Биомимикрия: природа как будущее инноваций

Переводы Плакаты

Предисловие от главного редактора Камиля Сайбербуллина: недавно я задумался о том, что всё развитие дизайна, все новые тренды и весь наблюдаемый нами прогресс в оформлении чего-либо — это длительное и направленное движение человека от объектов, которые сама природа никогда бы не создала, к идеальной форме камня и свойствам кислорода.

Античные технологии 1980х и более ранних лет соотносятся с естественными природными формами примерно так же, как величественный монолит Стэнли Кубрика с каньонами штата Юта (или Невада?) — то есть никак. Они противоречат друг другу. Взяв в руки старый компьютер или телефон, вы безошибочно определите, что этот объект создала не природа, а человек. Такой же мысленный эксперимент вы можете повторить, «посмотрев» на старый телевизор, пишущую машинку, радио, автомобиль и даже дом. 

Сегодня же, в 2020х, мы вплотную подошли к моменту, когда технология станет обязательным элементом человеческой среды обитания, а действие технологии превратится в «магию», став чем-то привычным, как например воздух или солнце, которое встаёт по утрам. 

Мы перестанем задумываться, откуда берётся Wi-Fi или мобильная сеть — потому что всю жизнь, от начала и до конца, они будут сопровождать нас, пронизывая всё вокруг невидимыми полями, связывая одно с другим, словно так было всегда. 

Автомобили станут ещё более округлыми и будут напоминать подвижный элипсоид, города буквально станут садами (а возможно и лесами). Телефоны, в конечном итоге, превратятся в прямоугольные камни без каких-либо видимых интерфейсов: камера и все возможные датчики будут скрыты под корпусом, NFC и индукционные зарядки станут базовой опцией всей носимой электроники, а физические кнопки окончательно отомрут в пользу инновационных вибромоторов и ёмкостных датчиков. 

Простота и функциональность — вот чего мы добиваемся. 

И все эти изменения обусловлены нашей естественной тягой к повторению того, что уже когда-то сделала природа. Это называется «биомимикрия», и в сегодняшнем тексте речь пойдёт именно об этом.

Оригинальный материал «The Future of Innovation is Natural» на Medium.


«Я думаю, что в 21 веке крупнейшими будут инновации на стыке технологии и биологии. Начинается новая эра.»

—Стив Джобс

Органическая жизнь существует на Земле уже более 3,5 миллиардов лет, а человеку, как виду – около ста тысяч. И, хотя мы – довольно молодой вид, мы успели развиться до того уровня, на котором оказываем существенное влияние на экосистему. Суровые условия окружающей среды, рукотворные химические реакции и огромное количество тяжёлой техники буквально наводнили современный мир. Все это сделало наш уровень жизни комфортным и породило невероятные новшества. Однако же нынешний путь к технологическому прогрессу нерационален. Существует и другой способ – улучшать технологии вместе с природой, а не идти против нее.

Мы живём на Земле вовсе не так, как научилась жить природа.

Биомимикрия – это инновации, вдохновлённые самой природой. Это практика поиска решений сложных задач, стоящих перед человеком, в окружающем нас мире. Это практика определения проблемы, которую вы хотите решить, и выяснения того, как ее решила природа. Биомимикрия – это обращение к природе в поисках лучшей адаптивной модели, способ изучить природные стратегии для создания устойчивых социальных изменений и взглянуть на окружающую нас жизнь, чтобы увидеть, как у неё получилось создать столь удивительный мир.

Развивая жизнь ради самой жизни

Чтобы создать благоприятную для жизни технологию, мы должны понять, как существует и поддерживает себя жизнь на Земле. Познавая окружающий нас гений, мы приближаемся к его пониманию и учимся у него.

Успех естественного отбора не в том, чтобы оставить однократное потомство. Успех заключается в создании условий, при которых тысячи поколений потомков будут процветать. Природа доказала, что умеет это делать. Существуют примеры эволюции живых организмов с целью адаптации к меняющейся окружающей среде. Самый известный из них – бабочка под названием «берёзовая пяденица» (лат. – Biston betularia), чья эволюция представляет собой прямое следствие загрязнения воздуха, произошедшего в результате промышленной революции.

Image for post
Изображение отсюда.

До промышленной революции окрас этой ночной бабочки был преимущественно белым с чёрными пятнышками, позволяя ей прятаться на стволах деревьев и в светлых лишайниках. Однако из-за загрязнения воздуха кора деревьев начала темнеть, и светлые бабочки становились лёгкой добычей птиц, выделяясь на фоне потемневшей от угольной копоти коры.

