Запатентовано природой

Сверхпрочные материалы, сухой клей, аэродинамически совершенные формы — не нужно изобретать велосипед дважды, особенно если его уже изобрели моллюски, гекконы и зимородки. Биомиметика заимствует инженерные решения у природы, порой неожиданным образом меняя их функцию.

Старший преподаватель Сколтеха и автор курса «Прикладная физика биомиметических структур» Юлияна Цветинович рассказала «Ъ-Науке» о своих любимых технологиях, вдохновленных живой природой,— от самоочищающихся поверхностей и роботов-змей до вирусоподобных частиц и системы защиты от подделок на основе крыльев бабочки.

Ученая начала свой путь в биомиметике с изготовления искусственных костей, а с 2019 года занимается диатомеями — микроскопическими водорослями, которые окружают себя узорчатыми стеклянными панцирями. Благодаря своим незаурядным свойствам эти структуры могут послужить моделью оптических элементов для аппаратов медицинской диагностики и других устройств.

— Биомиметика, бионика, биомимикрия — это одно и то же?

— Эти слова используют как синонимы, но для меня биомимикрия имеет некоторый экологический оттенок: мы учимся у природы устойчивым решениям и принципам организации. Бионика — это во многом про замену биологической функции техническим аналогом. Например, протезы, которые работают так же, как настоящие конечности.

Я называю нашу научно-техническую область биомиметикой: мы изучаем функции природных систем, строим модели и стараемся перенести принципы оттуда в область технологий.

— Технологии очень разные: тут и безболезненные иглы для инъекций, вдохновленные комарами, и пассивная вентиляция по образу и подобию термитника. Существует ли тогда абстрактный «биомиметик» или это как хоккеист и прыгун с шестом в одном лице?

— Область настолько гетерогенная, что скорее можно сравнить с олимпийской сборной. Есть научные группы, журналы и конференции по биомиметике, но часто в одном коллективе будут физики, биологи, инженеры, материаловеды, которые работают на стыке дисциплин. У меня, например, кандидатская по физике, но объект биологический — водоросли. А магистратуру я оканчивала по материаловедению.

В общем, специалисты по биомиметике есть, но каждый из них, вероятно, назовет себя биологом, физиком и т. д. Биолог приносит нам своего рода «текст» на языке живой системы. Например, кожу акулы. Потом физик и химик «переводят» его в механизм, в данном случае гидродинамический. А дальше инженер переводит этот механизм, скажем, в гидрокостюм.

— Порядок всегда такой: от природы к технологии?

— С одной стороны, типичный пример — инженер пошел гулять с собакой, на собаку прицепился репейник, и вот наш изобретатель рассмотрел семена под микроскопом, увидел крошечные крючки и придумал застежку-липучку.

Но бывает иначе. Вы слышали про японский экспресс «Синкансэн»?

— Поезд из боевика «Быстрее пули» с Брэдом Питтом.

— Вот только пуля тут ни при чем. У создателей поезда была инженерная проблема: при входе в тоннель головной вагон толкает воздух, как поршень, и на выходе происходит хлопок — много шума. Они стали искать форму, которая позволяет мягко входить из одной среды в другую, и нашли не пулю, а клюв птицы зимородка, которая ныряет за рыбой без шума и брызг.

— Может биолог вместо готового решения принести загадку? Вот компас давно изобрели, а как устроена навигация у почтовых голубей, пока неясно. Но все настойчиво ищут, где они прячут компас.

— Возможно, что отчасти — в печени. У птиц может быть сразу несколько механизмов навигации. В одной недавней работе показано, что богатые железом клетки печени обладают магнитными свойствами и могут участвовать в ориентации голубей по магнитному полю Земли, особенно в пасмурную погоду. Но точный механизм пока неясен.

Похожая история с эхолокацией. Изобретатели сонара не подражали животным, однако развитие ультразвуковой техники помогло биологам понять, как именно летучие мыши и дельфины ориентируются по отраженному звуку. Но и изучение этих животных, в свою очередь, выявило тонкости, которые оказались ценны с инженерной точки зрения.

