„Tí, ktorí sú inšpirovaní iným modelom ako prírodou, pani, nad všetkými majstrami, márne pracujú.”
-Leonardo DaVinci
O čom hovoril DaVinci, hoci to sa v tom čase nenazývalo, bola biomimikéria. Keby bol dnes nažive, niet pochýb o tom, že by pán DaVinci bol veľkým zástancom biomimikérie.
Príroda fascinuje, čím hlbšie sa na ňu pozriete. Keď sa hlboko pozeráme do prírody, nahliadame do laboratória staršieho ako 3 miliardy rokov, v ktorom sa v priebehu vývoja riešenia problémov implementovali, testovali a revidovali. Preto je biomimetika taká elegantná: na Zemi má príroda viac ako 3 miliardy rokov na vyriešenie problémov, rovnaké druhy problémov, ktoré musíme vyriešiť, aby sme pokročili vo výskume vesmíru.
Čím silnejšia je naša technológia, tým hlbšie vidíme prírodu. Ako je odhalené viac detailov, objavujú sa viac vzrušujúce riešenia inžinierskych problémov. Vedci, ktorí hľadajú prírodu pri riešení problémov s inžinierstvom a dizajnom, získavajú výhody a dosahujú pokrok v niekoľkých oblastiach týkajúcich sa prieskumu vesmíru.
Mikroprocesorové lietadlá s mávnutím krídla (MAV)
MAV sú malé, zvyčajne nie väčšie ako 15 cm na dĺžku a 100 gramov na hmotnosť. MAV nie sú len malé, sú tiché. Vybavené chemickými chrápačmi, fotoaparátmi alebo inými zariadeniami, mohli byť použité na skúmanie stiesnených priestorov príliš malých na prístup človeka alebo na tajné skúmanie oblastí akejkoľvek veľkosti. Terestriálne použitie by mohlo zahŕňať rukojemnícke situácie, hodnotenie priemyselných nehôd, ako je Fukušima, alebo vojenské účely. Je to však ich potenciálne využitie v iných svetoch, ktoré sa ešte len musia preskúmať, ktoré sú najzaujímavejšie.
MAV sa objavili v knihách a filmoch sci-fi v priebehu rokov. Pomysli na lovcov v Dune alebo na sondy v Prometheuse, ktoré boli použité na mapovanie komôr pred ľuďmi. Tieto návrhy sú vyspelejšie ako čokoľvek, na čom sa v súčasnosti pracuje, ale práve teraz sa skúmajú a navrhujú mávajúce sa MAV, a v budúcnosti sú predchodcami vyspelejších návrhov.
Vysokorýchlostné kamery urýchlili vývoj mávajúcich krídel MAV. Podrobné snímky z vysokorýchlostných kamier umožnili vedcom študovať let vtákov a hmyzu vo veľmi podrobných detailoch. A ako sa ukazuje, let s krídlovými krídlami je oveľa komplikovanejší, ako sa pôvodne myslelo. Ale je tiež omnoho univerzálnejšia a odolnejšia. Vysvetľuje to jej vytrvalostný charakter a univerzálnosť v dizajne MAV. Tu je niekoľko videí z vysokorýchlostnej kamery, ktorá zachytáva včely za letu.
DelFly Explorer z Delft University of Technology je jeden zaujímavý dizajn mávajúcich krídel MAV. Jeho malý a ľahký stereofónny systém videnia mu umožňuje vyhnúť sa prekážkam a udržať si svoju výšku samy o sebe.
MAV s krídlovými krídlami nevyžadujú vzletovú a pristávaciu dráhu. Výhodou je aj to, že môžu šetriť energiu na malých miestach. A majú potenciál byť veľmi tiché. Toto video zobrazuje vozidlo s krídlovými krídlami vyvinuté spoločnosťou Airvironment.
MAV Mávajúce krídla sú vysoko manévrovateľné. Pretože generujú svoj zdvih z pohybu krídla, nie z pohybu dopredu, môžu cestovať veľmi pomaly a dokonca sa môžu vznášať. Môžu sa dokonca zotaviť z kolízií s prekážkami spôsobom, ktorý nedokážu MAV s pevným alebo rotačným krídlom. Keď vozidlo s pevným krídlom narazí na niečo, stratí rýchlosť a zdvih. Keď vozidlo s otočným krídlom narazí na niečo, stratí rýchlosť rotora a zdvih.
