Экспертное заключение подготовлено по итогам сессии ФБТ-2025
«Природоподобные технологии: восстановление баланса между биосферой и техносферой».
Определения, проблема, направления в развитии природоподобных технологий
Определение природоподобных технологий, предложенное в рамках дискуссии на ФБТ, довольно широкое: это технологии, способные воспроизводить природные процессы и интегрироваться в ресурсооборот. В широком смысле это включает живую и неживую природу, в том числе термоядерный реактор, который управляемо «повторяет» реакции синтеза на Солнце.
И помимо классической биотехнологии, сегодня известно множество других технологий, заимствованных из природы [1,2]. Это связано как с развитием понимания природы, так и тем, что человек сам является частью природы.
Ключевой проблемой является антагонизм между традиционными технологиями и природой в контексте устойчивого (неистощительного) развития, что проводит параллель с ресурсосберегающими технологиями.
Прослеживаются два главных взаимосвязанных направления обсуждения — технологии и материалы.
1. Согласно стандарту ISO 18458:2015(E) в природоподобных технологиях выделяют несколько уровней: «биоинспирация» (bio-inspired, nature-inspired), «биомиметика» и «биомимикрия».
Биоинспирация — это создание технологий и материалов, напоминающих природные явления, но использующих иные механизмы. Примером служит искусственный фотосинтез, который не копирует природный процесс, но использует энергию солнца для накопления химической энергии связей с сопоставимой эффективностью [3]. Это считается начальной стадией в дизайне или создании функциональности, развивающей идеи создания «подобного» или «подражания» [4].
Биомиметика, или «имитация», представляет следующий шаг — применение технологий для создания материалов с целью воспроизведения определённых функциональных возможностей, наблюдаемых в природе. Показательный пример — имитация электрического разряда угря: камера из полиакриламидного гидрогеля преобразует химическую энергию в электрическую. Это исследование открывает путь к разработке автономных имплантатов [5].
Мимикрия — самая передовая форма природного вдохновения, предполагающая применение инженерных и технологических инструментов для создания материалов, максимально приближенных к природным, с главной целью достижения экологичности [4].
2. Материалы: подразделяются на естественные (полученные из природы), искусственные (созданные человеком, имеющие природные аналоги) и синтетические (не имеющие природных аналогов).
Природоподобные технологии нацелены на использование или усиление конкретного эффекта, обеспечиваемого материалом: (i) электрического, (ii) биологического, (iii) химического, (iv) механического, (v) экологичного или (vi) комбинации нескольких свойств.
Основные направления включают модифицирование поверхности и использование принципов проектирования. К первому, например, можно отнести «липучки» (#4 в [6]) и супергидрофобные покрытия, ко второму — кевлар, дизайн которого подобен чешуе рыб и т.д.
3. NBIC-технологии подразумевают конвергенцию нанотехнологий, биотехнологий, информационных технологий и когнитивных наук (NBIC), что позволяет повысить эффективность человеческой деятельности [7]. Этот комплексный подход направлен на решение проблем устойчивого развития за счет сочетания компетенций, технологий.
Природоподобие — не всегда про «эффективность», но про «безопасность» в сочетании с эффективностью
Важно отметить, что многие современные технологии превосходят природные по эффективности. Например, кремниевые солнечные панели достигают КПД 14% и выше, тогда как природный фотосинтез — лишь 3-6%. Однако природоподобные технологии позволяют отойти от классической производственной парадигмы: добыча (экстракция, разделение, обогащение) — очистка — синтез — изготовление.
С другой стороны, уже стали классическими — биотехнологии, т.е. технологии использующие биологические реакции, микроорганизмов: очистка сточных вод (метантенки, аэротенки), пищевые технологии (молочная промышленность, виноделие), фармацевтика. Их дальнейшее развитие связано с достижениями генетики (генетическая модификация для повышения эффективности), общей биотехнологии (симбиотические бактерии) и технологий биоминерализации.
Направления развития природоподобных технологий
На Форуме были отмечены следующие ключевые направления развития природоподобных технологий:
- аддитивные технологии — развитие подходов снизу вверх, интеграция для создания биоморфных структур (каркасов, сотовых структур, органов);
- биополимеры (целлюлоза, хитин, коллаген) — новые материалы с усиленным эффектом;
- развитие методов оценки плодородия почв;
- биоминерализация и биоаккумуляция;
- рециклинг: конверсия материалов, природоподобные циклы, комплексная переработка, биоаккумуляция.