Эволюционная селекция сделала своё дело – на пике развития британской тяжёлой индустрии популяция берёзовой пяденицы с темным окрасом в британском городе Манчестер составляла 98%. Но как только уровень загрязнения снизился, снова начала расти численность бело-пятнистой берёзовой пяденицы. Этот эффект получил широкое распространение под названием «индустриальный меланизм», и стал отличным примером того, как антропогенные технологические изменения могут повлиять на окружающую среду и как природа приспосабливается к ней.

Биомимикрируй системы

Природа постоянно меняется, и населяющие Землю существа неустанно адаптируются к меняющимся каждый день условиям. Кое-что из этих принципов можно применить для более эффективного решения наших, человеческих проблем. Биомимикрия может быть применена во множестве различных отраслей: дизайн и архитектура, инженерное дело и IT, бизнес и многие другие сферы нашей деятельности – всем есть чему поучиться у природы.

Добывай воду, как песчаные жуки

Жизнь в жаркой засушливой пустыне Намиб предоставила местной популяции жуков-чернотелок множество причин для адаптации. Эти жуки, известные науке как Stenocara gracilipes, добывают необходимую им для выживания воду из капель росы и океанического тумана. Они встают вертикально и подставляют свои надкрылья к океану, улавливая влагу, приносимую океанским бризом.

Image for post
Изображение отсюда.

Форма и неровная текстура тела этих жуков позволяет им конденсировать влагу из воздуха. Раковина имеет микроскопические выпуклости, которые являются гидрофильными (притягивающими воду) на концах и гидрофобными (водоотталкивающими) по бокам. Гидрофильная часть собирает воду, пока гидрофобная направляет её прямо в рот жука-чернотелки.

Эта черта Stenocara gracilipes была адаптирована в человеческих технологиях и реализована в эффективных сетях для улавливания тумана. Сети с этой биомимикрирующей технологией оказались эффективнее своих предшественников в десять раз. Компания NBD Nano разрабатывает самонаполняющиеся резервуары благодаря этим жукам, вернее, их надкрыльям. По прогнозам одна такая емкость сможет собирать от 0,5 до 3 литров воды в час, в зависимости от влажности воздуха.

Борись с бактериями, как акулы

Гигантские или исполинские акулы (лат. – Cetorhinus maximus) – медленно передвигающийся мигрирующий вид акул с грубой кожей. Интересным фактом о гигантских акулах Галапагосских островов является отсутствие роста бактерий на их коже, несмотря на их малую скорость передвижения. Исследования показали, что акулья кожа имеет уникальную текстуру со структурными узорами в нанометровом диапазоне, что создает неудобства для бактерий – им сложно прикрепиться к коже и почти невозможно образовать колонию и сформировать биоплёнку.

Фотография Дэвида Клода с Unsplash

Супербактерии – это мощные бактерии, которые стали устойчивыми к антибиотикам. Их крайне сложно контролировать и лечить. Предотвратить образование супербактерий значительно перспективнее, чем пытаться впоследствии их убить. Ученые работают над имитацией наноструктур на коже акулы, чтобы создать поверхности, которые будут препятствовать росту бактерий. Sharklet Technologies – компания, которая разрабатывает пластиковый лист, обладающий свойством предотвращения роста микроорганизмов.

Комбинация биомимикрических свойств в поезде

Скоростной поезд Shinkansen Bullet – это сеть высокоскоростных железнодорожных линий в Японии с максимальной скоростью 240–320 км / ч. Это высокоэффективный и безопасный вид транспорта, настоящее чудо инженерной мысли. Первоначальной проблемой этих поездов был шум звукового удара при выходе из тоннелей на высокой скорости, из-за чего их нельзя было использовать в населённых пунктах. Для уменьшения шума и увеличения обтекаемости конструкции инженер, а по совместительству еще и орнитолог-любитель Эджи Накацу обратился к биомимикрии.

Изображения отсюда и отсюда.

Клиновидный клюв зимородка позволяет этой птице охотиться на рыбу, не разбрызгивая воду при погружении. Острый на кончике, клюв постепенно увеличивается в диаметре, позволяя воде обтекать его. Этот клюв вдохновил конструктора на создание носовой части поездов Shinkansen Bullet.

Image for post
Фотография Карла Ибри с Unsplash

Совы известны своим бесшумным полётом. Это стало возможным благодаря шероховатым изогнутым маховым перьям на крыльях. Конструкция токоприёмника поезда была выполнена по образу совиного крыла – для увеличения обтекаемости и снижения шума. Эти улучшения снизили уровень шума до семидесяти децибел, что позволило пускать поезда в городах.

