Некроботы, некропечать и еще 5 кейсов современной биомимикрии с элементами weird fiction

Биомимикрия — штука древняя. Крыло самолета «срисовали» у птиц, застежку-липучку — с репейника, а клейкую ленту — с лапок геккона. Но это и так всем известно.

Сейчас на переднем крае науки творится нечто совсем другое (и местами откровенно жуткое): мертвые пауки работают микрозахватами. Хоботки комаров — соплами для принтеров. Панцири креветок превращаются из отходов в детали роботов. Ученые наконец разобрались, почему сова летает бесшумно, — и теперь дата-центры стали тише. А одноклеточный слизевик, у которого нет ни мозга ^[1], ни нервной системы ^[2], спроектировал транспортную сеть не хуже инженеров токийского метро.

Раньше у природы только копировали идеи. Теперь ее саму берут в оборот. Добро пожаловать в эпоху некроботов, некропринтеров и бактерий-шпионов. Ниже — семь кейсов современной биомимикрии, от которых немного не по себе. И пара классических историй, которые уже стали хрестоматийными, но все еще впечатляют.

Некроботика

Метод с названием «некроботика» начисто убрал этап, когда биологию переводят в синтетику. Если раньше надо было детально изучить природный объект, а потом попытаться воспроизвести его структуры и материалы искусственно, то теперь в этом нет необходимости Роботом, киборгом или технологией отныне выступает сам оригинал — умерщвленный во славу науки. Все, так сказать, натуральное и биоразлагаемое — так диктует время, да и, собственно, сама природа с ее замкнутыми экосистемами. 

Мертвая хватка (паучья)

Одной из самых известных тут стала разработка ^[3] некроробототехников из Университета Райса (США), которые весьма успешно приспособили мертвых пауков-волков (Lycosidae) для захвата предметов.

Суть проста: в основе опорно-двигательного аппарата членистоногих лежит гидравлика, совсем как у некоторых роботов и машин. Нагнетая давление гемолимфы в теле, паук разгибает ноги, а стравливая его — сгибает. Именно по этой причине у мертвых пауков ножки загнуты внутрь. И именно это свойство позволило ученым управлять пауком, как роборукой.

В ходе эксперимента инженеры использовали внешний источник давления — инъекционный шприц. Сначала они усыпили пауков, продержав их при температуре -4 °С в течение пяти–семи дней. Затем ввели в просому иглу и герметично закрепили ее на теле с помощью клея. Когда клей засох, оставалось только присоединить шприц.

И вуаля — готовый к использованию арахнозахват оказался способен поднимать предметы массой в 1,3 раза выше его собственной! При этом максимальная сила хвата достигала 0,35 миллиньютона, а минимальная — 0,02 миллиньютона. А еще инженеры подняли пенополиуретановый предмет, объем которого в 2,6 раза превышал объем захвата. Предположительно, помогли микроволоски на паучьих лапах.

В перспективе разработка, особенно если ее немного кибернезировать , например, добавив ИИ-настройку, поможет в работе с мелкими, гладкими и хрупкими субстанциями — то есть в микроэлектронике или микрохирургии.

Некроботы из мусорки для фриганов

Если паук-волк, изгибающийся под воздействием вогнанного в просому шприца, — это, как и положено пионеру отрасли, красивый перформативный жест в стиле боди-хоррора, то новая работа ^[4] исследователей из Швейцарской высшей технической школы Лозанны (EPFL) выглядит куда более приземленно и, что важнее, масштабируемо.

Вместо редких лабораторных объектов они взяли то, что в мире производится в избытке и обычно отправляется в мусор: панцири лангустинов (близких родственников омаров, которых у нас называют «аргентинскими креветками»). 

Экзоскелет ракообразных — это уже готовый композит, собранный эволюцией ^[5]: жесткие защитные пластины сочетаются с гибкими сочленениями, образуя структуру, которую крайне сложно и дорого воспроизвести синтетически, особенно в малых масштабах.

Команда EPFL пошла по пути минимального вмешательства. Панцири массой около трех граммов дооснастили сухожильными элементами, эластомерами и силиконовыми покрытиями — ровно настолько, чтобы превратить их в полноценные робототехнические актуаторы. Получившиеся конструкции оказались способны:

• удерживать нагрузку до 680 граммов (более чем в 200 раз больше собственного веса),

• работать с частотой до восьми циклов в секунду,

• приводить в движение в том числе плавающих роботов.