Эти технологии и направления развиваются самостоятельно, часто обусловленные экономической выгодой или требованиями безопасности.
Протоколы проектирования в биомимметике
При проектировании материалов и устройств не обязательно полностью копировать биологические процессы. Однако при создании биомимметических технологий важно понимать, как аналогичная функция работает в природе. Использование природных принципов должно сочетаться с возможностью их адаптации к существующим технологическим протоколам.
Проектирование биомимикрических систем выделяется в отдельное направление. Активно развиваются подходы к проектированию биомимикрических систем и материалов: спираль биомимикрического проектирования [4], DTU biocard, Biomimicry 3.8 DesignLens [8], стандарт ISO18458:2015, проблемно-ориентированный подход [9] и результат-ориентированный подход [10].
Отдельное внимание уделяется сложным устройствам, использующим принципы биологических систем — как для «усиления» функций, так и для их «оцифровки» в случаях, когда альтернативные методы отсутствуют или не выявлен физический базис (электронный язык, электронный нос). Примером служит «умная» кожа с набором свойств (сенсоры давления, самозаживление [11], химические сенсоры), обеспечивающая функциональность реальной кожи для интеграции в технологии мягких роботов (soft-robotics).
Хотя отдельные функции природных систем уже поддаются воспроизведению, создание комплексных «ансамблей» — сложных интегрированных систем — остаётся одним из главных вызовов современности.
Будущие направления в области природоподобных технологий
Будущие направления развития, по мнению эксперта, должны включать:
- интеграцию нервных волокон и проводников, биокомпьютеры [12],
- мемристорные технологии,
- биотехнологии искусственных органов, выращивание органов,
- топливные элементы,
- генетические исследования для биотехнологии и квантовые технологии,
- технологии искусственных органов чувств.
Список источников
[1] Nature-inspired discoveries and inventions // , 10.03.25.
[2] Deep Tech Series Vol. 6: How Nature-Inspired Deep Tech is Shaping a Sustainable Future // , 10.03.25.
[3] A. Kudo, Y. Miseki. Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting // Chem. Soc. Rev. — 2009. — Vol. 38. — P. 253-278.
[4] N.K. Katiyar et al. Nature-inspired materials: Emerging trends and prospects // NPG Asia Mater. — 2021. — Vol. 13. — P. 56.
[5] T. Schroeder et al. An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels // Nature. — 2017. — Vol. 552. — P. 214–218.
[6] Biomimicry: 10 Creations Inspired by Nature //
https://aplanet.org/resources/biomimicry-10-creations-inspired-by-nature/, 10.03.25.
[7] J. Canton. designing the future: NBIC technologies and human performance enhancement. Ann. of the New York Academy of Sci. — 2004. — Vol. 1013. — P. 186-198.
[8] A. Bianciardi et al. Biomimicry thinking: methodological improvements and practical implementation // Bioinspir., Biomim. Nanobiomater. — 2017. — Vol. 6. P. 87-101.
[9] P.E. Fayemi et al. Biomimetics: process, tools and practice // Bioinspir. Biomim. — 2017. — Vol. 12. P. 011002.
[10] M. Helms, S.S. Vattam, A.K. Goel. Biologically inspired design: process and products //Design Studies. — 2009. — Vol. 30. — P. 606-622.
[11] Новый материал после разреза ножом самовосстанавливается за сутки, а на 80% — за 4 часа // , 10.03.2025.
[12] Представлен первый в мире биокомпьютер на клетках человеческого мозга // , 10.03.2025.
Экспертные аналитические заключения по итогам сессий деловой программы Форума и любые рекомендации, предоставленные экспертами и опубликованные на сайте Фонда Росконгресс являются выражением мнения данных специалистов, основанном, среди прочего, на толковании ими действующего законодательства, по поводу которого дается заключение. Указанная точка зрения может не совпадать с точкой зрения руководства и/или специалистов Фонда Росконгресс, представителей налоговых, судебных, иных контролирующих органов, а равно и с мнением третьих лиц, включая иных специалистов. Фонд Росконгресс не несет ответственности за недостоверность публикуемых данных и любые возможные убытки, понесенные лицами в результате применения публикуемых заключений и следования таким рекомендациям.
