Забудьте про сплошной пластик: почему будущее за материалами, которые умеют изгибаться, как кожа

Природа использует плитку для брони и гибкости у многих видов — Ньякатура

Мозаика кажется нам историей про красоту и декор, но в природе "плитка" — это прежде всего инженерное решение. Повторяющиеся элементы, разделённые чем-то вроде "затирки", встречаются у самых разных организмов — от вирусов до гигантских черепах. Эти узоры помогают ловить свет, защищаться, удерживать влагу и при этом оставаться подвижными. Об этом сообщает журнал PNAS Nexus.

Почему "плитка" — универсальный приём эволюции

Биолог Джон Ньякатура из Берлинского университета имени Гумбольдта и его коллеги обращают внимание: подобные структуры возникают в живой природе снова и снова, причём на очень разных уровнях. Это не одна редкая находка, а повторяющийся мотив, который эволюция "переоткрывала" независимо в разных ветвях жизни.

"Подобные поверхностные структуры существуют буквально во всех масштабах", — говорит биолог Джон Ньякатура.

Эта повторяемость намекает на простую вещь: у "плиточных" поверхностей есть набор преимуществ, который оказывается выгодным в самых разных условиях — от микромира до макромира.

Что учёные назвали "биологической плиткой"

Исследователи предложили удобный термин — "биологические плитки". Под ним они понимают поверхности, где есть повторяющиеся элементы (условные "плитки") и прослойка между ними (аналог "затирки" или соединительного материала). Важно, что речь не о художественном узоре, а о структуре, которая имеет функцию.

Чтобы разобраться, насколько это распространено, команда собрала и описала 100 примеров таких узоров. Источники были максимально "полевые": изображения и описания брали с веб-сайтов, из соцсетей и из обсуждений с учёными. Итогом стал своеобразный каталог природных "мозаик" — от микроскопических до крупных.

Мозаика от нанометров до десятков сантиметров

Одно из самых впечатляющих наблюдений — масштабный разброс. "Плитки" могут быть настолько маленькими, что измеряются нанометрами, как элементы белковых оболочек вирусов. А могут быть очень крупными, например пластины на панцирях гигантских черепах, где отдельный фрагмент уже измеряется сантиметрами и даже десятками сантиметров.

Каталог охватил самые разные группы: растения, членистоногие, рыбы, млекопитающие, моллюски и даже тихоходки. То есть "плитка" не привязана к одному типу тканей или к одному способу жизни — она проявляется везде, где поверхности нужно одновременно защищать, "работать" и адаптироваться.

Какие задачи решают природные "плитки"

Функций у таких узоров много, и в этом их особая ценность. В одних случаях плиточная геометрия помогает работать со светом — например, в сложных глазах насекомых, где повторяемость элементов поддерживает эффективный захват и обработку визуальной информации.

В других случаях "плитка" выполняет роль брони. Пример — структуры, связанные с защитой у акул: повторяющиеся элементы на поверхности помогают противостоять механическим воздействиям и могут влиять на взаимодействие с водой при движении.

Часто же природа использует "мозаику" как многофункциональную систему. Показательный пример — кожа слонов: сеть трещин и "ячейки" удерживают воду и грязь. Это помогает охлаждаться, защищает от солнечного излучения и усложняет жизнь паразитам. Одна и та же структура решает сразу несколько проблем без необходимости "вешать" на организм лишние слои.

Главный выигрыш: защита без потери подвижности

По словам Ньякатуры, самый частый эффект от плиточной поверхности — это сочетание прочности и гибкости. Сплошной жёсткий панцирь защищает, но ограничивает движение. Слишком мягкая кожа даёт свободу, но хуже держит удары и износ.

"Плитка" даёт компромисс: твёрдые элементы принимают нагрузку, а промежутки между ними позволяют поверхности деформироваться контролируемо. Это хорошо видно на примере броненосцев: они могут значительно изгибаться в одном направлении и при этом сохранять жёсткость в другом — не "расползаясь" и не теряя форму.

Как это может пригодиться человеку

Исследователи рассматривают "биологическую плитку" как источник идей для биомиметики — проектирования материалов и изделий по принципам, найденным в природе. Если понять геометрию и то, как она распределяет нагрузки, удерживает влагу или управляет теплом, можно улучшить множество поверхностей вокруг нас.

Примеры, которые приводятся в материале, звучат очень прикладно:

наколенники и другая защита, которая лучше адаптируется к росту детей и движению суставов;
фасады зданий, которые эффективнее охлаждаются за счёт структуры поверхности.

Логика здесь понятная: вместо того чтобы делать один сплошной материал толще и тяжелее, можно "разбить" его на модули — как делает природа — и управлять тем, как поверхность гнётся, дышит и рассеивает тепло.

Сравнение: сплошная поверхность и плиточная структура

Сплошная поверхность проще в производстве и иногда прочнее в статике, но хуже переносит локальные деформации: трещина может пойти дальше, а изгиб может быть непредсказуемым. Плиточная структура чаще лучше справляется с локальными нагрузками: повреждение может оставаться "в пределах одной плитки", а соединительные участки работают как зоны компенсации.

Кроме того, плитка позволяет встраивать дополнительные функции. Там, где есть "швы", легче удерживать воду, грязь, воздух или, наоборот, обеспечивать дренаж — в зависимости от задачи.