Помимо этого некроробототехники сразу заложили в конструкцию круговой производственный цикл. После завершения срока службы биологическая часть просто разлагается, а синтетические компоненты извлекаются и используются повторно. В результате пищевые отходы превращаются в источник деталей, а не в проблему утилизации.

Комариный некропринтинг

Спорим, вы ждали нового эффектного термина! Команда из Университета Макгилла (Канада) к вашим услугам — она решила ^[6] использовать мертвых насекомых вообще не как роботов, а как рабочие элементы оборудования, окрестив свой подход некропринтингом.

Идея проста и дерзка: взять биологическую структуру, которая эволюционно оптимизирована под микроработу с жидкостями, и превратить ее в сопло для сверхточной 3D-печати. Ну, например, хоботок самки комара.

Прежде чем дойти до комаров, исследователи устроили почти дарвиновский кастинг. Они изучили жала пчел ^[7], ос и скорпионов, клыки ядовитых змей, когти многоножек — все, что в природе приспособлено для доставки жидкости в цель. Формально задача у всех одна и та же: провести жидкость через тонкий канал. Но почти все кандидаты оказались непригодны. Одни инструменты были слишком изогнутыми, другие — рассчитанными на резкий импульс, а не на ровный, непрерывный поток, необходимый для печати.

Комариный хоботок оказался редким исключением. Он прямой, длинный, жесткий и при этом микроскопический: внутренний диаметр — всего 20–30 микрон. Именно такую геометрию инженеры годами пытаются получить в искусственных соплах — дорого и с большими допусками.

Команда аккуратно извлекала хоботки уже умерщвленных комаров под микроскопом и устанавливала их на стандартную шприцевую систему подачи чернил, закрепляя УФ-отверждаемой смолой. Получившееся устройство они, как вы уже догадались, назвали 3D-некропринтером.

Результат оказался неожиданно приличным. Разрешение печати составило 18–22 микрона — примерно в два раза лучше, чем у принтеров с самыми тонкими коммерческими металлическими соплами. В тестах печатали микросоты, крошечный кленовый лист и каркасы для выращивания клеток. Это уже не демонстрация ради демонстрации, а задел под биомедицину и микроэлектронику.

Разумеется, природа не всесильна. Комариные сопла плохо переносят высокое давление и не подходят для вязких «пастообразных» чернил. Стеклянные сопла все еще выигрывают по абсолютному разрешению и прочности. Но есть преимущество — дешевизна и доступность. По оценке исследователей, органическое сопло из хоботка обойдется примерно в 80 центов (60 рублей по текущему курсу), тогда как стеклянные и металлические аналоги стоят в десятки раз дороже. В перспективе команда рассматривает гибридный подход: использовать комариный хоботок как сердечник, усиливая его керамическими покрытиями. 

Горбатые киты и ветряные турбины

Но хватит угрюмых слов с приставкой «некро» на сегодня. Поговорим лучше о «большой» во всех смыслах биомимикрии — ветряках и китах, одном из интереснейших «классических» проектов последних лет.

Кажется, что киты — это про настоящую мегаломанию. Но стоит сравнить масштабы кита и ветряка, и заблуждение развеивается. Горбатый кит вырастает в среднем до 13–16 метров, а его знаменитые грудные плавники — до 4–5 метров в длину. Современная же ветряная турбина — это уже совсем другая категория: одна лопасть достигает 80–115 метров, а высота всей установки с поднятой лопастью — 200–260 метров. Проще говоря, одна лопасть ветряка — это шесть–восемь горбатых китов, выстроенных в ряд.

Если кит плавает плюс-минус сам по себе, то ветряная электростанция — чрезвычайно дорогая и сложно обслуживаемая машина, где любая ошибка ^[8] в аэродинамике оборачивается ускоренным износом или авариями. Случаи разрушения лопастей и редукторов регулярно происходят при порывистом ветре и работе на высоких углах атаки (многие наверняка помнят трагическую фотографию).

Грустное

Именно из этой проблемы и возник один из самых известных кейсов биомимикрии, собственно, и породнивший горбатого кита и ветряк.

