„Tie, kuriuos įkvepia ne modelis, o„ Gamta “, meilužė, visų pirma, šeimininkai, dirba veltui.”
-Leonardas da Vinčis
Tai, apie ką DaVinci kalbėjo, nors tuo metu dar nebuvo vadinama, buvo biomimikrija. Jei jis gyvas šiandien, nėra abejonės, kad ponas DaVinci bus didelis biomimikros šalininkas.
Gamta žavi tuo giliau, kai į ją pažvelgi. Pažvelgę į gamtą, mes žiūrime į daugiau nei 3 milijardų metų senumo laboratoriją, kurioje evoliucijos metu buvo įgyvendinti, išbandyti ir pataisyti problemų sprendimai. Štai kodėl biomimikrija yra tokia elegantiška: Žemėje daugiau nei 3 milijardai metų gamta turėjo spręsti problemas, tas pačias problemas, kurias turime išspręsti, norėdami pažinti kosmosą.
Kuo galingesnė mūsų technologija, tuo giliau galime pamatyti gamtą. Atsiradus daugiau detalių, pateikiami labiau įkyrūs inžinerinių problemų sprendimai. Mokslininkai, ieškantys gamtos sprendimų inžinerijos ir projektavimo problemoms spręsti, džiaugiasi pranašumais ir žengia pažangą keliose su kosmoso tyrinėjimu susijusiose srityse.
Plaukiančio sparno mikro oro transporto priemonės (MAV)
MAV yra maži, paprastai ne didesni kaip 15 cm ilgio ir 100 gramų svorio. MAV yra ne tik maži, bet ir tylūs. Komplektuojami su cheminiais naikikliais, fotoaparatais ar kita įranga, jie gali būti naudojami tyrinėti uždaras erdves, kurios yra per mažos, kad žmogus galėtų jas pasiekti, arba slaptai tyrinėti bet kokio dydžio zonas. Antžeminis naudojimas gali apimti įkaitų situacijas, pramoninių avarijų, tokių kaip Fukušima, vertinimą arba karinę naudą. Tačiau labiausiai jaudina jų potencialus panaudojimas kituose pasauliuose, kurie dar turi būti ištirti.
Per kelerius metus MAV pasirodė mokslinės fantastikos knygose ir filmuose. Pagalvokite apie medžiotojus, ieškančius Dunoje, arba apie zondus Prometėjoje, kurie buvo naudojami kamerai nustatyti priešais žmones. Šie dizainai yra labiau pažengę nei bet kas, prie ko šiuo metu dirbama, tačiau sparnuoti sparnuočiai yra tiriami ir kuriami dabar, ir ateityje jie yra pažangesnių dizainų pirmtakai.
Didelės spartos fotoaparatai paskatino plėtoti sparnuotus MAV. Išsamūs vaizdai iš didelės spartos kamerų leido tyrėjams labai detaliai ištirti paukščių ir vabzdžių skrydį. O kaip paaiškėja, skrydis sparnais yra daug sudėtingesnis, nei manyta iš pradžių. Bet jis taip pat yra daug universalesnis ir atsparesnis. Tai paaiškina jo atkaklumą gamtoje ir MAV dizaino universalumą. Štai keletas vaizdo įrašų iš greitaeigės kameros, fiksuojančios bites skrendančias.
„DelFly Explorer“ iš Delfto technologijos universiteto yra vienas intriguojantis sparnuojančio sparno skraidymo aparatų dizainas. Maža ir lengva stereo matymo sistema leidžia jai išvengti kliūčių ir išlaikyti savo aukštį.
Plaukiantiems sparnuotiems lėktuvams nereikia kilimo ir tūpimo tako. Jie taip pat turi pranašumą, nes gali taupyti energiją mažose vietose. Ir jie gali būti labai tylūs. Šiame vaizdo įraše parodyta sparnuota transporto priemonė, kurią kuria „Airvironment“.
Plaukiojantys sparnuoti lėktuvai yra labai manevringi. Kadangi jie kelia savo sparno judėjimą, o ne judėjimą pirmyn, jie gali judėti labai lėtai ir net judėti. Jie netgi gali atsigauti po susidūrimo su kliūtimis tokiu būdu, kokio negali fiksuoto ar sukamojo sparno MAV. Kai fiksuoto sparno transporto priemonė susiduria su kažkuo, ji praranda greitį ir kėlimą. Kai sukamaisiais sparnais transporto priemonė susiduria su kažkuo, ji praranda rotoriaus greitį ir kėlimą.
