. К примеру, в арсенале американских военных уже имеется ChemBot - робот-слизняк, способный менять форму за счет особого "текучего" материала и передвигаться благодаря заряженной перекисью водорода батарейке. Умещающийся на ладони слизняк может проникнуть на вражеский объект через любую щель или трещину в стене, не превышающую по размеру замочную скважину.
Для разведки DARPA также использует нанодроны - сверхмалые роботизированные летательные аппараты, сопоставимые с колибри. Они похожи на эту птицу внешне и даже используют аналогичную технику полета. Аппарат развивает скорость до 18 км/ч, способен держаться в воздухе 8 мин., противостоять легким порывам ветра. Оператор может управлять работой "колибри", даже если дрон находится вне зоны прямой видимости.

Месяц назад коллекцию подобных разработок пополнила Festo, одна из самых известных бионических компаний мира. Она создала бабочки-дроны eMotionButterflies с такой же высокой маневренностью, как и живые прототипы. Насекомые оснащены полным набором профессионального разведчика: датчиками, гироскопами, акселерометрами, компасами и микроконтроллерами. Управление бионическими бабочками осуществляется с помощью компьютерной системы. В активе Пентагона уже есть нанокомары, способные отравлять кровь жертвы ядом. Теоретически после доработки и модификации аналогичные функции могут выполнять и бионические бабочки.

Менее безобидные задачи у четвероногого бионического робота Legged Squad Support System (LS3), более известного как BigDog. Недавно принадлежащая Google робототехническая компания Boston Dynamics представила его усовершенствованную версию. Прототипом машины стала, кстати, не собака, а скорее мул: робот легко преодолевает неровную местность, неся на себе почти 200 кг боеприпасов, провизии и воды. Модель оснащена набором камер и модулем GPS, что позволяет ей в автоматическом режиме следовать за солдатами.

Для сложной тяжелой работы в активе армии США имеются также робот-шимпанзе Chimp от Университета Карнеги - Меллоун и RoboSimian, разработанный в NASA's Jet Propulsion Lab. Роботы легко справляются с любыми задачами, включая открытие-закрытие заслонок и клапанов, устранение препятствий и завалов, стремительно передвигаются по лестницам и металлоконструкциям.

Но самое главное - это бионическая армия. В частности, в распоряжении Пентагона - гуманоидные солдаты Atlas, Porton Man и PetMan. По официальной версии, первого создали для спасательных операций, двух других - для испытаний комплектов спецодежды, но теоретически такие роботы уже готовые солдаты. Большое количество суставов с повышенным уровнем подвижности позволяет достаточно точно воспроизводить движения человека. А значит, использовать любые виды оружия. Дополненные современными технологиями, железные солдаты способны видеть врага в темноте и даже обнаруживать тепло человеческих тел через стены зданий.

Опубликовано в ежемесячнике "Власть денег" за июнь 2015 г. (№6/431)