Всё исключительное и идеальное уже давно существует и инженеры тут не при чем. Разберемся более детально. Что общего у зимородка,  соцветия репейника  и намибийского жука? Помимо того, что они были живыми организмами, все они служили источником вдохновения для творческих человеческих технологий для решения сложных проблем.

Природа создала много шедевров, и чем дальше продвигается человек по пути развития технологий, тем больше полезных уроков живой мир может преподать ученым и инженерам. Само по себе заимствование применялось с давних времен: попытки изготовления конструкций по примеру природных были описаны еще в древнегреческих мифах, однако пионером в этой области считается Леонардо да Винчи, интересовавшийся техникой птичьего полета с целью создания устройства для передвижения в воздухе. Вот лишь небольшая часть таких изобретений. 

Гладкий клюв зимородка придал обтекаемый носовой дизайн высокоскоростным поездам в Японии. Первые сверхскоростные поезда
имели один общий минус - как только они выезжали из тоннеля, слышался громкий звук, похожий на взрыв. Естественно пассажиры после такого
не могли уже расслабиться до конца поездки. Инженер и по совместительству любитель птиц Ейджи Накатсу (Eiji Nakatsu) понял, что нос поезда
должен пронизывать воздух с большей эффективностью.На помощь он обратился к зимородковым. Зимородок имеет клиновидный клюв, что позволяет врезаться в другую среду (воду) без создания фронта волн. Если бы клюв у зимородка был закруглённый, то он толкал бы воду вперёд и пугал рыбу, на которую охотится.

После созревания корзинки репейника с семенами легко цепляются к шерсти животных (или одежде человека). Таким образом семена разносятся на значительные расстояния. Репейник вдохновил Джордж де Местраль на крюк и липучку Velcro застежки, которые сегодня применяется в производстве обуви, одежды, различных аксессуаров, в оборудовании станков и даже на орбите – на Международной космической станции. Кроме репейника, примером растения с плодами-зацепками является череда.

А спина намибийского жука подсказала людям решение проблемы нехватки воды в пустыне. Он во время тумана поднимает свою спину выше головы и замирает. Если присмотреться, можно увидеть, что на поверхности его тела собираются капли конденсированного тумана. Благодаря тому, что спина приподнята, капли воды стекают вдоль неё и попадают жуку прямо в рот. Таким образом жук утоляет жажду.

 Влага, которую жук получил благодаря своей способности, составляет около 40 % веса его тела.Способность этого жука вдохновила людей на создание уникальной техники сбора воды. Создатель данной системы Пак Китэ (Pak Kitae) из Сеульского технического университета. Его изобретение копирует форму и функцию панциря жука, чтобы утреннюю росу превратить в питьевую воду для тех, кто живет в местах с ограниченным доступом к воде.

При проектировании стратегических самолетов-разведчиков в шестидесятых придумали рассекатель воздушного потока, созданный по аналогии с устройством нозрей сокола-сапсана. В области возле ноздрей имеются специальные бугорки, которые направляют в сторону воздух во время стремительного падения птицы. Это позволяет пернатому хищнику сравнительно легко дышать во время маневров. Когда воздухозаборник двигателя принимает полный объем воздушного потока, проходящего через поперечное сечение его входного отверстия, воздухозаборник двигателя работает, как говорят, в "полном режиме". Если по какой-то причине, такой как неспособность двигателя пропускать весь воздушный поток или из-за другого ограничения, воздухозаборник двигателя не может принимать полный объем набегающего потока воздуха, избыточный воздух уходит вокруг наружного обтекателя, и воздухозаборник двигателя летательного аппарата, как говорят, работает в "режиме сброса". Система, защищающая его легкие от чрезмерного давления на высоких скоростях, позволила в том числе достичь скоростей в три раза выше скорости звука.