— Кроме формы, как в случае с поездом, что еще можно перенять у природного объекта?

— В курсе по биомиметике, который я читаю студентам, следующий уровень — это поверхности. Лучший пример — лист лотоса. Он кажется гладким, но под микроскопом видно, что он покрыт микробугорками. А на них расположены еще более мелкие, наноразмерные кристаллы воска. Сочетание этой иерархической структуры и свойств воска делает поверхность супергидрофобной. Вода не растекается по ней, а собирается в круглые капли, которые легко скатываются.

— Зачем это лотосу?

— Капли уносят пыль и грязь. Хотя лотос растет в илистых водоемах, его лист остается чистым, и это помогает поддерживать нормальный газообмен и фотосинтез. Поверхностью лотоса вдохновлены самоочищающиеся покрытия.

— То есть технологическая функция совпадает с природной. А бывает так, что мы используем природное решение не по назначению?

— Конечно. Например, у тропических бабочек морфо ярко-синие крылья. Только синего пигмента в них нет. Из-за микроструктуры чешуек крыльев возникает интерференция, игра света, и мы видим синий оттенок. Так вот, бабочки используют такую структурную окраску для визуальной коммуникации, в том числе для привлечения партнеров, а человек позаимствовал те же оптические принципы для создания элементов защиты от подделки документов и платежных средств.

Еще одна микроструктурированная поверхность — лапки геккона. Они покрыты сотнями тысяч микроскопических щетинок, каждая из которых разветвляется на сотни еще более мелких лопаточек. В результате достигается такая колоссальная площадь соприкосновения с поверхностью, что очень слабых межмолекулярных взаимодействий достаточно, чтобы бегать по стенам и даже потолку. Изобретатели переняли этот принцип в «сухом клее», который может использоваться многократно и не оставляет следов.

— Какой следующий уровень после поверхностей?

— Материалы. Причем, как и у поверхностей, выдающиеся свойства в природе достигаются за счет структуры. Я всегда привожу пример паутины, которая показывает, как сделать волокно легким, прочным и эластичным. Это отличная модель для шовных материалов и защитных тканей.

Или перламутр: он вроде бы сделан из хрупкого материала, но структура у него такая, что трещины идут не прямо, а поворачивают, как в кирпичной кладке, и это добавляет прочности. Устройством перламутра вдохновлены некоторые композиционные материалы.

В магистратуре я делала искусственные кости и хрящи для реконструктивной хирургии из полиэтилена с добавлением коллагена и клеток. Кость — это пористый, но вместе с тем очень прочный материал, потому что все поры и волокна организованы в соответствии с типичными нагрузками. Этот принцип может работать не только в имплантатах, но и, например, в строительных материалах.

— Форма, поверхность, материал — что дальше?

— Следующий уровень — заимствование движения. Речь о роботах, которые копируют способы передвижения змей, насекомых, рыб. Они могут перемещаться там, где плохо работают другие способы. Например, по трубам.

Последний уровень, по крайней мере в моем курсе,— это поведение и организация группы. Здесь мы уже говорим о рое дронов, который воспроизводит групповое поведение косяка рыб или стаи птиц, когда группа ведет себя очень организованно, хотя в ней нет «начальника». Муравьи, например, оставляют феромонные следы, и вся колония за счет этого прокладывает оптимальный маршрут к еде. Подобным образом могут работать алгоритмы оптимизации в логистике.

— Или поиск бензина в сети автозаправок.

— Да, тут тоже нужно ориентироваться на ближайших соседей, чтобы прийти к цели.

— А бывают ведь еще алгоритмы, которые подражают биологической эволюции?

— Да, это, наверное, самый грандиозный уровень. Если я правильно понимаю, то работают они так. Допустим, вы ищете наиболее устойчивую структуру вещества по его химической формуле. Алгоритм генерирует структуры-кандидаты, оценивает их устойчивость, отбирает перспективные варианты, а потом видоизменяет их и повторяет отбор уже для следующего «поколения». У биологической эволюции здесь заимствуется сама логика: вариативность, отбор и наследование удачных решений.

