"Ті, кого надихає модель, яка не природа, господиня понад усіх господарів, трудяться даремно.”
-Леонардо да Вінчі
Те, про що говорив ДаВінчі, хоча його ще не називали, - це біоміміка. Чи був він сьогодні живим, не сумніваємось, що містер ДаВінчі був би великим прихильником біоміміки.
Природа є більш захоплюючою, чим глибше в неї зазирнути. Коли ми глибоко заглядаємо в природу, ми заглядаємо в лабораторію віком понад 3 мільярди років, де рішення проблем були впроваджені, випробувані та переглянуті протягом еволюції. Ось чому біомімірія настільки витончена: на Землі у природи було більше 3 мільярдів років для вирішення проблем, таких же проблем, які ми повинні вирішити для просування в космосі.
Чим потужнішою стає наша технологія, тим глибше ми можемо побачити природу. По мірі того, як з'ясовується більша деталізація, все більше заплутаних рішень для інженерних проблем. Вчені, які шукають природу для вирішення інженерних та конструкторських проблем, пожинають нагороди та просуваються в декількох сферах, пов'язаних з дослідженням космосу.
Мікроповітряні транспортні засоби (MAV)
MAV невеликі, зазвичай не більше 15 см в довжину і 100 грам ваги. MAV не тільки маленькі, вони тихі. Оснащені хімічними нюхателями, камерами чи іншим обладнанням, їх можна використовувати для дослідження обмежених просторів, занадто малих для доступу людини, або для крадіжки досліджувати райони будь-якого розміру. Наземне використання може включати ситуації із заручниками, оцінюючи виробничі аварії, як Фукусіма, або військові призначення. Але це їх потенційне використання в інших світах, які ще слід вивчити, які є найбільш захоплюючими.
Протягом багатьох років MAV з'являлися у науково-фантастичних книгах та фільмах. Подумайте про шукачів мисливців у Дюні або про зонди в Прометеї, які використовувались для відображення камери попереду людей. Ці конструкції є більш досконалими, ніж усе, над чим зараз працюють, але MAVs, що махають крилами, досліджуються та розробляються зараз, і є попередниками більш досконалих конструкцій у майбутньому.
Високошвидкісні камери спонукали до розробки крилатих MAV. Детальні зображення з високошвидкісних камер дозволили дослідникам дуже детально вивчити політ птахів та комах. І як виявляється, політ крила набагато складніше, ніж вважалося спочатку. Але він також набагато більш універсальний і стійкий. Це пояснює його стійкість у природі та універсальність у дизайні MAV. Ось відео з високошвидкісної камери, що фіксує бджіл у польоті.
Провідник DelFly з технологічного університету Delft - це інтригуючий дизайн MAV, що махає крилом. Його невелика і легка система стерео зору дозволяє їй уникати перешкод і підтримувати висоту самостійно.
МАВ, що махають крилами, не вимагає злітно-посадкової смуги. Вони також мають перевагу в тому, що можуть сидіти на невеликих просторах для економії енергії. І вони мають потенціал бути дуже тихими. У цьому відео показано автомобіль, що махає крилом, який розробляє компанія Airvironment.
Машини, що махають крилами, є надзвичайно маневреними. Оскільки вони генерують підйом від руху крил, а не руху вперед, вони можуть подорожувати дуже повільно і навіть зависати. Вони навіть можуть оговтатися від зіткнень із перешкодами способами, які MAVs з фіксованим крилом чи обертовим крилом не можуть. Коли транспортний засіб з фіксованим крилом стикається з чимось, воно втрачає швидкість руху повітря і підйом. Коли транспортний засіб з обертовим крилом стикається з чимось, він втрачає свою швидкість обертання і підйом.
Зважаючи на їх невеликий розмір, MAVs, що плескаються, може бути дешевим у виробництві. Вони ніколи не зможуть перенести корисний вантаж, який може більший транспортний засіб, але вони зіграють свою роль у дослідженні інших світів.
Роботизовані зонди зробили все дослідження для нас в інших світах, набагато дешевшими цінами, ніж відправлення людей. Поки крила MAV в даний час розробляються з урахуванням наземних показників, це досить простий стрибок від цього до розробки для інших світів та інших умов. Уявіть собі невеликий парк автомашин, розроблених для тоншої атмосфери та слабкішої сили, випущених для карти печер чи інших важкодоступних районів, для пошуку води чи корисних копалин або для відображення інших особливостей.
Колонії мурашок та колективні системи
Мурахи здаються безглуздими, коли дивишся на них окремо. Але вони роблять дивовижні речі разом. Вони не тільки будують складні та ефективні колонії, вони також використовують свої тіла для побудови плаваючих мостів та мостів, підвішених у повітрі. Така поведінка називається самозбіркою.
