Морская звезда оказалась природным оптическим датчиком: в её скелет встроены микроскопические линзы

Команда материаловедов из Вирджинского технологического института совместно с коллегами из MIT и других научных центров США и Германии изучала тропическую морскую звезду Protoreaster nodosus. Изначально учёные пытались понять, как природе удаётся создавать пористые скелетные структуры, которые остаются исключительно прочными и лёгкими. Однако в процессе работы авторы наткнулись на встроенные в минерал микроскопические линзы. Обнаруженный феномен подробно описан в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

При проектировании защитных материалов инженеры обычно стремятся к трём главным качествам: прочности, жёсткости и долговечности. Способность воспринимать сигналы окружающего мира редко входит в этот список, но исследование скелета морских звёзд заставило учёных пересмотреть привычный подход. Природная оптика из хрупкого мела: все иглокожие, включая морских звёзд, строят свои скелеты из карбоната кальция. Для инженеров этот минерал хорошо знаком: он дёшев и лёгок, но при этом крайне хрупок. По законам механики, сверление отверстий в хрупком материале делает его ещё слабее. Однако морские звёзды обходят это правило: их панцири пронизаны множеством пор, но сохраняют поразительную стойкость к нагрузкам в суровых условиях океана.

Изучая кончики лучей морской звезды, учёные заметили десятки гладких линзообразных бугорков, уходящих глубоко вглубь скелета в виде крошечных минеральных конусов. Оптические тесты показали, что эти структуры улавливают поступающий свет и направляют его во внутреннюю полость скелета. Одиночный конус способен сфокусировать около 70 процентов падающего на него света, а работая в группах, они собирают лучи под широким углом, многократно усиливая сигнал. Это позволяет животному вовремя замечать хищников, искать укрытия и ориентироваться на местности.

В инженерном деле добавление датчиков в защитную конструкцию всегда требует компромиссов: обычно это оборачивается лишним весом, потерей прочности или сокращением срока службы детали. Морская звезда полностью лишена этих недостатков. Вместо того чтобы прикреплять сенсоры поверх брони, эволюция встроила оптические функции непосредственно в несущую архитектуру скелета.

Компьютерное моделирование показало, что световодные конусы не просто не ослабляют конструкцию, а наоборот — увеличивают жёсткость окружающего их минерала. Кроме того, на микроскопическом уровне переходы между порами скелета выполнены идеально плавно. Это распределяет механическое напряжение равномерно по всей структуре и буквально «запирает» трещины, не позволяя мелким повреждениям распространяться дальше.

Открытие принципов строения скелета морских звёзд открывает новые горизонты для создания «умных» материалов. Современные композитные пены и защитные панели выполняют лишь одну задачу — амортизируют удары. В будущем, вдохновлённые природой технологии позволят создавать лёгкие ударопрочные панели для космических аппаратов, авиации и транспорта, которые смогут одновременно защищать груз, оценивать условия окружающей среды и самостоятельно диагностировать внутренние повреждения.

Природа создаёт сложнейшие структуры при обычных температурах и давлении, затрачивая немного энергии, чем современные заводы. Разгадка этих механизмов позволит человечеству производить продвинутые материалы экологически чистым и эффективным способом.