Kvôli svojej malej veľkosti sú MAV s pohyblivými krídlami pravdepodobne lacnejšie na výrobu. Nikdy nebudú schopní niesť užitočné zaťaženie, ktoré dokáže väčšie vozidlo, ale budú mať svoju úlohu pri skúmaní iných svetov.
Robotické sondy pre nás uskutočnili všetky prieskumy v iných svetoch za oveľa lacnejšie náklady ako posielanie ľudí. Zatiaľ čo mávajúce krídla MAV sú v súčasnosti navrhnuté s ohľadom na pozemský výkon, je to dosť ľahký skok od toho k návrhom pre iné svety a ďalšie podmienky. Predstavte si malú flotilu vznášajúcich sa krídel, navrhnutých pre tenšiu atmosféru a slabšiu gravitáciu, uvoľnených do mapových jaskýň alebo iných ťažko prístupných oblastí, na lokalizáciu vody alebo minerálov alebo na mapovanie ďalších prvkov.
Mravce a kolónie
Mravce sa zdajú bezhlavé, keď sa na ne pozeráte jednotlivo. Spoločne však robia úžasné veci. Budujú nielen zložité a efektívne kolónie, ale používajú svoje telá aj na stavbu plávajúcich mostov a mostov zavesených vo vzduchu. Toto správanie sa nazýva sebazostavenie.
Kolónie mravcov a správanie mravcov nás majú čo učiť. Existuje celá oblasť výskumu s názvom Ant Colony Optimization, ktorá má dôsledky pre obvody a systémy, komunikáciu, výpočtovú inteligenciu, riadiace systémy a priemyselnú elektroniku.
Tu je video mravcov Weaverov, ktorí stavajú most, aby preklenuli priepasť medzi dvoma zavesenými palicami. Chvíľu to trvá, kým si to uvedomia. Uvidíme, či ich môžete sledovať bez toho, aby ste ich fandili.
Mravčej kolónie sú jedným z príkladov tzv. Kolektívnych systémov. Ďalšími príkladmi kolektívnych systémov v prírode sú včelie a osové včely, termitové kopce a dokonca aj rybie húfy. Roboty v nasledujúcom videu boli navrhnuté tak, aby napodobňovali prirodzené kolektívne systémy. Tieto roboty dokážu urobiť len veľmi málo a sú náchylné na chyby, ale keď spolupracujú, dokážu sa zostaviť do zložitých tvarov.
Samoinštalačné systémy sa môžu lepšie prispôsobiť meniacim sa podmienkam. Pokiaľ ide o skúmanie iných svetov, roboti, ktorí sa dokážu sami zostaviť, budú schopní reagovať na neočakávané zmeny v ich okolí av prostrediach iných svetov. Zdá sa isté, že sebazostavenie kolektívnymi systémami umožní našim budúcim robotickým prieskumníkom prechádzať prostredím a prežiť situácie, na ktoré ich nemôžeme vopred konkrétne navrhnúť. Tieto roboty budú mať nielen umelou inteligenciu, aby premýšľali o spôsoboch riešenia problémov, ale budú sa môcť rôznymi spôsobmi samy zostaviť, aby prekonali prekážky.
Roboty modelované na zvieratách
Preskúmanie Marsu pomocou robotických roverov je úžasným úspechom. Keď na Marsu pristála zvedavosť, nechala ma schladiť zimnica. Naše súčasné vozítka sa však javia krehké a krehké. Keď ich sledujete, ako sa pomaly a neohrabane pohybujú po povrchu Marsu, môžete sa čudovať, aké lepšie by mohli byť v budúcnosti. Použitím biomimetiky na modelovanie robotických roverov na zvieratách by sme mali byť schopní vybudovať oveľa lepšie rovery, ako máme v súčasnosti.
Kolesá sú jednou z prvých a najväčších technológií ľudstva. Potrebujeme dokonca aj kolesá na Marse? Kolesá uviaznu, nemôžu prejsť náhlymi zmenami výšky a majú iné problémy. V prírode nie sú žiadne kolesá.