Колонії мурашок та мурашина поведінка мають багато чого навчити нас. Існує ціла сфера досліджень під назвою "Оптимізація колонії", яка має значення для мікросхем і систем, зв'язку, обчислювальної розвідки, систем управління та промислової електроніки.
Ось відео про мурашок Вівер, що будують міст, щоб прокласти зазор між двома підвісними палицями. Їм потрібно певний час, щоб їх отримати. Подивіться, чи можете ви дивитися, не підбадьорюючи їх.
Колонії мурашок - один із прикладів того, що називають колективними системами. Іншими прикладами колективних систем у природі є вулики бджоли та оси, кургани-терміти і навіть школи риб. Роботи в наступному відео були розроблені для імітації природних колективних систем. Ці роботи можуть робити дуже мало поодинці і схильні до помилок, але коли вони працюють разом, вони здатні самостійно збиратись у складні форми.
Системи самоскладання можуть бути більш пристосованими до мінливих умов. Якщо мова йде про вивчення інших світів, то роботи, які можуть самостійно збиратись, зможуть реагувати на несподівані зміни у своєму оточенні та в оточеннях інших світів. Здається певним, що самозбірка колективними системами дозволить майбутнім роботодавцям досліджувати обстановку та виживати у ситуаціях, які ми не можемо їх заздалегідь розробити. Ці роботи не тільки матимуть штучний інтелект, щоб продумати свій шлях через проблеми, але й зможуть самостійно зібратися по-різному, щоб подолати перешкоди.
Роботи, змодельовані на тваринах
Дослідження Марса за допомогою роботизованих роверів - дивовижне досягнення. Коли у мене цікавість приземлилася на Марсі, у мене був озноб. Але наші нинішні мотори виглядають крихкими і кволими, а спостереження за тим, як вони повільно і незграбно рухаються по поверхні Марса, змушує задуматися, наскільки краще вони могли бути в майбутньому. Використовуючи біоміміку для моделювання робототехнічних роверів на тваринах, ми повинні бути в змозі створити набагато кращі ровери, ніж у нас зараз.
Колеса - одна з найдавніших та найвищих технологій людства. Але чи потрібні нам навіть колеса на Марсі? Колеса застрягли, не можуть пройти різкі зміни у висоті та мати інші проблеми. У природі немає коліс.
Змії мають своє унікальне рішення проблеми руху. Їх здатність пересуватися по суші, вгору і через перешкоди, пробиватися через тісні місця і навіть плавати, робить їх дуже ефективними хижаками. І я ніколи не бачив змію зі зламаним путнем або розбитим мостом. Чи зможуть майбутні ровери моделювати наземних змій?
Цей робот рухається по підлозі так само, як і змії.
Ось ще один робот на основі змій, з додатковою здатністю перебувати вдома у воді. Цей схожий на насолоду.
Цей робот базується не лише на зміях, а й на глибинах глистів та комах. У ньому навіть є елементи самозбірки. Колеса лише стримували б її. Деякі сегменти, безумовно, можуть містити датчики, і це навіть може отримати зразки для аналізу. Дивіться, як він знову збирається для подолання перешкод.
Досить просто думати про багаторазове використання змійних ботів. Уявіть собі більшу платформу, схожу на MSL Curiosity. А тепер уявіть, якби на її лапах було декілька незалежних змійних ботів, які могли відірватися від себе, виконувати такі завдання, як вивчення важкодоступних областей та отримання зразка, а потім повернення до більшої платформи. Потім вони депонуватимуть зразки, завантажуватимуть дані та повторно вкладатимуться. Тоді весь транспортний засіб міг переїхати в інше місце, коли зміїні боти несли платформу.
Якщо це звучить як наукова фантастика, то що? Ми любимо фантастику.
Сонячна енергія: Соняшники в космосі
Потік енергії від сонця розбавляється, щоб пропливати далі в Сонячній системі. Хоча ми все більше і ефективніше збираємо енергію Сонця, біомімікрія пропонує обіцянку 20-відсоткового зменшення простору сонячної панелі, просто імітуючи соняшник.
Концентровані сонячні рослини (ССП) складаються з масиву дзеркал, званих геліостатами, які відслідковують Сонце під час обертання Землі. Геліостати розташовані концентричними колами, і вони вловлюють сонячне світло і відбивають його у напрямку до центральної вежі, де тепло перетворюється на електрику.
