При изготовлении нательной брони люди, как правило, отдают предпочтение твёрдым и жёстким материалам, которые способны защитить тело от механических повреждений. Зачастую современные доспехи служат для предотвращения повреждения жизненно-важных органов, но практически не защищают конечности, чтобы не ограничивать подвижность человека. Большинство материалов, используемых в производстве брони, не могут обеспечить достаточный уровень гибкости, но учёные из Массачусетского технологического института готовы представить миру новое решение для прочной и эластичной брони – природный гидрогель, которым является мембрана на теле ракообразных.
С доисторических времён естественные защитные механизмы животных служили для людей образцом для создания доспехов. Отличным примером природной защиты живого организма является крепкий хитиновый панцирь ракообразных, но лишь недавно учёные обратили внимание на то, что твёрдый панцирь не способен обеспечить должную защиту омару или лангусту, не ограничивая его движения.
В январе 2019 года в научном журнале «Acta biomaterialia» была опубликована работа «Природный гидрогель в мембране североатлантического омара: эластичная и прочная броня». Её авторы впервые обратили внимание на особенности мембраны, покрывающей конечности и брюшко ракообразного. В сравнении с твёрдым панцирем мембрана выглядит хрупкой и невесомой, но именно она позволяет омару быстро плавать и передвигаться по дну, не травмируя внутренние органы.
Команда учёных провела над мембраной ряд опытов, в которых они проверили как физические, так и химические свойства необычного материала. С помощью электронного микроскопа учёные рассмотрели микроструктуру мембраны, увиденное оказалось похожим на структуру листа фанеры. Препарат для микроскопа толщиной не более четверти миллиметра, который является лишь частью целой мембраны, состоит из десятков тысяч слоёв хитиновых волокон, расположенных под углом 36° по отношению друг к другу. При изготовлении фанеры слои шпона тоже склеиваются под одним и тем же углом для достижения прочности готового продукта. В случае с мембраной омара соединительным веществом является вода, её содержание в материале составляет около 90%, что позволяет назвать мембрану природным гидрогелем.
В некоторых опытах исследователи имитировали естественные условия, в которых существуют омары. Путешествуя по морскому дну, лобстеры могут повреждать мембрану мелкими песчинками и камнями: с помощью небольшого скальпеля учёные нанесли мелкие царапины, но они никак не отразились на эластичности материала. Даже с более глубокими порезами мембрана легко растягивалась и не лопалась – чего не скажешь о композитной резине при таких же повреждениях. Растягивая мембрану, специалисты заметили, что в исходном состоянии она очень эластичная и легко тянется, но если растянуть её примерно в два раза больше исходного размера, то материал постепенно становится более жёстким и стойким к деформации. Такое изменение физических свойств уникально для биоматериалов. Большинство природных гидрогелей, включая коллаген, кожу и каучуковую резину, при растяжении наоборот становятся более мягкими и податливыми.
В ходе экспериментов учёные создали искусственные хитиновые волокна и собрали из них мембраны с разными углами наложения слоёв. Мембрана со случайной архитектурой практически сразу разрушилась при растяжении, а материал с равными углами наложения слоёв выдерживал такую же нагрузку намного лучше. На данном этапе исследований специалисты изучают природные механизмы, которые способны создавать такие идеально структурированные материалы, как мембрана омара. Они уверены, что приобретённые знания помогут людям научиться создавать прочную броню, не ограничивающую подвижность человека в угрожающей жизни ситуации.
Кроме того, способность имитировать материалы, подобные мембране омаров, может пригодиться в сфере тканевой инженерии при создании новых тканей для реконструкции повреждённых органов. Не лишней подобная технология будет и в софтроботике – направлении робототехники, которое занимается разработкой роботов из более мягких и эластичных материалов. Нередко идеи в сфере софтроботики черпают из живой природы, ведь бионические принципы гораздо безопаснее для человека, когда речь идёт о роботах, находящихся в тесном контакте с частями тела или даже жизненно-важными органами. К таким относятся, например, медицинский экзоскелет или робот-рукав, который размещается вокруг сердца и поддерживает его работу.