Это и есть биомимикрия (от др.-греч. βίος «жизнь» + μίμησις «подражание») – область инженерии, в которой мы черпаем вдохновение из окружающей среды, – является частью науки на протяжении тысячелетий, однако сам термин возник лишь в 1997 году в книге «Бионика: инновации, вдохновлённые природой» Джанин Бенюс. Это подход к инновациям, определяемый Институтом биомимикрии в штате Монтана (где занимаются поддержкой проектов, вдохновленных живыми системами) как поиск: устойчивых решений человеческих проблем путем подражания проверенным временем моделям и стратегиям природы. В природе существует множество решений, и мы узнаем о них все больше и больше.

Компания Altair Engineering, Inc. – один из мировых лидеров на рынке программных систем компьютерного инжиниринга и разработчик универсальной платформы HyperWorks, предназначенной для решения мультидисциплинарных задач, включая задачи оптимизации, – приняла участие в торжественном открытии выставки «Inspiring Nature, inspired Technology: Biomimicry and Transportation» в Музее изобретений Жозефа-Армана Бомбардье (г. Валькорт, Канада). Среди экспонатов выставки – примеры оптимизированных с помощью программных систем Altair изделий и конструкций, в основе разработки которых лежат принципы биомимикрии, а центральное место в экспозиции выставки заняла модель силового каркаса автомобиля, которая была спроектирована и оптимизирована с применением программных продуктов Altair OptiStruct, RADIOSS и solidThinking Inspire.

Кузовковые (рыба-коробочка) и бионический автомобиль В мире автомобильного дизайна, где аэродинамика, безопасность, вместительность и экологичность являются взаимоисключающими атрибутами, некоторые ищут путь, который позволит соединить все эти характеристики в одну машину. Инженеры в компании Mercedes-Benz обратили внимание на рыбу- коробочку. Несмотря на то, что с первого взгляда рыба выглядит
довольно неуклюже, ее формы развились таким образом, что в воде она передвигается с большой эффективностью. В результате эксперимента появился бионический автомобиль (Bionic Car), который отличается легкой конструкцией и удивительными аэродинамическими способностями: получил кузов довольно странной формы, но при этом очень аэродинамичный коэффициент лобового сопротивления составлял всего с коэффициентом Сх=0,19, с впечатляюще высокой топливной экономичностью  расхода топлива всего 2,8 л/100 км. Bionic является ходовым прототипом, то есть он полностью работоспособный. Его салон, вмещающий до четырёх человек, был разработан компанией Mercedes-Benz при участии экспертов по бионике и в соответствии с принципами роста в природе, применёнными к автомобильной инженерии. Этот процесс основан на методе SKO (Soft Kill Option): компоненты кузова и шасси разрабатываются с помощью компьютерного моделирования. При этом толщина используемого материала делается минимальной или вовсе вырезается в областях с наименьшими нагрузками, в то время как участки с высокой нагрузкой усиливаются и армируются. Применение такого подхода при проектировании автомобиля снижает его массу примерно на 30%, при этом никак не влияя на жёсткость и прочность кузова, а также на характеристики и поведение машины».

Платформа HyperWorks, разработанная Altair Engineering, включает в себя препроцессоры для создания расчетных моделей объектов и сборок, генерирования 2D и 3D конечно-элементных сеток, ряд решателей задач прочности, линейной и нелинейной динамики, теплопроводности, гидроаэродинамики, электромагнетизма, расчета композитных конструкций, моделирования краш-тестов и дроп-тестов, программы моделирования производственных процессов (экструзия, штамповка, литье) и ряд постпроцессоров для обработки полученных результатов и автоматизированного создания отчетов. Также платформа HyperWorks включает в себя программные системы многокритериальной топологической оптимизации как изотропных материалов, так и анизотропных конструкций (созданных технологией 3D-печати из анизотропного порошка) и композитных структур.