Ключевая фигура здесь — биолог Фрэнк Фиш (Frank E. Fish), который подробно изучил ^[9] бугорки (tubercles) на передней кромке грудных плавников горбатых китов. Эксперименты показали, что эти неровности формируют цепочки устойчивых вихрей, которые стабилизируют пограничный слой и задерживают срыв потока. В результате плавник сохраняет управляемость при таких углах атаки, где обычная гладкая лопасть уже теряет подъемную силу.

В 2010-х компания WhalePower (сооснователь — тот же Фрэнк Фиш) запатентовала технологию tubercle leading edge — волнистой передней кромки для лопастей, вентиляторов и турбин. 

На практике эффект оказался не революционным, но полезным:

• повышение устойчивости при турбулентном ветре,

• задержка срыва потока,

• снижение шума,

• уменьшение пиковых нагрузок на конструкцию,

• снижение числа аварий,

• мысли о китах, непременно навеваемые где-нибудь на утыканной ветряками равнине.

Слизевики и токийское метро

Еще один интереснейший кейс современной биомимикрии вообще не про форму, материалы или механику. Он про логику ^[10] организации сложных систем (мы, кстати, про это когда-то писали, но пример слишком хорош, чтобы просто оставить ссылку на статью ^[11]) .

Главный герой здесь — слизевик Physarum polycephalum. Формально это одноклеточное. У него нет мозга, нервной системы и органов чувств ^[12] в привычном смысле. Зато есть способность строить разветвленные сети, по которым это существо прокачивает питательные вещества, постоянно перестраивая их под текущие условия.

В 2010 году японские и британские исследователи решили проверить ^[13], насколько «разумна» эта сеть. Эксперимент выглядел издевательски просто. На плоской поверхности разложили схему агломерации Токио. В местах расположения крупнейших городов разместили хлопья овса — еду для слизевика. В центр поместили Physarum и оставили его в покое. 

Через некоторое время слизевик выстроил сеть протоплазматических трубок. И эта сеть оказалась поразительно похожей на реальную железнодорожную систему Большого Токио. Важно, что это сходство оказалось не только визуальным. Исследователи сравнили получившуюся сеть с реальной транспортной системой по нескольким показателям: длине путей, связности и устойчивости к разрывам. В этих тестах сеть слизевика почти не уступала существующей инфраструктуре, а в некоторых сценариях — например, при «выключении» отдельных узлов — показывала даже бо`льшую устойчивость.

Суть в том, что слизевик (по сути, одна большая клетка) постоянно прокачивает потоки цитоплазмы через свою сеть и «оценивает» каждую ветвь по эффективности. Хорошие маршруты утолщаются, плохие деградируют. Возникает самонастраивающаяся система, которая балансирует между минимальной длиной, надежностью и избыточностью. 

Когда поведение ^[14] слизевика формализовали, стало ясно, что он реализует простую, но эффективную модель распределенной оптимизации. Никакого центра управления, никакой глобальной карты и иных мудреных человеческих решений, только постоянная обратная связь. 

Эту логику перенесли в математические модели, которые позже стали использовать для проектирования транспортной инфраструктуры, распределенных систем связи и робототехники. Ключевое достоинство такой модели в том, что система способна перестраиваться в процессе работы и не ломается при локальных сбоях.

Дроны, ЦОДы и совы

История с совами — старая. О том, что эти крылатые коты летают почти бесшумно, биологи говорят десятилетиями. Но биомимикрически этот эффект начали системно разбирать только в последние 15–20 лет — и сейчас мы живем как раз на острие его внедрения.

Ключевой источник шума у крыльев, лопастей и пропеллеров — задняя кромка. Когда воздух, уже ставший турбулентным на поверхности профиля, срывается с гладкой задней кромки, он шумит. В аэродинамике это называют trailing-edge noise.

У совы эта проблема решена сразу несколькими способами. Во-первых, у нее зазубренная (гребенчатая) передняя кромка крыла. Во-вторых, бахромчатая задняя кромка. В-третьих, поверхность пера имеет бархатистую, пористую микроструктуру. В сумме это не убирает турбулентность, но разрушает ее согласованность: вместо крупных вихрей возникает множество мелких, которые значительно тише. 