Гладкое брюхо пингвина Адели позволяет ему без особых усилий скользить по льду и плавать. Опорный вал токоприёмника поезда был переработан, чтобы имитировать тело пингвина для уменьшения сопротивления воздуха. В сочетании с обтекаемым носом эти улучшения позволили поезду-пуле развивать скорость на 10% выше, потребляя при этом на 15% меньше электричества.

Робототехника, вдохновлённая биологией

При слове «робот» в голове всплывает образ металлического тела с угловатыми частями. Существует даже танцевальный стиль с таким названием. Однако по мере того, как роботы получают все большее распространение, они также становятся все более и более сложными. Современная тенденция в робототехнике становится менее «роботоподобной» и более «живой».

Навигация, совместные действия, сложные движения и многие другие задачи, с трудом имплементируемые в робототехнике, легко даются животным. При создании роботов инженеры сегодня стараются подражать форме тел живых существ, их движениям и умениям при помощи биомимикрических технологий.

Image for post
Изображение отсюда.

Природа обычно использует мягкие материалы, гораздо реже – жесткие. До недавнего времени мы использовали преимущественно жёсткие материалы для создания роботов. Однако же биомимикрия становится гораздо проще при использовании мягких материалов вроде силикона. Эта идея положила начало направлению «мягкой робототехники».

Биомимикрические процессы

Липни как геккон, вычисляй как живая клетка, да даже бизнес веди будто ты – лес.

– Жанин Беньюс, биолог, писатель, инновационный консультант.

Физическая форма живых существ может служить источником вдохновения для дизайна, однако мы можем имитировать не только форму, но также различные природные процессы и действия. Некоторые современные приложения были разработаны на основании методов, используемых растениями и животными для выполнения определенных функций.

Биомимикрия в программном обеспечении

Некоторые алгоритмы и процессы в программном обеспечении были вдохновлены тем, как аналогичные проблемы решаются в природе. Некоторые из них созданы для лучшего понимания самих природных процессов, другие – с целью достижения эффективности естественных вычислительных систем.

Простые правила, сложное поведение

Клеточные автоматы изучались ещё в пятидесятых годах прошлого века в качестве моделей биологических систем. Клеточный автомат – это машина с конечным числом состояний в заданном пространстве, управляемая простыми правилами, которые определяют её поведение при взаимодействии с соседями в единицу дискретного времени. Другими словами, клеточный автомат меняет своё состояние, взаимодействуя с соседними ячейками по заданным правилам.

Самый известный двухмерный клеточный автомат – это игра «Жизнь» Джона Конвея. В этой игре каждая клетка может быть либо «живой» (состояние 1) либо «мёртвой» (состояние 0). Поведение клеток подчиняется четырём простым правилам:

  • Живая клетка с менее чем двумя живыми соседями умирает от недостатка населения.
  • Живая клетка с двумя или тремя соседями остаётся в живых.
  • Живая клетка с более чем тремя соседями умирает от перенаселения.
  • Мёртвая клетка с тремя соседями оживает вследствие размножения.

Начальный клеточный рисунок наносится на дискретное двухмерное пространство, называемое «вселенной». С течением времени автоматы взаимодействуют с соседями и ведут себя согласно описанным правилам. По прошествии большого количества времени они демонстрируют необычное поведение, формируют колонии, строят целые города и тому подобное.

Самовоспроизводящиеся циклы и структуры могут создаваться с использованием логики, похожей на логику размножения. Подобное поведение копирует поведение клетки организма. Сама по себе клетка кажется простой, но их комбинации формируют сложные организмы вроде деревьев, гепардов и людей.

Алгоритмы, вдохновлённые природой

Одна из задач, стоящих при вычислениях – поиск оптимальных путей в сетях узлов или графов. Подобные оптимизационные задачи встречаются и в природе. К примеру, то, как муравьиная колония ищет кратчайший путь к источнику пищи. Вдохновленные эффективностью муравьиных методов, ученые разрабатывают мультиагентные системы для решения оптимизационных задач в компьютерной науке.

Основой общения муравьев друг с другом являются феромоны. Муравьи в поисках пищи оставляют за собой феромонный след, чтобы найти дорогу обратно к муравейнику. По этим тропинкам следуют и другие муравьи. Подмечено, что кратчайший путь содержит наибольшее количество феромонов, а это значит, что большинство муравьёв последуют к источнику пищи той же дорогой.