Уровень развития технологий достиг таких высот, что позволил реализовывать смелые мечты многих архитекторов, примеры биомимикрии в архитектуре: Муниципальный бассейн в немецком городе Плауэн - первое в мире здание, застекленное с защитой от
птиц. Человеку при любом освещении стекла здания кажутся совершенно прозрачными, птицы видят тонкий рисунок-паутину, отражающуюся в UV-лучах, и облетают здание. Исследовательский деревянный павильон (совместный проект институтов ICD и ITKE, а также Штутгартского университета) построен из сотен разных пластин. Проект появился благодаря
наблюдениям за морфологией скелета плоского морского ежа. Офисное здание в немецком городе Эссен – один из вариантов реализации проекта гомеостатического фасада: металлические «перья» на фасаде здания реагируют на изменения окружающей среды и регулируют собственную тень.

Биомимикрия может применяться к продуктам, процессам или системам. Мы концентрируемся не только на гении природы в разработке инвестиционных продуктов и процессов, но и на разработке самой финансовой системы. Как природа создаст финансовую систему? Лучший ответ на этот вопрос у нас пока есть: кредит сообщества Биокредиты. Тем не менее, биологический дизайн может проинформировать финансовую архитектуру на всех уровнях от кредитования сообщества до глобальной финансовой политики. Например, исследователи из Банка Англии и Оксфордского университета разработали рекомендации, связанные здесь для децентрализации стратегий управления рисками в банковском регулировании, изучая связи внутри пищевых сетей. 

Ethical Biomimicry Finance ™ (EBF) - это инвестиционная методология и структура должной осмотрительности для выявления биомиметических технологий и инновационных компаний, которые ускоряют разработку и коммерциализацию биомиметических конструкций. Финансы - это сложная адаптивная система, и мир природы является высшим авторитетом в разработке сложных адаптивных систем, способных к восстановлению в долгосрочной перспективе в условиях эксплуатации этой планеты. У живых систем есть чему поучиться, чтобы помочь достичь тех же качеств в нашей финансовой системе, которыми мы так восхищаемся в природных системах. Швейцария развивает дискуссию о том, как заставить нашу финансовую систему функционировать так, как если бы она была органом экологии. Руководство Банка Англии, в свою очередь, тоже заинтересовалось механизмом функционирования естественного иммунитета, стремясь перенять этот принцип для регулирования финансовых кризисов. «Чего нам сейчас не хватает, - иронизирует Эллен Китцис, - это технологии интерактивной передачи данных, разработанной по модели общения змей.»

Такими вопросами задается наука биомимикрии. Ответы на эти вопросы, а также на те, что были заданы другими дисциплинами, ищущими способы решения сложнейших задач, дали нам в результате многочисленные значительные технологические достижения. 

В Парке науки имени Дэвидсона при научно-исследовательском институте Вейцмана в Реховоте 1 июля 2019 открылась большая летняя выставка для всей семьи «Животные, растения, природа – имитирующие изобретения» – первая выставка такого рода для всей семьи. Эта экспозиция – уникальная возможность заглянуть в мир природы, технологий и науки и поразмышлять о взаимоотношениях человека и нашего ежедневного быта с этими сферами.

 Эпоха биомимикрии, в отличие от промышленной революции, основана не на потреблении природных ресурсов, а на том, чтобы перенять опыт природы, – пишет Джанин Бенюс в статье «Жизненные уроки биомимикрии».

Исследователи в области материаловедения и инженерии работают над множеством различных веществ. К ним относятся биоматериалы (имплантируемая керамика, зубная керамика и титановые сплавы) и различные технологии нанесения покрытий (термические барьерные покрытия в турбинных двигателях, коррозионностойкие покрытия и каталитические носители).

Биомимикрия помогла ученым разработать решения, которые мы в противном случае, вероятно, не исследовали бы. Вдохновение пришло от самих организмов, от того, как организмы создают материалы и как организмы работают вместе. Например, на основе структур, наблюдаемых на листьях растений, специалисты выращивали керамические покрытия при комнатной температуре для изготовления масляных и водяных фильтров на бумаге и на медной сетке.

Как работает биомимикрия

Разве без летающих насекомых, птиц и плавающих семян мы смогли бы создать самолеты, планеры, парашюты или вертолеты?

Посмотрите, как семя клена падает на землю или как семя одуванчика парит в воздухе, и я уверен, что вы начнете задавать больше вопросов.

