На конце крыльев почти каждого коммерческого авиалайнера находится важная технологическая деталь, которую легко упустить из виду обычному человеку, не знакомому с аэродинамикой. Маленькие загнутые вверх кончики каждого крыла называются винглетами. Хотя они появились на больших авиалайнерах только в конце 1980-х годов, но изобретены были более чем столетием ранее. За много лет до исторического первого полёта братьев Райт, британский инженер Фредерик Ланчестер запатентовал идею более эффективных крыльев для своих моделей планеров. Создавая дизайн своего крыла, изобретатель вдохновлялся тем что появилось в природе миллионы лет назад — орлиными крыльями, которые изгибаются кончиками вверх, когда эти грандиозные создания парят высоко в воздухе.
Птицы вдохновляли людей на изобретения на протяжении тысячелетий. У японских скоростных поездов длинные носы, сконструированные таким образом, чтобы копировать клювы зимородков, а естественная амортизация, свойственная дятлам, может быть использована, в том числе, для защиты черных ящиков самолётов. Чем больше дизайнеры, инженеры и изобретатели изучают птиц, и особенно их оперение, тем глубже они ценят эти чудеса эволюционной инженерии. Птичьи перья могут перемещать или отталкивать воду, издавать или маскировать звуки, создавать удивительные цветовые сочетания или впечатляющий камуфляж, сохраняя при этом лёгкость, мягкость и тепло. Это натуральное покрытие, которое птицы выращивали и использовали миллионы лет, по-прежнему во многих отношениях превосходит все, что может создать человек. На данный момент ни одна технология производства не может сравниться с природной способностью «изготовления» перьев.
Отчасти разница между натуральными перьями и искусственными материалами обусловлена масштабом. Лучшие современные промышленные 3D-принтеры могут надёжно воспроизводить элементы с точностью до одной сотой миллиметра. Это звучит впечатляюще, и в контексте человеческой инженерии это действительно так, но для достижений природы этого катастрофически мало. Мельчайшие функциональные структуры пера, называемые кератиновым волокном, достигают нанометрового масштаба. Это в 10 000 раз сложнее, чем могут воспроизвести наши лучшие современные производственные технологии. Диаметр кератиновых волокон составляет приблизительно 3 нанометра. Такое молекулярное расположение атомов является основным строительным материалом для структуры перьев и встречается у всех видов птиц, обеспечивая базовый уровень прочности, вязкости и долговечности. Исследовать этот белок сложно из-за его небольшого размера, но последние достижения позволяют получить представление о его образовании, структуре и свойствах.
Многофункциональность перьев часто является совокупным каскадным эффектом, обусловленным различной длиной, поэтому сопоставление конкретных структур с конкретными свойствами материала является сложной задачей. Не существует систематизированной системы для решения этой сложной задачи, а обычные инструменты, используемые для измерения механических свойств конструкционных материалов, плохо подходят для небольших, чувствительных к воздействию окружающей среды компонентов перьев. Поэтому остается много вопросов о многофункциональной природе иерархической архитектурной организации различных перьев. Структура естественным образом приобретает привлекательные свойства благодаря интегрированию шкалы длины на девять порядков — от нанометров до метров. Однако больше всего современных инженеров поражает и вдохновляет в перьях их способность выполнять несколько функций одновременно.
Самая очевидная функция перьев — полёт. Прочные, но лёгкие и мягкие, перья позволяют большинству птиц ловить восходящие воздушные потоки, парить, стремительно летать и отрываться от земли. Птицы могут совершать короткие перелёты, уклоняясь от хищников или ловить добычу, многие могут отправляться в тысячемильные сезонные миграции. Возможность полёта позволила птицам распространиться во все уголки мира, и он вдохновлял изобретателей задолго до изобретения винглетов Ланчестером в 19 веке. Древние греки рассказали историю Дедала и Икара — трагедию об опасностях амбиций. Сегодня крылья Дедала можно отнести к категории дизайна, называемой биогибридами. Вместо того чтобы пытаться воссоздать перья с нуля, биогибридные конструкции включают настоящие перья в синтетические машины. Современные изобретатели используют биогибридные летательные аппараты, чтобы воссоздать полет птиц точнее, чем когда-либо прежде, и недавно они создали летающего робота, который может приземляться на ветку, как певчая птица.
После полёта, ещё одной очевидной функцией перьев является цвет. Каждая птица, летающая она, или нет, использует эту функцию. Некоторые используют цвет, чтобы выделяться и привлекать партнёров, как павлины и ярко-красные кардиналы. Другие хотят спрятаться, а не покрасоваться, как в случае с пятнистым коричневым оперением многих самок уток, которое позволяет им сливаться с болотистой средой обитания, или певчим воробьём, который использует свой полосатый камуфляж, чтобы скрыться в ветвистом кустарнике. Колибри и многие другие виды создают ослепительную радужность благодаря слоям пигментов в своих перьях.