В информатике аналогичный метод был реализован с использованием вместо феромонов вероятностных параметров для поиска лучшего пути на графе. Данный метод нашел свое применение для решения задачи коммивояжера, задачи маршрутизации транспортных средств, а также задачи маршрутизации вызовов.

Оптимизация роя частиц – это метод, который оптимизирует проблему путем итеративного улучшения возможного решения с использованием частиц или агентов, которые стремятся к оптимальному решению в пространстве поиска подобно насекомым, роящимся вокруг источника пищи.

Поисковые алгоритмы, вроде «алгоритма воронки», были сформулированы на основе вертикального потока перемешивающихся жидкостей. Радиус поиска итеративно уменьшается, пока не приблизится к оптимальному решению, таким образом создавая вихревую структуру.

Image for post
Изображение отсюда.

Самая популярная реализация биомимикрии в компьютерных технологиях – вычисления с использованием нейронных сетей. Они были смоделированы на основе нейронных связей, присутствующих в нашем мозгу, чтобы попытаться сопоставить его вычислительные возможности. Однако они не являются точным представлением своего биологического аналога. Сверточные сети глубокого обучения дают хорошее представление о том, как работает наша визуальная система. Они являются отличным инструментом для применения в области компьютерного зрения и распознавания образов.

Биомимикрируя экосистемы

Более высокоуровневая версия биомимикрии – попытка изобразить целую экосистему. В природе нет понятия побочного продукта. Побочный продукт каждого процесса постоянно перерабатывается на более высокой стадии. К примеру, съеденные крысой грибы подвергаются вторичной переработке, когда крысу съедает хищная птица. Мы можем имитировать аналогичную систему в нашем промышленном мире, где побочный продукт каждой отрасли промышленности является сырьём для другой. Эта концепция называется экономикой замкнутого цикла. Существует несколько компаний, которые пытаются внедрить подобную практику. Подробнее о некоторых из них вы можете прочитать здесь.

Image for post
Фотография Панду Иор с Unsplash

Фракталы – это сложные узоры, самовоспроизводящиеся в разных масштабах. Фракталы широко наблюдаются в природе. Они характеризуются повторяемостью как на микроскопическом, так и на макроскопическом масштабе. Например, процесс вращения электронов вокруг своей оси и вращения вокруг ядра атома похож на движение планет вокруг Солнца во время вращения вокруг своей оси.

Те же принципы вполне применимы к функционированию общества. Если мы хотим полностью функциональной демократии на уровне страны, то же самое необходимо соблюдать и на своем домашнем уровне.

Как использовать биомимикрию в вашем следующем проекте

«Люди, проектирующие наш окружающий мир, обычно не посещают лекции по биологии. Они новички в вопросах устройства мира»

Жанин Беньюс, биолог, писатель, инновационный консультант

Было бы разумно отметить, что некоторые проблемы, с которыми мы сталкиваемся сегодня, уже были безупречно решены природой. Вопрос состоит лишь в том, чтобы обратиться к правильным источникам вдохновения. Мы должны взять гений, присутствующий в природе, и предоставить его дизайнерам и новаторам. Первым шагом при разработке любого решения должен быть вопрос: «Природа уже решала эту проблему?».

AskNature – отличный источник инноваций для поиска инженерных решений. Это онлайн-каталог естественных решений проблем человеческого дизайна. Это библиотека, содержащая примеры того, как природа преодолевает неблагоприятные условия и проблемы путем внедрения «умных» дизайнов и процессов. Данная платформа помогает преодолеть разрыв между новаторами и биологами.

Лучший способ добиться глобальных изменений в том, как мы разрабатываем решения, – это объединить предпринимателей, склонных к биомимикрии, и дать им нужные инструменты. Конкурс под названием The Biomimicry Global Design Challenge (организованный Институтом биомимикрии) проводится каждый год. Команды студентов и профессионалов решают критические глобальные проблемы с помощью вдохновленных природой решений. Это одна из замечательных платформ, продвигающих идею биомимикрии, которая предоставляет правильные инструменты и наставничество, а также необходимое для стартапов финансирование.


Природа сохраняет то, что работает, и заменяет то, что не работает, посредством эволюции и адаптации. Наша цель состоит в том, чтобы сделать продукты, системы, процессы и цивилизацию практически неотличимыми от мира природы. Пришло время совершить эволюционный скачок и стать функционально совместимыми с жизнью.

я обязательно выживу нажми, чтобы спасти я обязательно выживу нажми, чтобы спасти я обязательно выживу нажми, чтобы спасти я обязательно выживу нажми, чтобы спасти я обязательно выживу нажми, чтобы спасти