Три животных, вдохновившие создание доспехов будущего

Ракушки, рыбы и пауки могут стать ключом к созданию более совершенных бронежилетов.

Царство животных изобилует грозными доспехами. Некоторые существа облачены в жесткие панцири или костяные пластины. Другие предпочитают более гибкое покрытие из чешуи. Все эти защитные приспособления предназначены для того, чтобы помочь их обладателям выдержать любые удары природы — от мощных волн до зубов и когтей хищников.

И теперь этот огромный арсенал вдохновляет на создание новых доспехов для людей. Ученые изучают, что делает раковины морских ушек и рыбью чешую такими прочными, и создают их усовершенствованные версии. Они даже обращаются к таким материалам, как паутина, и придумывают новые защитные функции для сверхпрочной клейкой массы. Через несколько лет эти новые доспехи могут появиться в пуленепробиваемых жилетах, защитных перчатках, спортивных шлемах и даже спортивной одежде.

«Природа играет в эту игру миллионы и миллионы лет, — говорит Франсуа Бартела, инженер-механик из Университета Макгилла в Монреале. — Это действительно огромный источник вдохновения».

Вот три способа, которыми животные помогают нам защитить себя.

Аллигаторова щука — рыба, которую не так-то просто убить. Обитая в водах южных штатов, таких как Луизиана и Техас, она обладает практически непробиваемой чешуей. «Она очень костистая и на ощупь напоминает зубы», — говорит Бартела. Этот покров тяжелее, чем чешуя большинства рыб, поэтому щуки не могут маневрировать очень быстро. Кроме того, он настолько прочен, что обычный нож не может его разрезать. Чтобы разрезать чешую аллигаторовой щуки, говорит Бартела, лучше всего взять ножовку по металлу.

Это делает ее идеальным источником вдохновения для создания гибкой брони, устойчивой к проколам и порезам. Бартела и его коллеги испытывали чешую, используя мертвых рыб с рынка и протыкая их кожу тонкой иглой. Они выяснили, что у полосатого лаврака — более типичной рыбы — чешуя довольно прочная. Однако «когда мы провели те же испытания на щуке, нам просто не удалось проткнуть кожу, — рассказывает Бартела. — Маленькая игла просто изгибалась и ломалась». Они перешли на более толстую стальную иглу, но так и не смогли разрушить чешую аллигаторовой щуки.

Впечатленная этим, команда сейчас пытается имитировать толстую кожу щуки. Пока они сосредоточены на способе расположения чешуек, а не на самом материале. Они с помощью 3D-печати создают пластиковую «чешую» на резиновых подложках и варьируют размер, расстояние, форму, толщину и другие параметры, чтобы определить, какие из них работают лучше всего.

Опробовав несколько различных вариантов расположения, Бартела и его группа обнаружили, что самыми прочными оказались доспехи, наиболее похожие на настоящую чешую аллигаторовой щуки. Они также заметили, что множество мелких чешуек сложнее сломать, чем несколько крупных. Еще один ключ к успеху — чешуя, расположенная внахлест, как у большинства реальных рыб. Когда по такой чешуе наносят удар, она может распределить часть силы удара на соседние чешуйки. Это важное свойство для брони: если зуб хищника с такой силой давит на чешуйку, что она вдавливается в мягкую, уязвимую кожу животного, то животное может получить травму, даже если чешуя не будет проколота.

Сейчас команда перешла к изготовлению керамической чешуи и приклеиванию ее на кевларовые перчатки, которые часто носят люди, вынужденные работать с острыми предметами. «В кевларовых перчатках вы можете взять кухонный нож за лезвие и не порезаться», — говорит Бартела. Но, хотя такие перчатки очень трудно разрезать, маленькая игла все же может проскользнуть между нитями кевларовой ткани. Это особенная опасность для рабочих, сортирующих вторсырье или убирающих парки, которые могут не заметить иглу до того, как она уколет руку.

«Лучшее, что может предложить современная технология, — это то, что не защищает их должным образом для того типа работы, которой они занимаются», — отмечает Бартела.

Его цель — создать перчатки, которые защищают владельца от проколов, но при этом остаются достаточно гибкими, чтобы позволять двигать руками. «Если мы сможем решить задачу создания биоинспирированной конструкции для перчаток и пальцев, то затем мы сможем защитить практически любую часть тела», — говорит он.

