Клюв тукана

Клюв тукана имеет синергетическую сэндвич-структуру с тонкой жёсткой внешней оболочкой, охватывающей основной объём, который представляет собой ячеистое вещество^[1]. Наружный слой, известный как рамфотека, состоит из нескольких слоёв перекрывающихся пластин бета-кератина^[1]. Каждый подслой кератина имеет толщину от 2 до 10 микрометров, а вся стопка рамфотеки — от 0,5 до 0,75 мм, в зависимости от положения вдоль длины клюва.^[1] Большую часть ламинатной оболочки составляют шестиугольные кератиновые клетки диаметром около 50 микрометров. Границы и внутренности каждой клетки пронизаны матрицей промежуточных филаментов со случайной ориентацией, что обеспечивает изотропность материала.^[2] Назначение матрицы — служить вязкоупругой средой для рассеивания сильных ударов по большей площади, снижая влияние локальных дефектов и защищая клюв от растрескивания^[3].

Минерализация гидроксиапатитом присутствует, но в меньшей степени, чем во внутренней пенистой структуре^[3]. Кератин в рамфотеке клюва тукана содержит гораздо меньше серы, а значит и аминокислоты цистин, по сравнению с другими кератиновыми структурами, например, волосами. Это указывает на меньшее количество дисульфидных связей.

Внутренняя часть клюва представляет собой коллагеновую пену с высоким содержанием глицина и, как следствие, твёрдостью, характерной для большинства костей^[2]. Волокнистая сеть коллагеновых трабекул имеет толщину от 70 до 200 микрометров и часто бывает полой с соединённостью рёбер 3 и более^[3]. Эти структуры, а также ещё более тонкие (2-25 микрометров) мембраны формируют сеть закрытых ячеек, обеспечивающую оптимальную прочность при низкой плотности, что важно для полёта^[3]. Мембраны и трабекулы содержат больше кальция, чем плотная внешняя часть клюва.^[3] Микро- и наноиндентационные испытания подтверждают, что внутренние коллагеновые трабекулы прочнее на единицу массы, чем внешняя оболочка.^[1]

Внешняя оболочка клюва, рамфотека, обладает пределом прочности при растяжении около 50 МПа и модулем Юнга 6,7 ГПа^[3]. Испытания кератинового слоя клюва показали, что среднее значение предела текучести составляет 30 МПа.^[3] Кроме того, предел текучести клюва чувствителен к скорости деформации и связан с вязкоупругостью клея между кератиновыми чешуйками.^[3] При достижении или превышении пределом текучести предела прочности при растяжении происходит разрушение кератиновых чешуек, что предпочтительнее для клюва, чем вязкоупругая деформация клея между чешуйками.^[3] Что касается модуля Юнга и предела текучести кератина в клюве, эти значения не меняются вдоль продольного и поперечного направлений.^[3] Таким образом, кератиновая оболочка может считаться поперечно-изотропной.^[3] Режимы разрушения кератиновой оболочки зависят от скорости деформации, при которой происходит разрушение.^[3] При низких скоростях деформации наблюдается скольжение чешуек вследствие высвобождения органического клея. При более высоких скоростях чешуйки кератина разрушаются.^[3] Испытания на твёрдость позволили определить значения микро- и нанотвёрдости для кератиновой оболочки: 0,22 ± 0,01 ГПа и 0,48 ± 0,06 ГПа соответственно.^[1]

Для внутренней пенистой части клюва тукана, состоящей из трабекул, модуль Юнга составляет 12,7 ГПа, что выше, чем у внешней оболочки.^[3] Эта разница объясняется более высоким содержанием кальция в пене по сравнению с кератиновой оболочкой.^[3] Относительная плотность пены составляет 0,09.^[4] Испытания позволили определить значения твёрдости трабекул: микротвёрдость — 0,28 ± 0,03 ГПа, нанотвёрдость — 0,55 ± 0,12 ГПа^[4]. Для пены клюва разрушающее напряжение увеличивается с ростом плотности. Среднее значение разрушающего напряжения при сжатии составляет 0,17 МПа^[2].

Как эндотермические организмы, туканы вырабатывают собственное тепло за счёт метаболизма и регулируют температуру тела посредством теплообмена с окружающей средой. Такой процесс теплообмена обычно происходит в увеличенном, незащищённом и хорошо васкуляризированном придатке, куда может поступать кровь для эффективного теплообмена. Клюв тукана имеет сеть поверхностных кровеносных сосудов, поддерживающих рамфотеку — роговой чехол клюва^[7]. Тукан способен расширять кровеносные сосуды клюва при повышении температуры выше термонейтральной зоны, что позволяет крови свободно поступать в клюв, обеспечивая теплообмен и охлаждение. При температуре ниже термонейтральной зоны сосуды сужаются, чтобы сохранять метаболическое тепло^[5]. Исследования показали, что при более высоких температурах тепло наблюдается по всей длине клюва как у взрослых, так и у молодых туканов, что свидетельствует о выделении тепла через клюв для охлаждения тела^[7][8]. В холодных условиях клюв в основном поддерживает температуру окружающей среды, и только проксимальная часть клюва остаётся более тёплой, что указывает на отток крови от клюва и её циркуляцию преимущественно внутри тела для сохранения тепла^[7]. Другие исследования показывают, что пенистая внутренняя структура клюва тукана и его способность быстро передавать тепло делают клюв уязвимым в холодном климате, поэтому туканы часто спят, пряча клюв под крыльями для сохранения тепла^[5].