Люди, как правило, любопытны и наблюдательны, и инженеры сделали много новшеств, глядя на природный мир в поисках вдохновения. Мы стремимся понять, а затем “копируем” существующие решения. Процесс биомимикрии также заключается в том, чтобы быть любопытным и наблюдательным. Мы следуем дисциплинированному процессу, чтобы задавать вопросы и искать ответы, глядя на то, что уже есть в природе.

Сначала мы наблюдаем за функциями -что делает организм? Эта функция может быть простой или сложной: семя одуванчика, парящее в воздухе, или биологический процесс в теле, чтобы вырастить кость. Мы наблюдаем, как организм достигает такой функции.

Зачем нужны рельефные (папиллярные) линии на пальцах? На шинах колес протекторы увеличивают сцепление с дорогой, достигается это за счёт выдавливания воды из-под поверхности соприкосновения колеса с дорогой. Данные исследования, очень схожи с прикосновениями человека, так как сцепление пальцев человека с определенной поверхностью образуется при
оптимальной влажности, то есть количестве жидкости, между определенными
соприкасающимися поверхностями.

Почему ноготь легко сломать поперёк пальца и сложно сломать вдоль пальца? Оказывается волокна кератина, (кератин – это фибриллярный белок, основа ногтя), расположены вдоль кромки пальцев с внутренней части ногтей (в глубине ногтевого слоя). За счет разнообразного направления волокон кератина по поверхности ногтя, ноготь защищен от ломкости во всех его направлениях.

Почему зубы у человека имеют волнистую кромку? Данная кромка способствует хорошему удержанию пищи во рту, и оказывает отличную помощь для её размельчения (косой кромкой зуба).

Почему при ходьбе мы размахиваем руками? Оказывается, размахивание руками уменьшает энергетические затраты человека при ходьбе, а
достигается это за счет уменьшения крутящего момента в определенной точке касания ноги с поверхностью земли, все это подтверждается множественными экспериментами.

Затем мы определяем механизмы, с помощью которых выполняются эти функции, — мы переходим к химии и физике этих механизмов. Последняя стадия — это абстрагирование естественной формы, процесса или экосистемы в другую цель — имитацию для нашего собственного использования.

Те́о Я́нсен (нидерл. Тео Янсен; 17 марта 1948 г., Гаага, Нидерланды) - нидерландский художник и кинетический скульптор. Известен своими особыми кинетическими скульптурами, напоминающими скелеты животных, способными передвигаться под воздействием ветра по песчаным пляжам. Янсен, говоря о своих работах, намеренно использует биологические метафоры, подчеркивая своё видение, что механизмы почти обладают характеристиками живых организмов, с точки зрения движения и простейшей способности к принятию решений. Автором была выбрана кинематическая схема конечности, имеющая 1 степень свободы и состоящая из 7 подвижных звеньев (5 отрезков и 2 треугольника). Движение нескольких конечностей синхронизируется присоединением их кривошипов к единому валу.

Наблюдение и создание модели в бионике — это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижение требуемых в задаче показателей.

И поэтому многие бионические модели, до того, как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

На основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них — изыскание лучшей экспериментальной технологической основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт неформализованного «размытого» моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач оптимального управления, экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п.

Листовые покрытия

Стоит обратить на это внимание. Рассмотрим исследовательский проект по разработке новых способов получения структурированных катализаторов (покрытий, которые лучше всего позволяют проводить химические реакции.) Команда обрабатывала металлическую проволочную сетку для получения керамических волосоподобных структур, на которые мы должны были нанести металлические наночастицы.

Инженеры могли бы изготовить сетку, но однажды один аспирант сказал, что происходит что-то “странное”. Он не смог получить раствор прекурсорананочастиц (смесь химических веществ, которая помогает сделать конечный продукт), чтобы смочить обработанную проволочную сетку. Проволочная сетка плавала в жидкости на водной основе.