Dėl mažo dydžio sparnuotus sparnuotus lėktuvus greičiausiai bus pigu gaminti. Jie niekada negalės gabenti naudingo krovinio, kurį gali didesnė transporto priemonė, tačiau jie atliks savo vaidmenį tyrinėdami kitus pasaulius.
Robotų zondai visus mūsų tyrinėjimus kituose pasauliuose padarė daug pigiau nei siunčiant žmones. Nors sparnuotosios sparnuotosios skraidymo aparatai šiuo metu yra kuriami atsižvelgiant į antžeminį veikimą, tai yra pakankamai lengvas šuolis nuo to, kad jis pritaikytas kitiems pasauliams ir kitoms sąlygoms. Įsivaizduokite nedidelį transporto priemonių su plevenančiais sparnais transporto priemonių parką, skirtą plonesnei atmosferai ir silpnesniam sunkumui, paleisti urvuose ar kitose sunkiai pasiekiamose vietose, vandenyje ar mineraluose ar kitose vietose pažymėti.
Skruzdžių kolonijos ir kolektyvinės sistemos
Skruzdėlės atrodo be proto, kai žiūrite į jas atskirai. Bet jie kartu daro nuostabius dalykus. Jie ne tik stato sudėtingas ir veiksmingas kolonijas, bet ir naudojasi savo kūnu plūduriuojančių tiltų ir tiltų, pakabintų oro viduryje, statybai. Toks elgesys vadinamas savęs surinkimu.
Skruzdžių kolonijos ir elgesys iš mūsų turi daug ko išmokyti. Yra visa tyrimų sritis, vadinama „Ant Colony Optimization“, kuri daro įtaką grandinėms ir sistemoms, ryšiams, skaičiavimo intelektui, valdymo sistemoms ir pramoninei elektronikai.
Čia yra vaizdo įrašas, kuriame skruzdėlės audėjos statė tiltą, kad apimtų tarpą tarp dviejų pakabinamų lazdų. Jiems užtrukti reikia laiko. Pažiūrėkite, ar galite žiūrėti jų nedžiugindami.
Skruzdžių kolonijos yra vienas iš vadinamųjų kolektyvinių sistemų pavyzdžių. Kiti kolektyvinių gamtoje egzistuojančių sistemų pavyzdžiai yra bičių ir vapsvų aviliai, termitų piliakalniai ir net žuvų mokyklos. Kitame vaizdo įraše esantys robotai buvo sukurti taip, kad imituotų natūralias kolektyvines sistemas. Šie robotai gali padaryti labai mažai vieni ir yra linkę į klaidas, tačiau dirbdami kartu jie sugeba savarankiškai susiburti į sudėtingas formas.
Savarankiškai surenkamos sistemos gali būti labiau pritaikomos prie kintančių sąlygų. Kai reikia tyrinėti kitus pasaulius, robotai, kurie gali savarankiškai surinkti, galės reaguoti į netikėtus pokyčius jų aplinkoje ir kitų pasaulių aplinkoje. Panašu, kad savarankiškas surinkimas pagal kolektyvines sistemas leis mūsų būsimiems robotams tyrinėtojams pereiti aplinką ir išgyventi situacijas, kurių negalime specialiai suprojektuoti iš anksto. Šie robotai ne tik turės dirbtinį intelektą, kad galvotų apie problemas, bet ir galės savarankiškai surinkti save įvairiais būdais, kad įveiktų kliūtis.
Robotai, sukurti pagal gyvūnus
Tyrinėti Marsą su robotais - tai stulbinantis pasiekimas. Kai „Curiosity“ nusileido į Marsą, aš patirdavau šaltkrėtis. Tačiau dabartiniai mūsų roveriai atrodo trapūs ir trapūs, o stebėjimas, kaip jie lėtai ir garbingai juda aplink Marso paviršių, verčia susimąstyti, kiek jie galėtų būti geresni ateityje. Naudodami biomimikriją modeliuodami robotus roverius ant gyvūnų, turėtume sugebėti sukurti daug geresnius roverus, nei turime dabar.
Ratai yra viena iš seniausių ir geriausių žmonijos technologijų. Bet ar mums net reikia ratų ant Marso? Ratai užstringa, negali įveikti staigių aukščio pokyčių ir turi kitų problemų. Gamtoje nėra ratų.
Gyvatės turi savo unikalų judėjimo problemos sprendimą. Dėl jų gebėjimo judėti sausuma, aukštyn ir per kliūtis, slinkti per ankštas vietas ir net plaukti, jie tampa labai efektyviais plėšrūnais. Ir aš niekada nemačiau gyvatės su sulaužyta letena ar sugedusia ašimi. Ar galima būsimus roverius modeliuoti antžeminėmis gyvatėmis?
Šis robotas juda per grindis taip, kaip elgiasi gyvatės.
Čia yra dar vienas robotas, kurio pagrindą sudaro gyvatės, su papildoma galimybe būti namuose vandenyje. Panašu, kad jis pats mėgaujasi.
Šis robotas yra pagrįstas ne tik gyvatėmis, bet ir kirmėlėmis bei vabzdžiais. Jis netgi turi savimonės elementų. Ratai jį tik sulaikytų. Kai kurie segmentai neabejotinai galėjo laikyti jutiklius ir netgi galėtų paimti mėginius analizei. Stebėkite, kaip ji vėl renkasi, kad įveiktų kliūtis.
Pakankamai lengva galvoti apie daugybę gyvačių botų naudojimo būdų. Įsivaizduokite didesnę platformą, panašią į „MSL Curiosity“. Dabar įsivaizduokite, jei jos kojos iš tikrųjų buvo keli nepriklausomi gyvatės botai, kurie galėtų atsiriboti, atlikti užduotis, pavyzdžiui, tyrinėti sunkiai prieinamas zonas ir paimti pavyzdį, tada grįžti į didesnę platformą. Tada jie įdėtų pavyzdžių, atsisiųstų duomenis ir vėl prisirištų. Tada visa transporto priemonė galėtų judėti į kitą vietą, o gyvatės botai neštų platformą.
Jei tai skamba kaip mokslinė fantastika, tai kas? Mes mėgstame mokslinę fantastiką.
Saulės energija: Saulėgrąžos kosmose
Saulės energijos srautas praskiedžiamas iki tolimesnės saulės sistemos pusės, kur mes einame. Nors mes vis efektyviau renkame saulės energiją, biomimikrija siūlo pažadėti 20% sumažinti saulės kolektorių plotą, tiesiog imituodama saulėgrąžą.
Koncentruoti saulės augalai (CSP) yra sudaryti iš veidrodžių, vadinamų heliostatais, rinkinio, stebinčio Saulę, kai Žemė sukasi. Sraigtai yra išdėstyti koncentriniais apskritimais, jie sugauna saulės šviesą ir atspindi ją link centrinio bokšto, kur šiluma virsta elektra.
Kai MIT tyrėjai išsamiau ištyrė CSP, jie atrado, kad kiekvienas iš heliostatų dalį laiko praleido pavėsyje, todėl jie buvo mažiau veiksmingi. Dirbdami su kompiuteriniais modeliais, norėdami išspręsti problemą, jie pastebėjo, kad galimi sprendimai buvo panašūs į gamtoje aptinkamus spiralės modelius. Iš ten įkvėpimo jie žiūrėjo į saulėgrąžas.
Saulėgrąžos nėra viena gėlė. Tai mažų gėlių, vadinamų floretėmis, kolekcija, panašiai kaip atskirų veidrodžių ŠSD. Šios florelės yra išdėstytos spirale, kiekviena floretė yra nukreipta 137 laipsnių kampu viena į kitą. Tai vadinama „auksiniu kampu“, o kai florelės yra išdėstytos taip, jos sudaro tarpusavyje sujungtų spiralių masyvą, atitinkantį Fibonačio seką. MIT tyrėjai sako, kad tuo pačiu būdu organizuojant atskirus veidrodžius ŠSD, 20% sumažės reikalinga erdvė.
Kadangi mes vis dar dedame viską, ko reikia kosmoso tyrimams, išpūsdami juos iš Žemės gravitacijos, pritvirtintą prie milžiniškų, brangių raketų, 20% sumažinus erdvę tokiam pat saulės energijos kiekiui, kuris buvo surinktas, yra reikšmingas patobulinimas.
Ekstremofilai ir biomimicija
Ekstremofilai yra organizmai, pritaikyti klestėti ekstremaliomis aplinkos sąlygomis. 2013 m. Buvo nustatyti 865 ekstremofiliniai mikroorganizmai. Jų pripažinimas suteikė naujų vilčių rasti gyvenimą ekstremaliose aplinkose kituose pasauliuose. Bet daugiau nei tai, kad mėgdžiojant ekstremofilus gali padėti mums ištirti šią aplinką.
Griežtai tariant, Tardigradai nėra tiksliai ekstremofilai, nes, nors ir gali išgyventi kraštutinumus, jie nėra pritaikyti klestėti juose. Tačiau jų sugebėjimas atlaikyti aplinkos kraštutinumus reiškia, kad jie turi daug ko išmokyti. Tardigradų rūšių yra apie 1150, jos turi galimybę išgyventi tokiomis sąlygomis, kurios užmuštų žmones, ir greitai pablogintų bet kokių robotų zondų, kuriuos galime siųsti į ekstremalias aplinkas, veikimą.