Его прототипы усеяны чешуйками из оксида алюминия размером около 2 миллиметров, хотя он планирует сделать их меньше для областей вокруг суставов пальцев. Команда использует лазерный гравер для вырезания чешуек, а затем приклеивает их на перчатки. Они сотрудничают с компанией Superior Glove, производителем рабочих перчаток из Онтарио, чтобы испытать свои разработки. По его словам, компания не смогла проткнуть перчатки, присланные командой Бартелы, используя свои стандартные методы испытаний.

Тем не менее, даже броня аллигаторовой щуки имеет свои пределы. Рыбья чешуя отлично противостоит проколам, но не предназначена для того, чтобы выдерживать летящую пулю. Поэтому она не является идеальным материалом для подкладки пуленепробиваемого жилета. Тем не менее, чешуя может быть полезна для доспехов, защищающих от ножевых ранений. Люди могут носить броню для защиты туловища, но шея часто остается незащищенной. Гибкий доспех, созданный по подобию рыбьей чешуи, мог бы защитить эту уязвимую область, считает Бартела.

Многие из самых прочных защитных приспособлений природы созданы из нескольких простых ингредиентов. «Сам материал не имеет значения — значение имеет то, как этот материал структурирован, как формируется эта архитектура», — говорит Маркус Бюлер, материаловед из Массачусетского технологического института.

Именно это относится к раковинам морских ушек (конхов). Морские ушки являются хорошим источником вдохновения для создания брони, потому что их раковины представляют собой одни из самых прочных доспехов в природе. Эти животные строят ударопрочные дома, которые в 10 раз прочнее перламутра. Но сделаны они из слабых материалов — белков, по консистенции напоминающих желе, а также хрупких мелоподобных минералов. «Они способны использовать действительно простые строительные блоки, к которым инженеры даже не притронулись бы, — говорит Бюлер. — Мы же не строим самолеты из белков или мела».

В отличие от инженеров, морские ушки не могут пойти и купить сталь, если их не устраивают имеющиеся в наличии материалы. Поэтому в раковинах эти сырьевые материалы организованы в сложные трехуровневые структуры, невидимые глазу. «Желе очень студенистое, а мел — если взять молоток, он просто рассыпается на тысячу кусочков, — объясняет Бюлер. — Но если смешать их правильно... можно создать нечто действительно-действительно прочное, что может соперничать с инженерными броневыми материалами».

По словам Бюлера, до появления технологий 3D-печати у исследователей не было возможности физически воссоздать эти крошечные сложные структуры. Но ему и его коллегам удалось напечатать листы материала, имитирующие уникальную архитектуру раковины, изготовленные из жесткого полимера и другого, более мягкого.

Он напечатал листы материала, которые были проще, чем настоящая раковина. «Мы убрали некоторые детали, которые придумала природа, — говорит Бюлер. — И обнаружили, что это имеет большое значение». Как и в случае с рыбьей чешуей, чем ближе конструкция была к природному доспеху, тем лучше она работала. Образцы полимера, напоминающие раковину морского ушка, было труднее сломать при испытании в башенном копре, которое имитирует проникновение объекта, например пули. Эта конструкция перспективна, поскольку она одновременно устойчива к растрескиванию и рассеивает энергию удара.

Для создания настоящей брони исследователи могли бы заменить полимеры керамикой или углеродным волокном. Расположив их в структуре, напоминающей раковину моллюска, мы могли бы улучшить материалы, которые уже используем.

Их можно использовать в бронежилетах или спортивных шлемах . Сегодня, по словам Бюлера, наши шлемы представляют собой довольно простые конструкции из пенополистирола и твердой оболочки. Но благодаря конструкции в виде раковины шлемы можно сделать тоньше и легче, сохранив при этом ту же прочность, или, возможно, сохранить тот же вес, но улучшить характеристики, говорит Бюлер.

Эти доспехи можно было бы персонализировать под индивидуальные особенности телосложения. Возможно, в будущем, говорит Бюлер, можно было бы сделать сканирование черепа, а затем компьютер разработал бы доспехи или шлем на основе раковины, которые точно соответствовали бы вашей форме.

