Транспортные суда, имеющие в носовой части утолщение, похожее на нос дельфина, экономят до 10 % топлива. Благодаря особым изгибам судам проще преодолевать сопротивление воды.
Плакоидная чешуя акул может служить образцом для покрытия корпуса судов. Она предотвращает налипание ракушек и морских растений и понижает сопротивление воды, что существенно сокращает не только расходы на топливо (экономия до 30 000 долларов в день), но и выбросы CO2 и других вредных веществ.
Авиация тоже многое позаимствовала у природы. Уже сам факт, что человек научился летать, классический пример бионики. Так называемые винглеты, загнутые законцовки крыла самолета, сокращают расход керосина. И здесь экономичность соседствует с экологичностью.
Шерстинки у белого медведя полые, благодаря чему солнечный свет легче проникает к коже. Такое строение шерсти позволяет долго удерживать тепло. Применяя этот принцип при теплоизоляции зданий, можно эффективнее использовать пассивную солнечную энергию.
Несмотря на то, что пористые, полые кости сами по себе весят очень немного, по структуре они очень крепкие. Опираясь на этот принцип, можно создавать высокопрочные и одновременно легкие материалы.
В сельском хозяйстве применение химических инсектицидов могут заменить биологические методы защиты растений. При помощи репеллентов можно не подпускать вредных насекомых к полям (так называемая техника отпугивания). В виноделии применяют особо изощренный (даже коварный) способ, чтобы предотвратить размножение листоверток: при помощи специальных дозаторов на виноградник наносится искусственный половой аттрактант самок, при этом самцы теряются и не могут найти настоящих самок. Спаривание прерывается. Швейцарцы защищают до 60 % своих виноградников и фруктовых плантаций от вредных насекомых именно при помощи этой техники «сбивания с толку»[170].
И в энергетике будущего перевод биологических процессов на язык технологических методов сулит большие перспективы. О фотосинтезе мы поговорим чуть ниже. Еще один пример — производство водорода из целлюлозы. Нашими учителями в данном случае стали термиты, питающиеся преимущественно целлюлозой. В процессе пищеварения под воздействием симбиотических микроорганизмов образуется водород. По расчетам профессора Андреаса Винцинскаса, руководителя проекта «Биоресурсы» при Институте им. Фраунгофера, из целлюлозы, содержащейся в обычном листе бумаги формата А4, термиты могут произвести примерно 2 л водорода, на котором автомобиль с топливным элементом может проехать до 10 км — без выхлопных газов и выбросов CO2[171]. Если удастся поставить этот процесс на промышленную основу, технология топливных элементов станет намного эффективнее.
Биороботы
Новое направление в бионике — биоробототехника — использует технологии, полученные благодаря биологическим разработкам в деле создания роботов. Ученым Калифорнийского университета удалось сконструировать шестиногого робота, который умеет ходить, взбираться по вертикальным поверхностям и огибать выступы, возникающие при обрушении различных построек, — бесценное качество для роботов-спасателей. В основу разработки легли феноменальные свойства тараканов. Эти насекомые, конечно, не самые приятные соседи, но они обладают удивительной способностью бегать со скоростью, в 50 раз превышающей длину их тела в секунду, передвигаясь при этом вверх ногами. Высокоскоростные камеры наконец-то позволили объяснить этот акробатический трюк. На видеозаписи видно, как таракан крошечной загогулиной на задних лапках цепляется за край поверхности, после чего разворачивается на 180° и перебрасывает себя на нижнюю плоскость. При этом насекомое подвергается давлению, в 3–5 раз превышающему силу гравитации. Другие животные-акробаты, использующие этот фокус, — ящерицы из семейства гекконов. Они могут в долю секунды исчезнуть под крупными листьями. Совместно со специалистами по производству роботов ученые попытались создать крылатого шестиногого робота-таракана, обладающего такими способностями (dynamic autonomous sprawled hexapod), снабдив его задние конечности приспособлением, похожим на застежку-липучку, а движения запрограммировав по аналогии с его природными прототипами[172]. Сходное изобретение создали ученые Университета Осаки: их механический паук умеет взбираться по наклонным плоскостям, лестницам, подлезать под низкие препятствия. «Арахнобота» можно использовать, например, в ходе поисковых работ после землетрясений. Созданием подобных роботов-пауков занимается и Институт производственных технологий и автоматики им. Фраунгофера[173].