Экспериментально это давно подтверждено: ночные совы издают примерно на 18 дБ меньше шума, чем другие птицы при сопоставимой скорости полета. 

Переломный момент наступил в 2010-х, когда у заманчивой совиной биологии наконец появилась массовая инженерная цель — ЦОДы, системы охлаждения, дроны. И пошла новая волна исследований.

Работы показывают, что устроенные «по-совиному» крылья и лопасти действительно работают тише без заметной потери производительности. В частности, группа из Xi’an Jiaotong University продемонстрировала ^[15], что «совиная» геометрия кромок заметно ослабляет «шум задней кромки» (trailing-edge noise) за счет декорреляции вихрей. 

Как раз сейчас технология постепенно выходит за пределы лабораторий — например, тестируется на БПЛА ^[16].

Пентагонские бактерии

Если слизевик оптимизирует транспортные сети без мозга, то бактерии способны на другой трюк — координировать коллективное поведение ^[17] без центра управления. Механизм этот называется quorum sensing (буквально «чувство кворума»).

Устроен он так: каждая клетка выделяет сигнальные молекулы. Пока бактерий мало, ничего не происходит. Когда же концентрация сигнала достигает порога, включаются генетические программы: образование биопленок, биолюминесценция, выработка ^[18] токсинов, смена метаболизма и т. д.

Инженеры давно используют quorum sensing как основу биосенсоров: бактерии можно заставить реагировать ^[19] на тяжелые металлы, токсины, радиацию или дефицит питательных веществ, однако без особого успеха — флуоресцентные маркеры требуют микроскопа, а значит, можно ставить точку.

Но оказалось, что нет! В 2025 году команда MIT предложила ^[20] радикальный обход этого ограничения. Вместо усиления привычных маркеров ученые связали бактериальные сенсоры с синтезом молекул с уникальной гиперспектральной подписью. Такие сигналы не видны глазом, но уверенно считываются гиперспектральными камерами — теми самыми, которые используют в спутниковой съемке и дистанционном зондировании.

В MIT провели квантово-химический скрининг около 20 тысяч природных молекул и выбрали те, что резко выделяются спектрально и требуют минимального числа ферментов для синтеза. В результате:

• для Pseudomonas putida использовали биливердин,

• для Rubrivivax gelatinosus — бактериохлорофилл.

Гены-репортеры (те самые, которые при включении заставляют клетку производить маркер, тут — молекулу с гиперспектральной подписью) связали с генетическими цепями quorum sensing. Принципиально важно, что репортеры модульны: их можно подключить к любому бактериальному сенсору — от мышьяка до азота в почве.

В полевых тестах бактерии помещали в герметичные контейнеры и размещали в полях, пустынях и на крышах зданий. Их «ответ» уверенно считывался с дронов на дистанции до 90 метров с помощью гиперспектральных камер. Сканирование занимало 20–30 секунд, после чего алгоритмы восстанавливали карту активности.

По сути, речь идет о распределенных сенсорах, которые:

• не содержат электроники,

• не излучают радиосигналы,

• не требуют питания,

• принимают решение локально,

• но считываются на уровне инфраструктуры.

То есть такие системы невозможно заглушить РЭБ, их трудно обнаружить разведкой, и они масштабируются не установкой датчиков, а размножением клеток. Несложно догадаться, кому особенно интересна такая биомимикрия — в проекте приняла прямое участие американская оборонка.

Вместо вывода

Если собрать рассказанные выше истории вместе, то заметно, что, по сути, почти все они об одном — о том, как мы сегодня стремимся не «подчинять» природу, а органично встраиваться в нее. Теперь нам мало перехвата готовых решений, выработанных эволюцией, — хочется прямого и циклического включения их в инженерный контур. Мы применяем мертвые тела как механизмы, живые клетки — как сенсоры или архитекторы инфраструктур. Граница между «биологическим» и «технологическим» стирается — наступают времена гибридов, киборгов или, если хотите, некротехнологий. 

Плохо ли это — использовать то, что уже отработало, еще раз? Вряд ли — ведь этим занимается любая живая экосистема. Как урегулировать все это  этически? Пока большой вопрос — но результат точно должен быть гуманнее уничтожения живого.