Американские инженеры и биологи случайно разгадали давнюю загадку морских звезд. Ученые обнаружили в их скелете микроскопические минеральные линзы, которые работают как глаза и одновременно укрепляют кости. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Случайное открытие 

Команда материаловедов под руководством профессора Линга Ли изначально изучала, как морские звезды строят свои удивительно прочные и одновременно легкие пористые скелеты. Природные конструкции давно привлекают инженеров, ведь они умудряются сочетать в себе легкость и высокую устойчивость к повреждениям. Однако во время детального осмотра кончиков конечностей морской звезды вида Protoreaster nodosus исследователи заметили нечто необычное.

В минеральный каркас животного были встроены десятки гладких округлых выступов. Оказалось, что эти микроскопические структуры уходят вглубь скелета и напоминают крошечные конусы. Детальные оптические эксперименты и кристаллографический анализ показали, что эти элементы работают как настоящие линзы. Природа смогла объединить в одной системе жесткую механическую опору и орган оптического восприятия, что сильно удивило специалистов. Ранее ученые выяснили, что морской еж думает и «видит» всем телом. 

Прочные линзы на кончиках конечностей

Оптическое моделирование показало, что каждая отдельная минеральная линза способна улавливать и направлять вглубь тела около 70% падающего света. Все вместе эти структуры работают как единая большая матрица. Они собирают свет с широкого угла обзора и создают мощный сигнал, который помогает морским звездам ориентироваться на дне океана, искать пищу, прятаться в укрытиях и вовремя замечать приближающихся хищников.

Подобные линзы ученые находили у морских организмов и раньше, но их точное назначение оставалось неизученным. Чтобы разгадать эту тайну, Лингу Ли пришлось объединить усилия биологов, кристаллографов и специалистов по компьютерному моделированию. Самым ценным для науки фактом стало то, что эти световые конусы не просто пропускают лучи, но и значительно увеличивают жесткость всего окружающего каркаса.

Технологии будущего 

Для современных инженеров это открытие открывает перспективы в создании умных материалов. Сейчас, если конструкторам нужно снабдить деталь датчиками, им приходится прикреплять сенсоры сверху. Из-за этого приборы часто становятся тяжелее, теряют в прочности или служат гораздо меньше. Морская звезда показала пример идеальной интеграции, где защитная броня сама по себе является чутким сенсором.

«В природе одна структура часто служит для многих целей, потому что для организмов производство материалов обходится дорого, — поясняет профессор Ли. — Эволюция, как правило, использует одну и ту же систему материалов для выполнения нескольких функций, поэтому применение такого подхода в производстве и проектировании материалов только поможет инженерным конструкциям работать лучше и стоить дешевле».

Вдохновившись этим примером, инженеры уже проектируют пористые панели нового поколения для автомобилей и космических аппаратов. Представьте себе легкий пенопласт или обшивку ракеты, которая не только поглощает удары, но и сама сообщает компьютеру о трещинах или изменении температуры вокруг. При этом пористая структура скелета морской звезды устроена так, что плавные переходы между порами идеально распределяют нагрузку и останавливают распространение любых сколов.