Hady majú svoje jedinečné riešenie problému pohybového ústrojenstva. Vďaka svojej schopnosti pohybovať sa po zemi, hore a cez prekážky, stlačiť sa na úzkych miestach a dokonca plávať ich z nich robia veľmi efektívnych predátorov. A nikdy som nevidel hada s zlomeným letom alebo zatknutou nápravou. Je možné modelovať budúce rovery na pozemských hadoch?
Tento robot sa pohybuje rovnakým spôsobom ako hadi.
Tu je ďalší robot založený na hadoch s pridanou schopnosťou byť doma vo vode. Vyzerá to, že sa baví.
Tento robot nie je založený iba na hadoch, ale tiež na červotočoch a hmyze. Má dokonca prvky sebazostavenia. Kolesá to len zadržia. Niektoré segmenty by určite mohli obsahovať senzory a dokonca mohli získať vzorky na analýzu. Sledujte, ako sa znova zostavuje, aby prekonal prekážky.
Je dosť ľahké premýšľať o viacnásobnom použití hadov. Predstavte si väčšiu platformu podobnú zvedavosti MSL. Teraz si predstavte, či by jeho nohy boli vlastne niekoľkými nezávislými hadmi, ktorí by sa mohli odpojiť, vykonávať úlohy, ako je skúmanie ťažko prístupných oblastí a získanie vzorky, potom sa vrátiť na väčšiu platformu. Potom uložia vzorky, stiahnu údaje a znova sa pripoja. Potom sa celé vozidlo mohlo presunúť na iné miesto, pričom hadí roboti nesli plošinu.
Ak to znie ako sci-fi, tak čo? Milujeme sci-fi.
Solárna energia: Slnečnice vo vesmíre
Prúd energie zo slnka sa riedi do prameňa, ktorý je vzdialenejší v našej slnečnej sústave. Aj keď sa stále viac a viac zefektívňujeme pri získavaní slnečnej energie, biomimikéria ponúka prísľub 20% -ného zníženia potrebného priestoru solárnych panelov, len napodobnením slnečnice.
Koncentrované solárne elektrárne (CSP) sú tvorené radom zrkadiel, ktoré sa nazývajú heliostaty a ktoré sledujú slnko pri rotácii Zeme. Heliostaty sú usporiadané v sústredných kruhoch a zachytávajú slnečné svetlo a odrážajú ho smerom k centrálnej veži, kde sa teplo premieňa na elektrinu.
Keď vedci na MIT študovali CSP podrobnejšie, zistili, že každý z heliostatov strávil časť času zatienený, čím sa stal menej efektívny. Keď pracovali s počítačovými modelmi na riešení problému, všimli si, že možné riešenia boli podobné špirálovitým vzorom v prírode. Odtiaľ hľadali inšpiráciu pre slnečnicu.
Slnečnica nie je jediná kvetina. Je to zbierka malých kvetov nazývaných kvety, podobne ako jednotlivé zrkadlá v CSP. Tieto kvety sú usporiadané v špirálovom vzore, pričom každá kvietok je orientovaná k sebe 137 stupňov. Toto sa nazýva „zlatý uhol“ a keď sú kvety usporiadané takto, tvoria skupinu vzájomne prepojených špirál, ktoré zodpovedajú Fibonacciho sekvencii. Vedci MIT tvrdia, že organizácia jednotlivých zrkadiel rovnakým spôsobom v CSP zníži potrebný priestor o 20%.
Pretože stále uvádzame všetko, čo potrebujeme na prieskum vesmíru, do vesmíru tým, že ho vyhodíme z gravitácie Zeme dobre priviazaného k obrovským drahým raketám, 20% zníženie priestoru pre rovnaké množstvo zozbieranej slnečnej energie je významným zlepšením.
Extremofily a biomimetika
Extremofily sú organizmy upravené tak, aby sa darilo v extrémnych podmienkach prostredia. Od roku 2013 bolo identifikovaných 865 extrémofilných mikroorganizmov. Ich uznanie dalo novú nádej na nájdenie života v extrémnych prostrediach na iných svetoch. Napodobňovanie extrémofilov nám však môže pomôcť preskúmať tieto prostredia.
Presne povedané, Tardigradi nie sú presne extrémofilovi, pretože hoci prežijú extrémy, nie sú prispôsobení na to, aby v nich prosperovali. Avšak ich schopnosť odolávať extrémnym okolnostiam životného prostredia znamená, že nás majú čo učiť. Existuje asi 1 150 druhov Tardigradov a majú schopnosť prežiť v podmienkach, ktoré by zabíjali ľudí, a rýchlo by zhoršili fungovanie akýchkoľvek robotických sond, ktoré môžeme poslať do extrémnych prostredí.
Tardigrades sú vlastne drobné, vodné, osemnohé mikro zvieratá. Odolajú teplotám od absolútne nad absolútnu nulu až po bod varu vody. Môžu prežiť tlaky asi šesťkrát väčšie ako tlak na dne najhlbších zákopov oceánu na Zemi. Tardigrades môžu tiež ísť desať rokov bez jedla alebo vody, a môžu vyschnúť na menej ako 3% vody.
V podstate sú to super malí super hrdinovia Zeme.
Pokiaľ však ide o prieskum vesmíru, najviac nás to zaujíma ich schopnosť odolávať ionizujúcemu žiareniu tisíckrát vyššie, ako dokáže vydržať človek. Tardigradi sa nazývajú najtvrdšie stvorenia prírody a je ľahké pochopiť prečo.
Pravdepodobne je to v oblasti sci-fi predstaviť si budúcnosť, keď sú ľudia geneticky upravené pomocou tardigrade génov, aby odolali žiareniu v iných svetoch. Ale ak prežijeme dosť dlho, nie je pochýb o tom, že si požičímeme gény z iného pozemského života, aby nám pomohli expandovať do iných svetov. Je to len logické. Je to však ďaleko a tardigrade mechanizmy prežitia sa môžu začať hrať oveľa skôr.
Svety ako Zem majú šťastie, že sú zahalené magnetosférou, ktorá chráni biosféru pred žiarením. Ale veľa svetov a všetky mesiace ostatných planét v našej slnečnej sústave - iné ako Ganymede - nemajú magnetosféru. Samotný Mars je úplne nechránený. Prítomnosť žiarenia vo vesmíre a na svete bez ochrannej magnetosféry nielenže zabíja živé veci, ale môže ovplyvniť aj elektronické zariadenia znížením ich výkonu, skrátením ich životnosti alebo úplným zlyhaním.
Neočakáva sa, že by niektoré nástroje sondy Juno, ktoré práve smerujú k Jupiteru, prežili celú dobu trvania misie kvôli extrémnemu žiareniu okolo obrovskej planéty plynov. Samotné solárne panely, ktoré musia byť vystavené slnku, aby mohli fungovať, sú osobitne citlivé na ionizujúce žiarenie, ktoré časom zhoršuje ich výkon. Ochrana elektroniky pred ionizujúcim žiarením je nevyhnutnou súčasťou konštrukcie kozmickej lode a sondy.
Citlivá elektronika v kozmickej lodi a sondy je zvyčajne chránená hliníkom, meďou alebo inými materiálmi. Sonda Juno využíva inovatívny titánový trezor na ochranu svojej najcitlivejšej elektroniky. To sonde dodáva objem a váhu a stále neposkytuje úplnú ochranu. Tardigradovia majú nejaký iný spôsob, ako sa chrániť, čo je pravdepodobne elegantnejšie ako toto. Je príliš skoro na to, aby sme presne uviedli, ako to tardigradi robia, ale ak má tienenie pigmentácie niečo spoločné a dokážeme to zistiť, napodobňovanie Tardigradov zmení spôsob, akým navrhujeme kozmické lode a sondy, a predlžuje ich životnosť v extrémnych radiačných prostrediach.
Čo tak? Budú naše budúce prieskumné misie zahŕňať hadie roboty, ktoré sa môžu zostaviť do dlhých reťazcov, aby preskúmali ťažko prístupné oblasti? Uvoľníme roje mávajúcich krídel MAV, ktoré spoločne vytvárajú podrobné mapy alebo prieskumy? Budú naše sondy schopné skúmať extrémne prostredia oveľa dlhšie, a to vďaka tardigrade podobnej ochrane pred žiarením? Budú naše prvé základne na Mesiaci alebo v iných svetoch poháňané koncentrovanými slnečnými rastlinami inšpirovanými slnečnicami?
Ak bol Leonardo DaVinci taký múdry, ako si myslím, bol, potom je odpoveď na všetky tieto otázky áno.
