В науке вдохновение может прийти откуда угодно.
Исследователь может задаться вопросом о тяге, производимой крыльями бабочки, когда они порхают по лугу. Может быть, наблюдение за белками, прыгающими по деревьям кампуса, как паркурщики, вызывает любопытство к тому, что происходит в их пушистых маленьких мозгах, когда они решают прыгать с ветки на ветку.
Другие, конечно, черпают свою искру из более странных источников: анализируя кишечник акулы или изучая ходьбу микроскопических водяных медведей.
Эти и другие сценарии вдохновляют ученых более внимательно изучать мир природы. Открытия часто вдохновляют на новые разработки в области фильтрации воды, солнечных батарей, строительных материалов и множества роботов.
Вот десять открытий 2021 года, которые однажды могут привести к новым изобретениям:
1. Белки могут преподать роботам урок ловкости и восстановления
Передвигаясь по верхушкам деревьев, белки рискованно прыгают на дальнее расстояние, если есть крепкая ветка, на которую можно приземлиться. Но даже если их следующая остановка ненадежна, навыки восстановления на уровне экспертов, возможно, развившиеся в результате прошлых ошибок, почти всегда помогают им приземлиться.
Подобно белкам, следующее поколение быстрых, проворных роботов может воспринимать возможности использования определенных аспектов окружающего мира, которые непосредственно дополняют их собственные возможности.
Датчики восприятия могут быть спроектированы так, чтобы напрямую идентифицировать только важную информацию, которая поддерживает решения и управление движением, игнорируя при этом огромное количество лишней информации.
Чтобы узнать больше о том, как белки успешно перемещаются с ветки на ветку, ученые подвергли их испытанию на полосе препятствий в эвкалиптовой роще в кампусе Калифорнийского университета в Беркли.
Команда проанализировала, как белки меняли свои прыжки в зависимости от гибкости ветки, выбирая время для старта немного раньше, и как они готовились к изменению расстояния и высоты, скручиваясь в воздухе, чтобы найти что-то, от чего можно отскочить, чтобы придать импульс. Пройдя несколько сложных прыжков, они в конце концов с легкостью справились с заданием.
Поскольку роботы покидают лаборатории и начинают работать в реальном мире, им каким-то образом приходится сталкиваться со сложностью взаимодействия с различными поверхностями и объектами, различными материалами, твердыми или мягкими, гладкими или шероховатыми, и они должны реагировать соответствующим образом. когда они натыкаются на что-то, теряют сцепление с дорогой или происходит что-то еще неожиданное.
Жуки-водолюбы ходят вверх ногами под поверхностью воды
Благодаря поверхностному натяжению пауки, муравьи, улитки и ящерицы могут ходить по воде, но водяные жуки-водолюбы проделывают более хитрый подвиг. Эти насекомые переворачиваются вверх ногами и бегают прямо под поверхностью воды , словно цепляясь за нижнюю часть стеклянного стола.
В первом исследовании, посвященном подробному анализу этого навыка, исследователи засняли технику перевернутого ползания насекомых. Эти жуки, как известно, улавливают пузырьки воздуха своими волосками на ногах, чтобы насыщать их кислородом, но видеозапись показывает, что такое поведение также может удерживать их на плаву и прижимать к поверхности.
Пузырь, вероятно, дает жуку достаточную поддержку, чтобы оказывать некоторое давление на границу вода-воздух, не прорываясь через нее. Шаги жука даже поднимают «крошечные холмы» воды вдоль поверхности, когда они идут .
У ученых все еще есть много вопросов о физиологии самого жука, например, как анатомия его лапы влияет на этот навык или водонепроницаемы ли различные части его тела. Изучение талантов жука-водолюба может вдохновить на создание крошечных водных роботов.
Инженеры создают ботов, которые могут перемещаться между наземной и водной средой. Однако современные модели требуют нескольких стилей передвижения или запрещают передвижение в одной среде ради другой.
Робот-жук может устранить потребность в гибридных моделях, так как устройство будет ходить по земле так же, как под водой. Это может еще больше расширить возможности роботизированных локомотивов для военных или поисково-спасательных целей.