— От грандиозного — к самому маленькому: мы можем чему-то научиться у бактерий и вирусов?

— Они умеют делать то, что пока нам трудно воспроизвести искусственно,— это самосборка, узнавание клеток, проникновение через биологические барьеры. Вирусы можно рассматривать как природные наноконтейнеры, которые вдобавок способны распознавать клетки. Есть ученые, которые занимаются вирусоподобными частицами, то есть оболочками из вирусных белков, но без вирусного генома. Внутрь можно помещать лекарственные молекулы, а поверхность модифицировать так, чтобы частица связывалась с нужными клетками.

А бактерии умеют, например, создавать биопленку — это такой коллективный механизм защиты.

— Но для нас это скорее плохая новость?

— С медицинской точки зрения — очень, но с инженерной — это классный пример самоорганизующегося материала. Нечто подобное можно было бы использовать для создания самовосстанавливающихся и программируемых живых материалов.

— В случае вирусов мы подошли к границе, после которой заканчивается «био-» в биомиметике?

— Строго говоря, да, нас интересует только живая природа. Вообще-то, я видела статью по «геомиметике», в которой природный процесс образования минералов рассматривается как модель гидротермального синтеза, но это уже другая история.

— Какие еще области исторически были тесно связаны с биомиметикой?

— Пожалуй, мы пропустили архитектуру, дизайн. В июне было объявлено о символическом окончании строительства Саграда Фамилия — Собора Святого Семейства в Барселоне — спустя 100 лет после гибели Антонио Гауди. Это пример как раз такого архитектора, который хотел понять природную логику формы. Колонны Саграда Фамилия напоминают деревья: смотришь на них, и возникает ощущение леса внутри храма, но это не просто декор, а распределение нагрузки.

— Фотосинтез — прообраз солнечных батарей или это просто красивая метафора?

— Обычные полупроводниковые солнечные батареи не придумывали с оглядкой на растения. И вообще, солнечная батарея преобразует свет в электричество, а не в химическое топливо. Но есть экспериментальные биомиметические разработки, которые нацелены на выработку «солнечного топлива».

Кроме того, фотосинтез учит нас эффективнее собирать свет. Микроводоросли, например, могут жить на глубине, куда пробивается мало света. И они используют специальные пигменты, которые позволяют по максимуму использовать доступный свет, в основном синий.

А когда света, наоборот, слишком много, водоросли включают защиту, чтобы не повредить фотосинтетический аппарат. У диатомовых водорослей, например, есть неорганический панцирь, который способен перераспределять и локализовывать свет внутри клетки. Есть гипотеза, что это помогает им доставлять свет к хлоропластам. У некоторых видов при сильном освещении хлоропласты перемещаются от периферии клетки ближе к ядру, чтобы защитить его.

— Диатомовые водоросли — главный объект ваших исследований. Расскажите о них поподробнее.

— Я занимаюсь ими с момента поступления в аспирантуру в 2019 году. Диатомовые — это одноклеточные микроводоросли. Известно больше 100 тыс. видов. Форма и размеры у них разные. Самые крупные достигают 2 мм, но в основном они где-то в 100–1000 раз меньше — с такими мы работаем.

Их экологическая роль огромна: они составляют основу фитопланктона, с которого начинается почти любая цепь питания в водных средах. Диатомовые производят порядка 20% атмосферного кислорода.

Отличительная особенность диатомовых — панцирь из диоксида кремния. По сути, это биогенное стекло. У панциря сложная иерархическая структура с множеством отверстий разного диаметра.

— Зачем этот панцирь водоросли и чем он интересен вам?

— Он выполняет много функций сразу: защищает клетку механически, пропускает вещества через поры, влияет на плавучесть и взаимодействие с водным потоком, чтобы занять в толще воды выгодное положение. И наконец, что особенно интересно нам с коллегами, он вызывает оптические эффекты: рассеивает, фокусирует, перераспределяет свет.

— Сами по себе панцири диатомей уже где-то используются?

— Да, но не ради оптических свойств. Используется диатомит — осадочная порода, которая состоит из окаменелых остатков диатомей. Его применяют в качестве абразивного компонента в зубной пасте и адсорбента для фильтров, чтобы удалять в том числе ионы тяжелых металлов из воды.

Есть исследования на животных, когда капсулы с такой структурой наполняют лекарством, чтобы оно постепенно высвобождалось в организме. И если это звучит как научная фантастика, то добавлю, что мы в лаборатории еще мечтаем запустить диатомей в космос, чтобы они там делились, поглощали углекислый газ, делали кислород и производили свое биостекло, которое можно, например, добавлять как упрочняющую добавку в пластик при печати на 3D-принтере.

— В мае вы с коллегами опубликовали новое исследование диатомей. О чем оно?

— В прошлом году мы предсказали, что при взаимодействии с панцирем диатомеи свет будет определенным образом фокусироваться — это называется эффектом Тальбота. Теперь мы получили экспериментальное подтверждение, причем для этого напечатали на 3D-принтере модель панциря, которая где-то в 2 тыс. раз крупнее оригинала. С одной стороны, так было проще провести эксперимент. С другой стороны, при изменении размера вид излучения меняется с видимого света на терагерцевый диапазон, и это интересно с точки зрения практических применений.

— Что это за диапазон и чем он хорош?

— Если рассмотреть электромагнитный спектр, то на нем ТГц-излучение занимает промежуточное положение между инфракрасным и микроволновым. Как и видимый свет, все это электромагнитные волны одной физической природы, различающиеся частотой и длиной волны. При переходе от красного света к инфракрасному, терагерцевому и микроволновому диапазонам частота уменьшается, а длина волны увеличивается.

ТГц-диапазон перспективен с точки зрения методов неразрушающего контроля качества материалов и систем визуализации в биологии. В медицине, естественно, тоже всегда хочется максимально неинвазивных методов, и было бы здорово там, где это возможно, дополнять или частично заменять рентгеновскую и гамма-диагностику терагерцевыми методами.

Проблема в том, что пока для работы с таким излучением сравнительно мало доступных линз, зеркал, дифракционных элементов и прочих деталей, без которых не будут развиваться соответствующие медицинские, научные или промышленные устройства.

— И увеличенная копия «скорлупы» водоросли может стать одним из таких элементов?

— В целом да, хотя ее нужно будет доработать с учетом конкретной задачи: оптимизировать состав материала, размеры, геометрию и т. д. Но мы показали, что в принципе это должно сработать.

— Что вас вдохновляет в биомиметике водорослей помимо диатомей?

— Зеленые водоросли — и не только они — умеют плавать на микромасштабе. Там привычный нам режим движения почти не работает: из-за преобладания сил вязкого сопротивления нельзя один раз разогнаться и дальше двигаться по инерции. Поэтому у этих микропловцов есть жгутики — своего рода хвосты, которыми они совершают ритмические движения, чтобы протолкнуться через жидкость.

Аналогичным образом могли бы передвигаться микророботы. Например, доставщики лекарств в кровотоке. Еще более футуристичный вариант — водоросль-киборг. Живая водоросль будет двигателем, а на ее поверхность можно добавить инженерную нагрузку — лекарственные частицы, магнитный материал, защитное покрытие.

Идея таких маленьких роботов, которые плывут по сосудам, звучит красиво, но это очень сложная задача: в крови сильный поток, иммунная система и прочие препятствия. Пока есть исследования, в которых такие гибридные роботы вводят локально, например, в легкие мышей при моделировании метастазов, и активное движение за счет жгутиков помогает лучше распределять препарат в легочной ткани. Но это все доклинические исследования.

Беседовал Николай Посунько