Однако, по словам Бюлера, массовое производство такой брони обойдется довольно дорого. Другой вариант — использование простых ингредиентов, например, тех, что содержатся в настоящих раковинах моллюсков, для создания брони. Это могло бы снизить стоимость и быть более экологичным, но для этого понадобились бы специальные 3D-принтеры, способные работать с «чернилами», изготовленными из этих материалов, говорит Бюлер. Или же можно было бы вывести микроорганизмы, способные выделять материал раковины. Возможно, они смогли бы создавать структуры, еще более похожие на настоящие, чем это под силу нашим 3D-принтерам.

Пауки не славятся своей мощной броней. Тем не менее, их паутина должна быть достаточно прочной, чтобы захватывать добычу, или помогать им свисать с потолка, или парить в воздухе . Одна-единственная нить паучьей паутины достаточно прочна, чтобы остановить летающих насекомых, вес которых в десятки тысяч раз превышает её собственный.

Шелковые волокна очень прочные и эластичные, поэтому они способны поглощать много энергии. Это дает им преимущество перед синтетическими волокнами, такими как вискоза и нейлон, которые сильно растягиваются, но не очень прочные, и другими, например, кевларом, которые невероятно прочны, но малоэластичны, — говорит Джон Райс, главный операционный директор Kraig Biocraft Laboratories в Анн-Арборе, штат Мичиган.

Исследователи по всему миру размышляют над тем, как создать искусственный паучий шелк и использовать его для изготовления бронежилетов. Армия США заключила контракт с компанией Kraig, которая разрабатывает генетически модифицированный паучий шелк, способный быть прочнее стали .

Компания занимается генной инженерией шелкопрядов, чтобы они несли в себе фрагмент ДНК паука; это позволяет насекомым производить белок паучьего шелка вместо собственного. Крейг сотрудничает с такими компаниями, как расположенная в Пенсильвании Warwick Mills, чтобы изготавливать из шелка защитные ткани.

«Никто никогда не захочет заводить паучью ферму — это, во-первых, жутко, а во-вторых, очень неэффективно», — говорит Райс. Пауки — каннибалы, поэтому их нельзя разводить в тесных помещениях. Кроме того, мы получаем шелк от шелкопрядов уже тысячи лет, и мы знаем, что они — преданные своему делу маленькие производители шелка. Фактически, сорок процентов их тела отведено под шелковую железу.

Отдельная нить «драконьего шелка» Крайга имеет ширину всего от 4 до 10 микрон — тоньше человеческого волоса. По словам Райса, в настоящее время она примерно на две трети менее прочна, чем кевлар, и в 10 раз более эластична. Одежда из этого «паучьего» шелка будет воздухопроницаемой, биоразлагаемой и нежной для человеческой кожи. Кроме того, она легче и менее плотная, чем доспехи, которые мы используем сегодня, говорит Райс, поэтому владелец будет меньше отягощен.

Современные бронежилеты часто включают в себя жесткие керамические пластины; броня из паучьего шелка, разработанная Крейгом, предназначена для поглощения энергии, но при этом достаточно эластична, чтобы сгибаться и позволять носителю двигаться. Позже в этом году компания поставит образцы шелка Dragon Silk в армию США, которая проведет испытания в надежде на создание пуленепробиваемых жилетов и одеял для защиты людей при взрыве. Шелк также может использоваться в перчатках, устойчивых к воздействию шприцев, или в высококачественной спортивной одежде. «К счастью, очень немногие из нас нуждаются в бронежилетах, но многие из нас занимаются бегом и спортом», — говорит Райс. Шелк Dragon Silk может также найти применение в медицине; древние римляне успешно использовали паучий шелк для заживления ран, отмечает он.

В конечном итоге, по его словам, производство Dragon Silk может осуществляться по ценам, сопоставимым с ценами на другие защитные материалы. Компания также разработала несколько различных вариантов искусственного паучьего шелка; они могут доработать его, сделав более эластичным или прочным, говорит Райс. Это означает, что они могут производить материалы, которые даже прочнее натурального паучьего шелка. «Использование природы в качестве отправной точки не всегда должно определять конечный результат», — говорит Райс.

Kate Baggaley “Three animals inspiring the armor of the future”

Перевод статьи «Three animals inspiring the armor of the future» автора Kate Baggaley, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык