„Cei care sunt inspirați de un alt model decât Natura, o amantă mai presus de toți stăpânii, muncește în zadar.”
-Leonardo DaVinci
Despre ce vorbea DaVinci, deși nu se numea la acea vreme, era biomimica. Dacă a fost în viață astăzi, nu există nicio îndoială că domnul DaVinci ar fi un mare susținător al biomimicii.
Natura este mai fascinantă cu cât te uiți mai adânc. Când ne uităm profund la natură, ne uităm la un laborator care are peste 3 miliarde de ani, unde soluțiile la probleme au fost implementate, testate și revizuite pe parcursul evoluției. De aceea biomimicria este atât de elegantă: pe Pământ, natura a avut mai mult de 3 miliarde de ani pentru a rezolva problemele, aceleași tipuri de probleme pe care trebuie să le rezolvăm pentru a avansa în explorarea spațială.
Cu cât tehnologia noastră este mai puternică, cu atât putem vedea mai profund în natură. Pe măsură ce se dezvăluie mai multe detalii, se prezintă soluții mai tentante la problemele de inginerie. Oamenii de știință care se uită la natură pentru soluții la problemele de inginerie și proiectare obțin recompense și se îndreaptă în mai multe domenii legate de explorarea spațială.
Vehicule cu aer mic (MV-uri)
MAV-urile sunt mici, de obicei nu mai mari de 15 cm lungime și 100 de grame în greutate. VM-urile nu sunt doar mici, dar sunt liniștite. Dotate cu sniffere chimice, camere de luat vederi sau alte echipamente, acestea ar putea fi folosite pentru a explora spații restrânse prea mici pentru a putea accesa un om sau pentru a explora în mod sigur zonele de orice dimensiune. Utilizările terestre ar putea include situații de ostatici, evaluarea accidentelor industriale precum Fukushima sau utilizări militare. Dar este încă posibil să fie explorate potențialul lor pe alte lumi, care sunt cele mai fascinante.
MAV-urile au apărut în cărți și filme de ficțiune de știință de-a lungul anilor. Gândiți-vă la căutătorii de vânători din Dune sau la sondele din Prometeu care au fost folosite pentru a cartona camera în fața oamenilor. Aceste proiecte sunt mai avansate decât orice se lucrează în prezent, dar MAV-urile cu aripi flăcătoare sunt cercetate și proiectate chiar acum și sunt precursorii proiectelor mai avansate în viitor.
Camerele de mare viteză au stimulat dezvoltarea MAV-urilor cu clapeta. Imaginile detaliate de la camerele de mare viteză au permis cercetătorilor să studieze în detaliu zborul păsărilor și insectelor. Și, după cum se dovedește, zborul cu aripi fluturante este mult mai complicat decât se credea inițial. Dar este, de asemenea, mult mai versatil și mai rezistent. Acest lucru explică persistența sa în natură și versatilitatea sa în designul MAV. Iată câteva videoclipuri de la o cameră de mare viteză care captează albine în zbor.
DelFly Explorer de la Delft University of Technology este un design intrigant al clapping-aripa MAV. Sistemul său mic și ușor de stereo viziune îi permite să evite obstacolele și să-și mențină altitudinea pe cont propriu.
MAV-urile cu aripi clapante nu necesită o pistă. De asemenea, au avantajul de a putea să se prindă pe spații mici pentru a economisi energie. Și au potențialul de a fi foarte liniștiți. Acest videoclip arată un vehicul cu aripi care se dezvoltă dezvoltat de Airvironment.
MAV-urile cu aripi clapante sunt extrem de manevrabile. Deoarece își generează ridicarea din mișcarea aripilor, mai degrabă decât mișcarea în față, pot călători foarte încet și chiar plutitor. Ele se pot recupera chiar și din coliziuni cu obstacole în mod în care MAV-urile cu aripi fixe sau cu aripi rotative nu le pot face. Când un vehicul cu aripi fixe se ciocnește cu ceva, își pierde viteza de aer și ridicarea. Când un vehicul cu aripi rotative se ciocnește cu ceva, își pierde viteza rotorului și ridicarea.
Din cauza dimensiunilor mici, MAV-urile cu aripi clapante sunt probabil să fie ieftine pentru a produce. Nu vor putea niciodată să poarte sarcina utilă pe care o poate avea un vehicul mai mare, dar vor avea rolul lor în explorarea altor lumi.
Sondele robotice au făcut toate explorările pentru noi pe alte lumi, cu un cost mult mai ieftin decât trimiterea oamenilor. În timp ce MAV-urile cu aripi floping sunt în prezent proiectate cu performanțe terestre în minte, este un salt destul de ușor de la acela la proiectări pentru alte lumi și alte condiții. Imaginează-ți o mică flotă de vehicule cu aripi clapate, concepute pentru o atmosferă mai subțire și cu o greutate mai slabă, eliberate pentru a hărți peșteri sau alte zone greu accesibile, pentru a localiza apa sau minerale sau pentru a cartografia alte caracteristici.
Coloniile de furnici și sistemele colective
Furnicile par lipsite de minte atunci când le privești individual. Dar fac lucruri uimitoare împreună. Nu numai că construiesc colonii complexe și eficiente, ci își folosesc și corpurile pentru a construi poduri plutitoare și poduri suspendate în aerul mijlociu. Acest comportament se numește auto-asamblare.
Coloniile de furnici și comportamentul de furnici au multe de învățat. Există un întreg domeniu de cercetare numit Ant Colony Optimization, care are implicații pentru circuite și sisteme, comunicații, informații de calcul, sisteme de control și electronice industriale.
Iată un videoclip despre furnicile țesătoare construind un pod pentru a lăsa diferența dintre două bețe suspendate. Le ia un timp pentru a-l obține. Vedeți dacă puteți urmări fără să-i înveseliți.
Coloniile de furnici sunt un exemplu al ceea ce se numesc sisteme colective. Alte exemple de sisteme colective din natură sunt stupii de albine și viespe, movile de termită și chiar școlile de pești. Roboții din următorul videoclip au fost concepute pentru a imita sistemele colective naturale. Acești roboți pot face foarte puțin singuri și sunt predispuși la erori, dar atunci când lucrează împreună, sunt capabili să se asambleze în forme complexe.
Sistemele de auto-asamblare pot fi mai adaptabile la schimbarea condițiilor. Când vine vorba de explorarea altor lumi, roboții care se pot autoasambla vor putea răspunde la schimbările neașteptate din mediul înconjurător și din mediile altor lumi. Se pare sigur că autoasamblarea prin sisteme colective va permite viitorilor noștri exploratori robotici să traverseze mediile și să supraviețuiască situațiilor pentru care nu le putem proiecta în mod special în avans. Acești roboți nu vor avea doar inteligență artificială pentru a-și gândi drumul prin probleme, dar vor putea, de asemenea, să se autoasambleze în moduri diferite pentru a depăși obstacolele.
Roboti modelati pe animale
Explorarea Marte cu rovers robotice este o realizare uimitoare. Am avut frisoane care îmi curgeau coloana vertebrală când Curiosity a aterizat pe Marte. Dar rovers-urile noastre actuale par fragile și fragile, și urmărirea lor mișcându-se încet și stângaci pe suprafața planetei Marte te face să te întrebi cât de bine ar putea fi în viitor. Folosind biomimicry pentru modelarea rovers-urilor robotizate pe animale, ar trebui să putem construi rovers-uri mult mai bune decât avem în prezent.
Roțile sunt una dintre cele mai vechi și mai mari tehnologii ale umanității. Dar chiar avem nevoie de roți pe Marte? Roțile se blochează, nu pot traversa schimbări bruște de înălțime și au alte probleme. Nu există roți în natură.
Șerpii au propria lor soluție unică la problema locomoției. Capacitatea lor de a se deplasa peste pământ, în sus și peste obstacole, se strecoară prin locuri strâmte și chiar înoată, îi face prădători foarte eficienți. Și nu am văzut niciodată un șarpe cu lăcomie spartă sau cu o osie. Viitorii rover pot fi modelați pe șerpi terestre?
Acest robot se mișcă pe podea la fel ca și șerpii.
Iată un alt robot bazat pe șerpi, cu capacitatea suplimentară de a fi acasă în apă. Acesta se pare că se bucură.
Acest robot nu se bazează numai pe șerpi, ci și pe viermi și insecte. Are chiar elemente de auto-asamblare. Roțile ar ține-o doar înapoi. Unele segmente pot conține cu siguranță senzori și chiar ar putea prelua eșantioane pentru analiză. Urmăriți cum se reasamblează pentru a depăși obstacolele.
Este destul de ușor să te gândești la mai multe utilizări ale roboților de șarpe. Imaginați-vă o platformă mai mare, similară curiozității MSL. Acum imaginați-vă dacă picioarele sale ar fi de fapt mai multe roboți independenți de șarpe care ar putea să se detașeze, să îndeplinească sarcini precum explorarea zonelor dificil de accesat și preluarea probei, apoi revenirea la platforma mai mare. Aceștia vor depune apoi eșantioane, descărcați datele și se vor re-atașa. Apoi, întregul vehicul s-ar putea deplasa într-o altă locație, bots de șarpe purtând platforma.
Dacă acest lucru sună ca science fiction, atunci ce? Ne place science fiction.
Energie solară: floarea-soarelui în spațiu
Fluxul de energie de la soare este diluat într-un șmecher mai departe în sistemul solar pe care mergem. În timp ce continuăm să devenim din ce în ce mai eficienți la colectarea energiei solare, biomimicria oferă promisiunea reducerii cu 20% a spațiului panoului solar, doar prin imitarea floarea-soarelui.
Plantele solare concentrate (CSP) sunt formate dintr-o serie de oglinzi, numite heliostate, care urmăresc soarele în timp ce Pământul se rotește. Heliostatele sunt dispuse în cercuri concentrice și prind lumina soarelui și o reflectă spre un turn central, unde căldura este transformată în electricitate.
Când cercetătorii de la MIT au studiat CSP-urile în detaliu, au descoperit că fiecare heliostat a petrecut o parte din timp în umbră, ceea ce le face mai puțin eficiente. În timp ce lucrau cu modele de computer pentru a rezolva problema, au observat că soluțiile posibile erau similare cu modelele spirală găsite în natură. De acolo, s-au uitat la floarea soarelui pentru inspirație.
Floarea-soarelui nu este o singură floare. Este o colecție de flori mici numite flori, la fel ca oglinzile individuale dintr-un CSP. Aceste flori sunt aranjate într-un model spiralat, cu fiecare floret orientat la 137 grade una de cealaltă. Aceasta se numește „unghiul de aur” și, atunci când floriile sunt aranjate astfel, ele formează o serie de spirale interconectate care se conformează secvenței Fibonacci. Cercetătorii MIT spun că organizarea oglinzilor individuale în același mod într-un CSP va reduce spațiul necesar cu 20%.
Întrucât încă punem tot ce avem nevoie pentru explorarea spațiului în spațiu, eliminându-l din gravitația Pământului bine legat de rachete enorme și scumpe, o reducere de 20% a spațiului pentru aceeași cantitate de energie solară colectată este o îmbunătățire semnificativă.
Extremofile și Biomimicry
Extremofilele sunt organisme adaptate pentru a prospera în condiții extreme de mediu. În 2013, au fost identificate 865 de microorganisme extremofile. Recunoașterea lor a dat o nouă speranță de a găsi viața în medii extreme pe alte lumi. Dar mai mult decât atât, imitarea extremofililor ne poate ajuta să explorăm aceste medii.
Strict vorbind, Tardigradele nu sunt tocmai extremofile, deoarece, deși pot supraviețui extremelor, nu sunt adaptate să prospere în ele. Cu toate acestea, capacitatea lor de a rezista la extremele mediului înseamnă că au multe de învățat. Există aproximativ 1.150 de specii de Tardigrade și au capacitatea de a supraviețui în condiții care ar ucide ființele umane și ar degrada rapid funcționarea oricăror sonde robotice pe care le putem trimite în medii extreme.
Tardigradele sunt de fapt micro-animale mici, acvatice, cu opt picioare. Acestea pot rezista la temperaturi de la zero peste valori absolute până la punctul de fierbere al apei. Ele pot supraviețui presiunilor de aproximativ șase ori mai mari decât presiunea din partea de jos a tranșeelor oceanice cele mai adânci de pe Pământ. Tardigradele pot trece, de asemenea, zece ani fără mâncare sau apă și pot usca până la mai puțin de 3% apă.
Aceștia sunt practic super-minusculii eroi ai Pământului.
Dar, în ceea ce privește explorarea spațială, este capacitatea lor de a rezista radiațiilor ionizante de mii de ori mai mari decât pot suporta oamenii, ceea ce ne interesează cel mai mult. Tardigradele sunt numite cele mai dificile creaturi ale naturii și este ușor de văzut de ce.
Este probabil, în tărâmul ficțiunii științifice, să ne imaginăm un viitor în care oamenii sunt concepuți genetic cu gene tardigrade pentru a rezista radiațiilor din alte lumi. Dar dacă supraviețuim suficient de mult, nu există nicio îndoială în mintea mea că vom împrumuta gene din alte vieți terestre pentru a ne ajuta să ne extindem în alte lumi. Este doar logic. Însă este un drum lung, iar mecanismele de supraviețuire tardigradă pot intra în joc mult mai devreme.
Lumi ca Pământul au norocul să fie învăluite de o magnetosferă, care protejează biosfera de radiații. Dar multe lumi și toate lunile celorlalte planete din sistemul nostru solar - în afară de Ganymede - nu au o magnetosferă. Marte în sine este complet neprotejat. Prezența radiațiilor în spațiu și în lumi fără magnetosferă protectoare, nu numai că ucide ființele vii, dar poate afecta dispozitivele electronice degradând performanțele acestora, scurtând durata de viață sau cauzând o defecțiune completă.
Unele dintre instrumentele de pe sonda Juno, care se află în drum spre Jupiter chiar acum, nu sunt de așteptat să supraviețuiască pe durata misiunii, din cauza radiațiilor extreme din jurul planetei de gaz gigant. Panourile solare în sine, care trebuie să fie expuse la soare pentru a funcționa, sunt deosebit de susceptibile la radiații ionizante, care le erodează performanțele în timp. Protejarea electronică împotriva radiațiilor ionizante este o parte esențială a proiectării navei spațiale și a sondelor.
De obicei, electronica sensibilă în navele spațiale și sondele sunt protejate de aluminiu, cupru sau alte materiale. Sonda Juno utilizează o boltă inovatoare de titan pentru a-și proteja cele mai sensibile electronice. Aceasta adaugă volum și greutate sondei și totuși nu va oferi o protecție completă. Tardigradele au un alt mod de a se proteja, care este probabil mai elegant decât acesta. Este prea curând să spunem exact cum o fac tardivradele, dar dacă protejarea pigmentării are ceva de-a face și ne putem da seama, imitarea Tardigrade va schimba modul în care proiectăm navele spațiale și sondele și își va extinde planurile de viață în medii cu radiații extreme.
Ce zici de asta? Viitoarele noastre misiuni de explorare vor implica roboți de șerpi care se pot asambla în lanțuri lungi pentru a explora zone greu accesibile? Vom dezlănțui roiuri de MAV-uri cu flopping care lucrează împreună pentru a crea hărți sau sondaje detaliate? Sondele noastre vor putea explora medii extreme pentru perioade de timp mult mai lungi, datorită protecției Tardigrade de radiații? Primele noastre baze pe Lună sau alte lumi vor fi alimentate de plante solare concentrate inspirate de floarea soarelui?
Dacă Leonardo DaVinci a fost la fel de inteligent cum cred că a fost, atunci răspunsul la toate aceste întrebări este da.