Туканы всеядны и питаются как растительной, так и животной пищей. Большой размер клюва позволяет птице раскалывать крупные семена и легко захватывать фрукты, овощи, насекомых, яйца и мелких птиц^[5]. Длина клюва позволяет туканам срывать плоды с концов ветвей, не покидая устойчивого положения на другой ветке или насесте. Строение клюва тукана имеет зубцы, подобные ножу, что позволяет легко разрывать пищу и очищать фрукты от кожуры.

У туканов есть естественные враги, такие как лесные орлы, ястребы и совы. Птицы также вынуждены защищаться от боид, ягуаров и маргаев, которые иногда нападают на гнёзда туканов.^[9] Для защиты туканы активно используют громкие голоса, чтобы отпугнуть врагов и предупредить других туканов об опасности^[9]. Кроме того, туканы могут ударять клювом по дереву или ветке, демонстрируя силу. Клюв тукана способен выдерживать такие ударные нагрузки благодаря описанной выше структуре. К другим защитным действиям относится поедание туканами птенцов или яиц других птиц. Крайне крупный размер клюва обеспечивает дополнительную защиту, так как мелкие птицы пугаются его размеров и ярких цветов. Однако клюв и его прочность полезны для защиты только на насесте; другие птицы обычно нападают на тукана в полёте, когда он не может защищаться клювом.

Бразильский биолог и архитектор Алессандра Араужу участвовала в проектировании отеля Votu в Баии, Бразилия^[11]. Этот отель был создан с целью поддержания и сохранения местных видов. Араужу использовала различные биомиметические решения, например, как луговые собачки используют норы для защиты от жары, способность кактуса сагуаро к само-затенению, а также клюв тукана как эффективный терморегулятор^[11]. В частности, при планировке отеля Араужу спроектировала кухни номеров по аналогии с клювом тукана. Поскольку одной из целей отеля было минимизировать использование кондиционеров и электроэнергии, схемы кухонь были вдохновлены способностью тукана переносить большие перепады температур — очень жаркие дни и прохладные ночи^[11]. По мере того как тепло из кухонных зон поднимается к потолку, оно попадает в медную спираль, проходящую через почву на крыше отеля. Воздух охлаждается в тени садов на крыше и возвращается обратно на кухню. Эта система позволяет отелю иметь естественный кондиционер, не требующий дополнительной энергии^[11].

Многие потенциальные биомиметические применения, основанные на свойствах клюва тукана, пока остаются гипотетическими. Одной из самых популярных идей является использование клюва тукана для проектирования индивидуальных средств защиты, например, шлемов.^[12] Шлемы очень важны для безопасности велосипедистов, мотоциклистов, скалолазов, спортсменов и других людей. Однако тяжёлые, неудобные и громоздкие шлемы часто приводят к тому, что их снимают, рискуя получить травму головы^[12]. Интеграция характеристик клюва тукана в новые конструкции шлемов может снизить риск травм головы, поскольку новые модели могут быть более удобными, лёгкими, тонкими, но при этом прочными. Такие шлемы и средства защиты вдохновлены клювом тукана — они лёгкие, но очень прочные. Кроме того, эстетика новых шлемов может быть улучшена за счёт более тонкого и менее громоздкого дизайна, что может устранить нежелание носить шлемы из-за их внешнего вида^[12]. Подобно шлемам, особенности клюва тукана могут быть использованы и в конструкции защитных накладок для американского футбола и других средств защиты, инновационный дизайн которых уменьшит громоздкость и не будет мешать движению. Некоторые современные средства защиты ограничивают спортивные возможности, например, громоздкие наколенники замедляют скейтбордистов.

Более общие возможные применения конструкции клюва тукана — создание автомобилей, устойчивых к столкновениям, без ущерба для топливной экономичности. Такие решения могут использовать способность клюва тукана поглощать энергию благодаря его структурным особенностям^[13]. Известный исследователь материалов Марк А. Мейерс подробно изучал клювы туканов и предложил ещё одно применение — создание автомобильных панелей, которые будут легче, прочнее и безопаснее современных^[14]. Мейерс также отметил возможность использования конструкции клюва тукана, в частности его сверхлёгкости, в авиации и других транспортных средствах^[13].

Ещё один пример, когда тукан, хотя и не его клюв, был использован в дизайне, — это проектор «Beak Laser Projector». Этот портативный проектор вдохновлён способностью тукана прижимать длинный клюв к шее и под крылья. Такая конструкция позволила реализовать функцию «черепного» вращения и одновременно обеспечить лучшую эргономику, удобство и компактность устройства^[15].