„Тези, които са вдъхновени от модел, различен от природата, любовница над всички господари, трудят се напразно.”
-Леонардо да Винчи
Това, за което ДаВинци говореше, макар че не го наричаха навремето, беше биомимикрията. Беше ли жив днес, няма съмнение, че господин ДаВинци ще бъде голям привърженик на биомимикрията.
Природата е по-завладяваща колкото по-дълбоко се вглеждате в нея. Когато погледнем дълбоко в природата, надникваме в лаборатория, която е на повече от 3 милиарда години, където решенията на проблемите са внедрени, тествани и ревизирани в хода на еволюцията. Ето защо биомимикрията е толкова елегантна: на Земята природата има повече от 3 милиарда години за решаване на проблеми, същите проблеми, които трябва да решим, за да напреднем в космическите изследвания.
Колкото по-мощна става нашата технология, толкова по-дълбоко можем да видим природата. Колкото повече подробности се разкриват, толкова по-дразнещи решения на инженерните проблеми се представят. Учените, които търсят природата за решения на инженерни и дизайнерски проблеми, жънат наградите и вървят напред в няколко области, свързани с космическото проучване.
Микро въздушни превозни средства с крила (MAVs)
MAV са малки, обикновено не по-големи от 15 см дължина и 100 грама тегло. MAV-ите не са само малки, те са тихи. Снабдени с химически снайпери, камери или друго оборудване, те биха могли да бъдат използвани за изследване на ограничени пространства, твърде малки за достъп на хора, или за крадено проучване на области от всякакъв размер. Наземното използване може да включва ситуации с заложници, оценка на промишлени произшествия като Фукушима или военни цели. Но това е тяхната потенциална употреба в други светове, които тепърва ще бъдат изследвани, които са най-увлекателните.
През годините MAV се появяват в книги и филми за научна фантастика. Помислете за търсещите лов в Дюна или за сондите в Прометей, които са били използвани за картографиране на камерата пред хората. Тези дизайни са по-напреднали от всичко, върху което в момента се работи, но MAVs с крилати крила се изследват и проектират в момента и са предшественици на по-модерни проекти в бъдеще.
Високоскоростните камери са стимулирали разработването на MAVs с крила. Подробните изображения от високоскоростни камери позволиха на изследователите да изучават полета на птици и насекоми с много подробности. И както се оказва, полетът с крила е много по-сложен, отколкото първоначално се смяташе. Но също така е много по-универсален и устойчив Това обяснява неговата устойчивост в природата и многофункционалността в дизайна на MAV. Ето малко видео от високоскоростна камера, заснемаща пчели в полет.
Изследователят DelFly от Технологичния университет в Делфт е един интригуващ дизайн на крила MAV. Малката и лека система за стерео виждане му позволява да избягва препятствия и да поддържа самостоятелно височината си.
MAV-ите с крила не изискват писта. Те също имат предимството да могат да кацнат на малки пространства, за да пестят енергия. И имат потенциал да бъдат много тихи. Това видео показва превозно средство с крило, което е разработено от Airvironment.
MAVs с крилати крила са много маневрени. Тъй като те генерират повдигането си от движение на крилото, а не от движение напред, те могат да пътуват много бавно и дори да се движат. Те дори могат да се възстановят от сблъсъци с препятствия по начини, по които MAVs с фиксирано крило или въртящо крило не могат. Когато превозното средство с неподвижно крило се сблъска с нещо, то губи скоростта си на въздух и повдигането си. Когато превозното средство с въртящо крило се сблъска с нещо, то губи скоростта на ротора си и повдигането си.
Поради малките си размери, MAV-ите с крила могат да бъдат евтини за производство. Те никога няма да могат да пренасят полезния товар, който може по-голямо превозно средство, но те ще имат своята роля в проучването на други светове.
Роботизирани сонди са направили всички проучвания за нас на други светове, на много по-евтини разходи от изпращане на хора. Макар че крилата MAVs понастоящем се проектират с предвид наземните характеристики, това е достатъчно лесен скок от това към проекти за други светове и други условия. Представете си малък парк от превозни средства с крила, проектиран за по-тънка атмосфера и по-слаба гравитация, пуснат за картографиране на пещери или други труднодостъпни райони, за намиране на вода или минерали или за картографиране на други функции.
Колонии мравки и колективни системи
Мравките изглеждат безсмислени, когато ги гледате поотделно. Но те правят невероятни неща заедно. Те не само изграждат сложни и ефикасни колонии, но също така използват телата си за изграждане на плаващи мостове и мостове, окачени във въздуха. Това поведение се нарича самосглобяване.
Колониите на мравки и поведението на мравки имат много да ни учат. Има цяла област от изследвания, наречена Ant Colony Optimization, която има отражение върху схемите и системите, комуникациите, изчислителната интелигентност, системите за управление и индустриалната електроника.
Ето видео на мравки Weaver, изграждащи мост, за да обхване пропастта между две окачени пръчки. Отнема им време, за да го получат. Вижте дали можете да гледате, без да ги развеселите.
Колониите мравки са един пример за това, което се нарича колективни системи. Други примери за колективни системи в природата са пчелни и оси кошери, термитни могили и дори училища за риба. Роботите в следващото видео са проектирани да имитират естествени колективни системи. Тези роботи могат да се справят много малко сами и са склонни към грешки, но когато работят заедно, те са способни да се съберат в сложни форми.
Системите за самосглобяване могат да бъдат по-адаптивни към променящите се условия. Когато става въпрос за изследване на други светове, роботите, които могат да се самосглобяват, ще могат да реагират на неочаквани промени в своето обкръжение и в среди на други светове. Изглежда сигурно, че самосглобяването от колективни системи ще позволи на бъдещите ни роботи-изследователи да преминат в среда и да преживеят ситуации, за които не можем да ги проектираме предварително. Тези роботи не само ще имат изкуствен интелект, за да мислят по пътя си през проблеми, но и ще могат да се самосглобяват по различни начини за преодоляване на препятствията.
Роботи, моделирани върху животни
Изследването на Марс с роботизирани роувъри е изумително постижение. Имах втрисане по гръбнака, когато Curiosity кацна на Марс. Нашите сегашни роувъри изглеждат крехки и крехки, а гледането им как се движат бавно и тромаво около повърхността на Марс ви кара да се чудите колко по-добри биха могли да бъдат в бъдеще. Използвайки биомимикрията за моделиране на роботизирани роувъри на животни, би трябвало да можем да изградим много по-добри гребци, отколкото имаме в момента.
Колелата са една от най-ранните и най-големи технологии на човечеството. Но имаме ли нужда дори от колела на Марс? Колелата се забиват, не могат да преминат резки промени във височината и имат други проблеми. В природата няма колела.
Змиите имат свое уникално решение на проблема с локомоцията. Способността им да се движат по суша, нагоре и над препятствия, да се промъкнат през тесни места и дори да плуват, ги прави много ефективни хищници. И никога не съм виждал змия със счупена пуст или разрушена ос. Възможно ли е бъдещите роувъри да бъдат моделирани върху земните змии?
Този робот се движи по пода по същия начин, както правят змиите.
Ето още един робот на базата на змии, с добавената възможност да сте у дома във водата. Този изглежда, че се наслаждава.
Този робот не се основава само на змии, но и на червеи и насекоми. Той дори има елементи на самосглобяване. Колелата само биха го задържали. Някои сегменти със сигурност могат да съдържат сензори и дори могат да извадят проби за анализ. Гледайте как се събира отново, за да преодолее препятствия.
Достатъчно лесно е да мислите за многобройни употреби на змийски ботове. Представете си по-голяма платформа, подобна на MSL Curiosity. Сега си представете дали краката му всъщност са били няколко независими змийски бота, които биха могли да се отделят, да изпълняват задачи като проучване на труднодостъпни зони и извличане на проба, след което се връщат към по-голямата платформа. След това те ще депозират мостри, ще изтеглят данни и ще се прикрепят отново. Тогава цялото превозно средство можеше да се премести на друго място, като змийските ботове носеха платформата.
Ако това звучи като научна фантастика, така че какво? Обичаме научната фантастика.
Слънчева енергия: Слънчогледи в Космоса
Потокът от енергия от слънцето се разрежда, за да се стигне до по-нататъшното поле в Слънчевата система, на което вървим. Въпреки че продължаваме да ставаме все по-ефективни при събирането на слънчевата енергия, биомимикрията предлага обещание за 20% намаление на необходимото пространство на слънчевите панели, само имитирайки слънчогледа.
Концентрираните слънчеви растения (CSP) са съставени от масив огледала, наречени хелиостати, които проследяват слънцето, докато Земята се върти. Хелиостатите са подредени в концентрични кръгове и те улавят слънчевата светлина и я отразяват към централна кула, където топлината се преобразува в електричество.
Когато изследователи от MIT изследвали CSP по-подробно, те открили, че всеки от хелиостатите прекарва част от времето в засенчване, което ги прави по-малко ефективни. Докато работеха с компютърни модели, за да разрешат проблема, те забелязаха, че възможните решения са подобни на спиралните модели, открити в природата. Оттам те погледнаха слънчогледа за вдъхновение.
Слънчогледът не е едно цвете. Това е колекция от малки цветя, наречени цветя, много като отделните огледала в CSP. Тези цветя са подредени по спираловиден модел, като всяко флоре е ориентирано на 137 градуса един към друг. Това се нарича „златен ъгъл“ и когато флоретите са подредени така, те образуват масив от взаимосвързани спирали, които съответстват на последователността на Фибоначи. Изследователите на MIT казват, че организирането на отделни огледала по един и същи начин в CSP ще намали необходимото пространство с 20%.
Тъй като все още поставяме всичко необходимо за изследване на космоса в космоса, като го взривяваме от гравитацията на Земята, добре привързан към огромни, скъпи ракети, 20% намаление на пространството за същото количество събрана слънчева енергия е значително подобрение.
Екстремофили и биомимикрия
Екстремофилите са организми, пригодени да процъфтяват в екстремни условия на околната среда. Към 2013 г. са идентифицирани 865 екстремофилни микроорганизми. Тяхното признание даде нова надежда за намиране на живот в екстремни среди на други светове. Но повече от това имитирането на екстремофили може да ни помогне да изследваме тези среди.
Строго погледнато, Тардиградите не са точно екстремофили, защото макар да могат да преживеят крайности, те не са пригодени да процъфтяват в тях. Способността им да издържат на екологичните крайности обаче означава, че имат много да ни учат. Има около 1150 вида Tardigrades и те имат способността да оцеляват в условия, които биха убили хората и бързо биха влошили функционирането на всякакви роботизирани сонди, които можем да изпратим в екстремни среди.
Тардиградите всъщност са мънички, водни, осемкраки микро-животни. Те могат да издържат на температури от малко над абсолютната нула до над температурата на кипене на водата. Те могат да преживеят натиск около шест пъти по-голям от налягането в дъното на най-дълбоките океански окопи на Земята. Тардиградите също могат да изминат десет години без храна и вода и могат да изсъхнат до по-малко от 3% вода.
Те всъщност са супер мъничките супер герои на Земята.
Но що се отнася до космическото изследване, тяхната способност да издържат на йонизираща радиация хиляди пъти по-висока, отколкото хората могат да издържат, това ни интересува най-много. Тардиградите се наричат най-трудните създания на природата и е лесно да разберем защо.
Вероятно е в сферата на научната фантастика да си представим бъдеще, в което хората са генетично проектирани с тардиградни гени, които да издържат на радиация на други светове. Но ако оцелеем достатъчно дълго, няма съмнение в съзнанието ми, че ще взаимстваме гени от друг земен живот, за да ни помогне да се разширим в други светове. Това е единствено логично. Но това е много далеч и тардиградни механизми за оцеляване може да влязат в игра много по-рано.
Светове като Земята имат късмета да бъдат завити от магнитосфера, която предпазва биосферата от радиация. Но много светове и всички луни на другите планети в нашата Слънчева система - различни от Ганимед - нямат магнитосфера. Самият Марс е напълно незащитен. Наличието на радиация в космоса и в светове без защитна магнитосфера не само убива живите същества, но може да повлияе на електронните устройства, като влоши работата им, съкрати живота им или причини пълна повреда.
Някои от инструментите на сондата Juno, която е на път за Юпитер в момента, не се очаква да оцелеят по време на мисията заради екстремната радиация около гигантската газова планета. Самите слънчеви панели, които трябва да бъдат изложени на слънце, за да функционират, са особено податливи на йонизиращо лъчение, което ерозира работата им във времето. Защитата на електрониката от йонизиращо лъчение е съществена част от дизайна на космически кораби и сонда.
Обикновено чувствителната електроника в космически кораби и сонди е екранирана от алуминий, мед или други материали. Сондата Juno използва иновативен титанов свод, за да защити най-чувствителната си електроника. Това добавя обем и тегло на сондата и все още няма да осигури пълна защита. Тардиградите имат някакъв друг начин да се защитят, който вероятно е по-елегантен от този. Рано е да кажем как точно се справят тарджиградите, но ако защитата с пигментация има нещо общо с това и можем да го разберем, имитирането на Tardigrades ще промени начина, по който проектираме космически кораби и сонди, и ще удължи живота им в екстремална радиационна среда.
Какво ще кажете за това? Ще включват ли бъдещите ни проучвателни мисии змийски ботове, които могат да се сглобяват в дълги вериги, за да изследват труднодостъпни райони? Ще отпуснем ли роя на MAV, които работят заедно, за да създадат подробни карти или проучвания? Ще могат ли нашите сонди да изследват екстремните среди за много по-дълги периоди от време, благодарение на Tardigrade като защита от радиация? Дали нашите първи бази на Луната или други светове ще бъдат захранвани от вдъхновени от слънчоглед концентрирани слънчеви растения?
Ако Леонардо ДаВинци беше толкова умен, колкото мисля, че беше, тогава отговорът на всички тези въпроси е да.