Жук в исследовании мог не только двигаться под поверхностью, но и оставаться неподвижным в одном месте. Водный клей, вдохновленный жуками, также может быть решением для удержания объектов на поверхности воды для измерения вибрации, измерения температуры или сбора других данных.
Возможно ученые скоро синтезируют материалы, которые смогут использовать это умение и пассивно оставаться на поверхности воды без затрат энергии.
Противораковый геккон и его 900 детенышей могут вдохновить на создание новых уникальных методов лечения меланомы
На аукционе в 2015 году заводчик рептилий Стив Сайкс купил редкую пару леопардовых гекконов морфы «Lemon Frost» за 10 000 долларов. Но когда он начал разводить самца геккона, мистера Фрости, он заметил, что у многих потомков на коже росли маленькие белые опухоли.
Почти у 80 процентов гекконов Lemon Frost — генетической морфы, выведенной из-за их солнечной окраски — развивается рак кожи, который возникает из клеток, вырабатывающих пигменты - иридофоры.
Генетик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Лонгхуа Го случайно обратился к Сайксу, чтобы изучить морфы гекконов, и решил разобраться в генетической тайне лимонных гекконов. Гуо и его команда обнаружили ген под названием SPINT1, который связан с раком кожи у людей, а также отвечает за золотистое свечение гекконов и за их опухоли.
Дальнейшее изучение SPINT1 может помочь ученым лучше понять, как развиваются определенные виды рака у людей, и, возможно, привести к новым способам лечения этого заболевания.
Лара Урбан, исследователь генома из Университета Отаго в Новой Зеландии, которая не участвовала в исследовании, сказала, что изучение экспрессии гена у гекконов, у которых никогда не развивается рак, может стать одним из направлений будущих исследований.
Экспрессия генов — процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок.
Ученые впервые наблюдают, как на крыльях бабочек растут чешуйки
Впервые в истории исследователи из Массачусетского технологического института заглянули в куколку, когда формировались разноцветные чешуйки на крыле бабочки, и сделали непрерывные изображения этого удивительного процесса.
Изучение этого процесса может однажды вдохновить на создание многофункциональных материалов ярких цветов, которые также обеспечивают контроль температуры и водонепроницаемость, говорит автор исследования Матиас Колле, инженер-механик из Массачусетского технологического института.
«Способность видеть и понимать процессы и рычаги управления, лежащие в основе способности бабочек адаптировать структуру материала и характеристики, поможет нам устойчиво преобразовать их в стратегии для формирования следующего поколения передовых функциональных материалов» — сообщает Смитсоновский институт.
Во-первых, команда выращивала гусениц репейницы (Vanessa cardui) до тех пор, пока они не вступили в метаморфоз и не развили куколку. Затем они осторожно удалили часть внешней оболочки и наложили на отверстие прозрачное покровное стекло с помощью биоклея.
Команда использовала спекл-корреляционную фазовую микроскопию отражения, чтобы поближе рассмотреть происходящее. Вместо использования широкого луча света, который может быть фототоксичен для хрупкого крыла, спекл-корреляционная отражательная микроскопия выделяет небольшие точки света в определенных местах, создавая поле освещения, подобное светлячкам на лугу в сумерках.
В течение нескольких дней клетки выстроились в ряды чешуек в чередующемся порядке над и под крылом, как черепица на крыше. Затем на каждой чешуе образовались бороздки нанометровой высоты. Исследователи подозревают, что эти гребни помогают бабочкам сбрасывать воду, как микроскопические водосточные желоба, а также накапливать тепло, чтобы оставаться сухими.
«Мы думаем, что эта работа может привести к новым изобретениям, потому что чешуя бабочки — отличный биологический пример материального решения с множеством желанных функций, которые обеспечиваются одной и той же структурой», — говорит Колле. «Эти функции включают контроль внешнего вида и цвета, терморегуляцию, характеристики смачивания и динамику полета».
Поскольку каждая чешуя состоит из хитина, второго по распространенности биополимера на Земле после целлюлозы, новый материал, вдохновленный крыльями бабочки, также может быть биоразлагаемым и легко заменяемым или обновляющимся.