Благодаря успехам сенсорики и обработки информации новой отрасли все успешнее удается конструировать роботов по образцу живых существ. Они различают цвета, запахи, обрабатывают химическую информацию, ориентируются в условиях бездорожья. Роботы применяются в самых разных сферах — от промышленного производства и домашнего хозяйства до военной техники. Они могут, например, исследовать зараженные промышленные объекты или искать затонувшие корабли. Так, ученые Эссекского университета сконструировали плавающего робота с хвостом и плавниками, имитирующего рыбу. Он намного маневреннее обычного плавсредства, приводимого в движение гребным винтом. Роботы-рыбы, имеющие химические сенсоры, могут проверять воды или потерпевшие крушение суда на наличие вредных веществ.
Последнее достижение — роботы, которые благодаря сложной системе перцепции могут действовать самостоятельно, т. е. решать, что предпринять в той или иной ситуации. Как часто бывает, военная техника и здесь оказалась в авангарде развития, которое ставит новый этический и правовой вопрос: можно ли, например, предоставить право роботам-воинам принимать решение, когда и в каком направлении открывать огонь? И кто будет нести юридическую ответственность за ошибочные действия подобных машин? Существующие сегодня боевые системы, не требующие контроля человека, программируют на конкретную цель. Если в будущем беспилотные средства нападения и вооруженные роботы будут определять такие цели самостоятельно, мы перейдем на качественно новый уровень. Как бы восхитительна ни была чудо-страна биороботов, наступит время, когда науке, политике, общественности придется искать ответы на вопрос, как нужно (и можно) регулировать системы искусственного интеллекта, обладающие возможностями самостоятельного принятия решений.
Биотехнология
Греческое слово «Bios» означает «жизнь». Биотехнология представляет собой технологическое использование биологических субстанций и процессов человеком. В последнее время как теория, так и практика биотехнологии подверглись дальнейшей диверсификации. Различают три основных направления:
• Красная биотехнология получила свое название по цвету крови. Область ее применения — медицинская диагностика и терапия. Сюда относится, например, выращивание тканей для трансплантации кожи или создание препаратов целевого воздействия, на которые реагируют лишь больные органы. По разряду красной генной инженерии проходит также производство медикаментов на биотехнологической основе. Известный пример — производство инсулина при помощи генно-модифицированных бактерий (раньше необходимый гормон добывался из поджелудочной железы свиньи). Антибиотики, вакцины, протеины и витамины также производятся на основе биотехнологических методов.
• Белая биотехнология — общее понятие для биотехнологических методов, используемых в промышленности, особенно в сфере производственных технологий. Старинный биотехнологический промышленный метод — пивоварение, более новый — использование ферментов в качестве биокатализаторов в химической, фармацевтической и продовольственной отраслях. Катализаторы могут замедлять или ускорять биохимические реакции. Благодаря им процессы, которые традиционно протекают под высоким давлением или при высоких температурах, могут происходить со значительно меньшими энергозатратами. В эту категорию также входит преобразование биомассы в химическое сырье, промышленное волокно или топливо.
• Зеленая биотехнология ставит своей целью улучшение качеств растений. Под этим знаменем шествует и зеленая генная инженерия, которая из всех членов большого биотехнологического семейства вызывает самые ожесточенные споры.
Тем временем диверсификация биотехнологических направлений продолжается. Так, голубая биотехнология занимается морскими организмами, например морскими бактериями и водорослями, которые богаты полезными веществами. Серая биотехнология разрабатывает методы санации почв, очистки сточных вод, переработки мусора. Использование микроорганизмов для деконтаминации почв или очищения сточных вод имеет относительно долгую историю. В очистных сооружениях бактерии использовались еще задолго до того, как появилось понятие «биотехнология». Микроорганизмы применяются для санации зараженных почв вокруг нефтеперерабатывающих и химических заводов тоже не со вчерашнего дня. В ФРГ действует более 70 установок для биологический обработки почв, которые в состоянии очищать до 4 млн т земли в год. Суть в том, что токсичные вещества, поступая в пищу микробам, преобразуются в углекислый газ и воду. Различные способы и сферы их применения описаны в сборнике «Старые грехи и эволюция земель. 2004–2005», изданном Экологическим департаментом земли Северный Рейн — Вестфалия[174].
Зараженные сточные воды промышленных предприятий и хранилищ отходов также можно очищать микробиологическими методами. В Саксонии проводится эксперимент, целью которого является обеззараживание контаминированного ила в русле Белого Эльстера при помощи микроорганизмов и растений, абсорбирующих тяжелые металлы. Ил в данном случае предполагается использовать как естественно-растительный грунт