Инженеры не понимали, что происходит, и поэтому рассматривали структуру в микроскоп. Они по-прежнему ничего не понимали и поэтому «обратились кприроде». Один из инженеров отправился в теплицу в кампусе, вооружившись бутылкой с водой. Управляющий показал множество растений, которые удивительным образом отталкивали воду. Он побрызгал на них водой, чтобы посмотреть, что произошло…

Гидрофобные (водоотталкивающие) покрытия, основанные на структуре восков, обнаруженных на листовых поверхностях, используются во многих областях применения — от красок до производства электроэнергии, где эффективность может быть достигнута путем контроля образования капель в конденсаторах и котлах. Обращая внимание на то, как ведет себя природа, и приступая к изучению химических и физических механизмов, мы можем создавать биоинспирированные решения из других материалов и для различных применений.

Рост костной ткани

В старших классах мой друг рассказал мне о дефекте кости в ноге — большой дыре в бедренной кости. Он бежал, и его бедренная кость сломалась, он упал. Очнулся в больнице на пять сантиметров короче. Почему? Потому что 25 лет назад дефекты костей не могли быть легко восстановлены, и поврежденные ткани пришлось удалять хирургическим путем. Там не было ничего похожего на кость, что можно было бы поместить на место поврежденной ткани, чтобы вырастить новую кость. Его совершенно здоровую ногу тоже пришлось укоротить.

Сегодня, благодаря биомимикрии, мы можем восстанавливать и регенерировать костную ткань — сломав ногу, вы не обязательно станете короче! Как мы можем теперь делать то, что не могли раньше? Мы узнали, как организм выращивает костную ткань, и смогли стимулировать рост костей, имитируя природные процессы.

Теперь мы можем выращивать «костную шпатлевку» в лаборатории, имплантировать его, и на его месте вырастет новая кость. Создатели материала считают, что он станет отличной заменой используемым сегодня костным трансплантатам. На создание костной ткани и операцию по ее вживлению уйдет не больше недели. Три месяца спустя от перелома не останеться и следа. Это звучит очень похоже на зелье "Скель-Гро" из серии "Гарри Поттер", но без мерзкого вкуса! Новые руки и ноги, правда, вырастить в лаборатории пока не получится, но откорректировать кость так, чтобы человек мог использовать протез, вполне реально. Наши инновации были вдохновлены нами самими – ведь мы тоже часть природы.

Биоактивное стекло, кремнеземное стекло на основе фосфата кальция, которое стимулирует резорбцию материала и рост костей, часто используется в стоматологических приложениях для костных трансплантатов. Материал помещается в костный дефект, и со временем, под воздействием биологической среды, стекло разъедается и сигнализирует костным клеткам (остеобластам) прикрепляться и размножаться на поверхности и формировать новую кость. Имплантированное стекло полностью растворяется и заменяется новой костью.

Биомимикрия и будущее

А как насчет будущего? Мы видим и узнаем так много нового о том, что происходит в естественном мире через время и сложные научные исследования, что трудно предсказать, что мы можем узнать в будущем. Применение моделей и принципов природы к решению человеческих проблем последовательно обеспечивает элегантные способы достижения как экономических, так и экологических целей. Успехи природы - упорядоченные структуры, высокоэффективные механизмы и стратегии безотходного использования, которые являются устойчивыми в закрытых системах - меняют наше отношение к проектированию, производству, хранению, транспортировке и распространению товаров и услуг. 

Во всем мире биомимикрия получает центральное место в амбициозных проектах, включая городское планирование и высокоскоростную железную дорогу. Производственные процессы живых организмов отличаются высокой энергоэкономичностью и в корне отличаются от способов современного производства товаров с использованием огромного количества энергии и материалов. 

Нет сомнений, что природа может дать нам подсказку для решения проблем окружающей среды и энергетики, с которыми столкнулось человечество. Многие люди начинают это понимать, и экономисты связывают с биомиметикой большие надежды. Они верят, что она может стать движущей силой для изобретений инноваций следующего поколения. Несмотря на то, что эта область только зарождается, через 15 лет биомимикрия может внести годовой валовой внутренний продукт США в 300 миллиардов долларов США и обеспечит рабочими местами для 600 миллионов человек (Dr. L. Reaser, PLNU, 2010). Biomimicry Business Intelligence ™ предоставляет отчеты по экономическим и финансовым исследованиям, углубленный анализ рынка и продуктов для финансового сообщества и государственных учреждений. 

При жизни Стив Джобс говорил:

 «Инновации 21 века появятся из области пересечения биологии и технологии. Начинается новая эпоха, точно так же как начиналась цифровая эра в то время, когда мне было столько же лет, сколько моему сыну».

Изучение биомиметики быстро развивается, но с другой стороны в этой области остается много нерешенных вопросов. Самым основным из них является вопрос коммуникации исследователей из разных сфер науки. Решением может стать возможность быстрого обмена информацией и знаниями между и внутри самих областей, занимающихся биомиметикой, таких как биология, естественная история, инженерия. Однако сейчас эти области сильно разведены, в каждой продолжаются свои исследования, и организовать совместную работу, которая бы привела к появлению новых идей, довольно сложно.

Профессор Ситамура из университета Тохоку, один из лидеров исследования биомиметики в Японии, поясняет ситуацию: «Например, термины, использующиеся в таких сферах как биология, естественная история и инженерия, отличаются в зависимости от области науки, ученые просто не понимают друг друга. Ситуация такова, что исследователи по инженерии не понимают того, что написано в работах по биологии. Как бы ни были уникальны достижения биологов, они не будут связаны с изобретением новых технологий и продуктов, если о них не будет известно инженерам».

Исходя из этого, Ситамура занялся созданием базы данных, которая проводит параллели между терминами и информацией из двух областей: биологии и инженерии. Особенностью этой базы станет новая поисковая технология, которая поможет инженерам получить ссылку на информацию по биологии после ввода в поисковое окно своего привычного термина.
«Этот способ поиска отличается от Google. Я хочу, чтобы после завершения эта база помогла в создании новых технологий и продуктов биомиметики. Помимо этого важно убедиться в том, что общество готово принять эти товары и технологии. Думаю, что мы хотим и должны развивать биомиметику», - считает профессор. Профессор Ситамура запустил новый исследовательский проект «Инженерия на основе биологии» и начал работу по разработке инноваций с командой из смежных сфер в производстве, науке и государственном аппарате.

Однако по мере того, как мы узнаем больше, мы обнаруживаем, что сделали грубое упрощение для многих природных явлений — поэтому нам нужно оставаться любопытными и наблюдательными и переходить к деталям, не теряя из виду всю систему, в первую очередь в области цифрового проектирования и моделирования, которые могут быть основой для создания новых оптимальных конструкций, легких, прочных и надежных изделий и последующего развития технологий бионического дизайна. Представьте себе, что вместо того, чтобы подражать природе, мы могли бы стать одним целым с ней. 

Массовое вымирание видов несет в себе столько проблем, что, очевидно, нет смысла даже говорить об этом. Ведь каждое утерянное растение или животное – это, кроме всего прочего, и упущенная возможность для нас получить от природы знания в биологии, химии или техническом проектировании. Насыщая свой неутолимый аппетит к природным ресурсам, мы не только лишаем себя возможных препаратов и лекарств, но и решений, которые могут нам помочь развязать эволюционный узел. Ученые, которые создают проекты через призму природных свойств и особенностей, дают нам большую надежду, причем не только для людей, но и для всей жизни. Поможет ли нам эта наука ответить на вопрос, как жить на планете Земля, не разрушая её? Может ли она спасти природу и научить людей ценить её?   Когда человек узнает об удивительных возможностях живых существ, он понимает, что скромных знаний человечества еще недостаточно и что нужно еще многому учиться у природы и ее обитателей, интересно, какие еще секреты мы сможем в будущем узнать от природы ?! При этом именно за счет неопытности у человека есть возможность обнаружить ранее неизвестные вещи, применить их для обогащения своих знаний и получить уникальный по свойствам изделия.