Эти слои используют явление, называемое конструктивной интерференцией, когда две световые волны, отражаясь от разных слоёв, создают эффект, которого ни одна из них не могла бы достичь сама по себе. Это помогает птицам создавать эти красочные, переливающиеся изображения, которые могут менять цвет, когда вы смотрите на них под разными углами. Цвет перьев вдохновляет не только своей красотой. Исследователи разрабатывают новое поколение более эффективных солнечных панелей, используя ещё один структурный трюк на основе принципа строения перьев птиц (таких как арктические чечётки и белые совы), который заставляет отражать инфракрасный и ультрафиолетовый свет.
Перьевое одеяние также обеспечивают птицам жизненно важную изоляцию и регулирование температуры. Пух таких птиц, как гуси, использовались людьми на протяжении столетий для изготовления мягких, тёплых материалов. По сей день ни один синтетический материал не может сравниться с этим природным теплосберегающим изолятором по соотношению веса к минимальной теплопередаче, но и традиционные перья продолжают вдохновлять на создание новых материалов и технологий. Неудивительно, что пингвины часто используются в качестве образчика для вдохновения из-за их адаптации к самым суровым холодам на Земле. С появлением мощных вычислительных возможностей объединяемых в сеть серверов, исследователи разрабатывают новые комбинации всепогодных текстильных материалов, которые сохраняют тепло и отталкивают воду, оставаясь при этом воздухопроницаемыми. Самые эффективные из подходов были созданы на основе трёхслойной структуры перьев пингвинов. Другие экспериментируют с новыми полимерными аэрогелевыми материалами, которые могут применяться для изоляции зданий и контроля климата, демонстрируя широкий спектр применений.
Перья также играют роль в создании или устранении звука. Хвосты колибри издают похожий на колокольчик трель, когда ныряют, помогая произвести впечатление на потенциальных партнёров. Бесшумные крылья совы позволяют ей незаметно, но стремительно, приближаться к мышам и другой добыче ночью, что вдохновило на создание новых методов глушения звука самолётов, а особенно вертолётов и беспилотных летательных аппаратов с роторным двигателем.
Ещё одной впечатляющей функцией перьев с инженерной точки зрения является их взаимодействие с водой — мы все знаем, что вода эффективно скатывается с тела утки. Но всем птицам нужно оставаться сухими — ведь если птицы слишком намокнут, то ни одна из других функций не сработает правильно — цвета станут приглушёнными, а для многих полёт становится невозможным. Утиное перо привлекло много внимания в технологии гидроизоляции, недавно вдохновив на изобретение нового типа желатиновой плёнки для упаковки продуктов питания, которая более устойчива к влаге и холоду, одновременно сохраняя продукты свежими дольше, чем пластик. Но кроме семейства утиных, почти все не водоплавающие птицы также используют водоотталкивающие свойства оперения. Именно они стали объектом изучения для изобретения новой технологии испарения, которая может улучшить опреснение морской воды. Традиционные испарители не очень хорошо работают в сырую погоду, но синтезированный новый материал гораздо лучше выдерживает намокание и высыхание, как и птицы тропических лесов, которые вдохновили разработчиков этого новшества.
Из всех других чудес опережает человеческие возможности способность перьев к восстановлению формы и функциональности. Хотя птицы меняют перья как на постоянной основе, так и во время ежегодной линьки, многие элементы оперения обладают способностью восстанавливаться после незначительных повреждений. Части пера могут распадаться и возвращаться в свою первоначальную форму таким образом, о котором инженеры могут только мечтать для своих разработок. Проведите пальцем по всей длине махового пера, и крошечные бородки, которые отрываются от его центрального опахала, легко разделятся, но затем их можно так же быстро разгладить, чтобы они снова стали такими же, как будто бы ничего не произошло. Представьте себе самолёт, который немного пошевелил крыльями и снова чувствует себя хорошо после критической поломки на поверхности фюзеляжа. Этот механизм самовосстановления вдохновляет новые разработки так называемой мягкой электроники, например, изоляторов и полупроводниковых деталей. Возможно, когда-нибудь они смогут реорганизоваться обратно в рабочую модель после повреждения, как это делали голубиные перья на протяжении миллионов лет.
Одним из самых замечательных аспектов всех этих функций является то, как они возникают из химически простого материала. Перья состоят из кератина, того же соединения, что и человеческие волосы или ногти. У более чем 10 000 видов птиц, в таких маленьких формах, как щетинки на лбу колибри, и таких больших, как маховые перья кондора, каждое перо в мире состоит из этого одного вещества. Однако, первый инстинкт инженеров часто заключается в том, чтобы изменить химию материала. Эта привычка следует из многовекового опыта: если требуется сделать железо более прочным, добавлялось немного углерода, чтобы получить сталь. А если надо окрасить пластик, в массу вводят химический краситель. Но имея гораздо более ограниченный набор доступных ей материалов, эволюция работает с тем, что у нее есть — кератином — решая проблемы, с которыми сталкивается птица, посредством трансформации новых структур, а не новых материалов. После тысяч лет восхищения перьями люди до сих пор не могут их воссоздать. Но по мере того, как исследователи узнают больше о перьях и всех их функциях, они будут продолжать черпать вдохновение из этого простого, но гениального эволюционного дизайна.