Tardigradai iš tikrųjų yra maži, vandens, aštuonių kojų mikro gyvūnai. Jie gali atlaikyti temperatūrą nuo šiek tiek aukštesnės nei absoliutus nulis iki vandens virimo taško. Jie gali išgyventi slėgį, kuris yra maždaug šešis kartus didesnis nei slėgis giliausių Žemės vandenynų griovių dugne. Tardigradai taip pat gali praeiti dešimt metų be maisto ar vandens ir gali išdžiūti mažiau nei 3% vandens.
Iš esmės jie yra labai maži žemės didvyriai.
Bet, kiek tai susiję su kosmoso tyrinėjimais, mus domina jų gebėjimas atlaikyti tūkstančius kartų didesnę jonizuojančiąją spinduliuotę nei žmonės. Tardigradai vadinami sunkiausiais gamtos padarais, todėl nesunku suprasti, kodėl.
Tikriausiai mokslinės fantastikos srityje yra įsivaizduoti ateitį, kurioje žmonės yra genetiškai modifikuoti naudojant tardigrade genus, kad atlaikytų radiaciją kituose pasauliuose. Bet jei mes išgyvensime pakankamai ilgai, nekyla abejonių, kad mes pasiskolinsime genus iš kito žemės paviršiaus, kad padėtume plėstis į kitus pasaulius. Tai tik logiška. Tačiau tai dar toli, ir tardigrade išgyvenimo mechanizmai gali veikti daug anksčiau.
Tokius pasaulius kaip Žemė pasisekė užmaskuoti magnetosfera, kuri apsaugo biosferą nuo radiacijos. Tačiau daugeliui pasaulių ir visų kitų mūsų saulės sistemos planetų, išskyrus Ganymede, mėnuliams trūksta magnetosferos. Pats Marsas yra visiškai neapsaugotas. Spinduliuotė kosmose ir pasauliuose, kuriuose nėra apsauginės magnetosferos, ne tik žudo gyvus daiktus, bet ir gali paveikti elektroninius prietaisus, pablogindama jų veikimą, sutrumpindama jų eksploatavimo laiką ar sukeldama visišką gedimą.
Nesitikima, kad kai kurie prietaisai, esantys „Juno“ zonde, kuris šiuo metu yra pakeliui į Jupiterį, išgyvens visą misijos laiką, nes aplink milžinišką dujų planetą sklinda didžiulė radiacija. Pačios saulės baterijos, kurios, norėdamos veikti, turi būti veikiamos saulės, yra ypač jautrios jonizuojančiai spinduliuotei, kuri ilgainiui blogina jų veikimą. Apsaugoti elektroniką nuo jonizuojančiosios spinduliuotės yra svarbi erdvėlaivio ir zondo projektavimo dalis.
Paprastai jautri elektronika erdvėlaiviuose ir zonduose yra ekranuota aliuminiu, variu ar kitomis medžiagomis. „Juno“ zondas naudoja novatorišką titano skliautą, kad apsaugotų savo jautriausią elektroniką. Tai padidina zondo masę ir svorį, tačiau vis tiek neužtikrins visiškos apsaugos. „Tardigrades“ turi dar vieną būdą apsisaugoti, kuris tikriausiai yra elegantiškesnis nei šis. Dar per anksti tiksliai pasakyti, kaip tai daro tardigradai, tačiau jei pigmentacijos ekranai turi ką nors bendro, ir mes galime tai išsiaiškinti, „Tardigrades“ imitacija pakeis mūsų erdvėlaivių ir zondų projektavimo būdą ir prailgins jų gyvenimo trukmę ekstremalioje radiacijos aplinkoje.
Taigi kaip bus? Ar mūsų būsimose žvalgymo misijose dalyvaus gyvatės botai, kurie gali patys susiburti į ilgas grandines, kad ištirtų sunkiai pasiekiamas vietas? Ar paliksime sparnuočių sparnuočių spiečių, kurie kartu kuria išsamius žemėlapius ar apklausas? Ar dėl „Tardigrade“ tipo apsaugos nuo radiacijos mūsų zondai galės ištirti ekstremalią aplinką daug ilgesnį laiką? Ar mūsų pirmosios bazės mėnulyje ar kituose pasauliuose bus maitinamos saulėgrąžų įkvėptais koncentruotais saulės augalais?
Jei Leonardo DaVinci buvo toks protingas, kaip aš manau, jis buvo, tada atsakymas į visus tuos klausimus yra taip.