Коли дослідники з MIT детальніше вивчали CSP, вони виявили, що кожен з геліостатів частину часу проводив у затіненому стані, що робить їх менш ефективними. Працюючи з комп’ютерними моделями, щоб вирішити проблему, вони помітили, що можливі рішення схожі на спіральні візерунки, знайдені в природі. Звідти вони натхнення дивилися на соняшник.
Соняшник - це не одна квітка. Це колекція дрібних квітів під назвою квіточки, подібно до окремих дзеркал у ДСП. Ці квіточки розташовані по спіральному малюнку, причому кожна квітка орієнтована на 137 градусів один до одного. Це називається «золотим кутом», і коли квіткові композиції розташовані так, вони утворюють масив взаємопов’язаних спіралей, який відповідає послідовності Фібоначчі. Дослідники MIT стверджують, що організація індивідуальних дзеркал однаковим чином у CSP зменшить необхідний простір на 20%.
Оскільки ми все ще ставимо все, що потрібно для дослідження космосу в космос, вибухаючи його з гравітації Землі, добре прив'язаної до величезних, дорогих ракет, зменшення космосу на 20% для тієї ж кількості зібраної сонячної енергії є суттєвим поліпшенням.
Екстремофіли та біомімікрія
Екстремофіли - це організми, пристосовані процвітати в екстремальних умовах навколишнього середовища. Станом на 2013 рік було виявлено 865 екстремофільних мікроорганізмів. Їх визнання дало нову надію знайти життя в екстремальних умовах інших світів. Але більше того, наслідування екстремофілів може допомогти нам вивчити ці середовища.
Строго кажучи, Тардігради - це не зовсім екстремофіли, оскільки, хоча вони можуть пережити крайнощі, вони не пристосовані процвітати в них. Однак їхня здатність протистояти екологічним крайнощам означає, що вони мають багато чого навчити нас. Існує близько 1150 видів Tardigrades, і вони мають здатність виживати в умовах, які загинуть людину, і швидко погіршать функціонування будь-яких робототехнічних зондів, які ми можемо відправити в екстремальне середовище.
Тардігради - це насправді крихітні, водні, восьминогі мікро тварини. Вони можуть витримувати температури від трохи вище абсолютного нуля до свердловини над температурою кипіння води. Вони можуть витримати тиск, приблизно в шість разів більший за тиск на дні найглибших океанських окопів на Землі. Тардігради можуть також пройти десять років без їжі та води, і можуть пересохнути до менш ніж 3% води.
Вони в основному надто крихітні супер герої Землі.
Але що стосується дослідження космосу, то їхня здатність найбільше цікавить їх здатність протистояти іонізуючому випромінюванню в тисячі разів вище, ніж люди можуть витримати. Тардігради називають найважчими істотами природи, і легко зрозуміти, чому.
Напевно, у царині наукової фантастики можна уявити майбутнє, де люди генетично спроектовані з пардигранними генами, щоб протистояти радіації в інших світах. Але якщо ми виживемо досить довго, я не сумніваюся, що ми запозичимо гени з іншого земного життя, щоб допомогти нам розширитися в інші світи. Це лише логічно Але це вже далеко, і тривалий механізм виживання може почати діяти набагато раніше.
Такі світи, як Земля, пощастило оповити магнітосферою, яка захищає біосферу від радіації. Але багатьом світам і всім місяцям інших планет нашої Сонячної системи, окрім Ганімеда, не вистачає магнітосфери. Сам Марс абсолютно незахищений. Наявність випромінювання як у космосі, так і у світах без захисної магнітосфери не тільки вбиває живі істоти, але може впливати на електронні пристрої, погіршуючи їх продуктивність, скорочуючи термін їх служби або спричиняючи повний збій.
Деякі інструменти на зонді Джуно, який зараз знаходиться на шляху до Юпітера, не очікується, що вони збережуть протягом тривалості місії через надзвичайну радіацію навколо планети-гіганта. Самі панелі сонячних батарей, які повинні працювати на сонці, щоб функціонувати, особливо чутливі до іонізуючого випромінювання, яке з часом розмиває їх продуктивність. Захист електроніки від іонізуючого випромінювання є важливою частиною конструкції космічних апаратів та зондів.
Зазвичай чутлива електроніка в космічних апаратах і зондах захищена алюмінієм, міддю або іншими матеріалами. Зонд Juno використовує інноваційний склепіння з титану для захисту своєї найчутливішої електроніки. Це додає об’ємності та ваги зонду, але все ж не забезпечить повний захист. Тардігради мають інший спосіб екранування, який, мабуть, більш елегантний, ніж цей. Занадто рано точно сказати, як це роблять тардигради, але якщо захист пігментації має щось спільне з цим, і ми можемо це зрозуміти, наслідування Tardigrades змінить спосіб проектування космічних кораблів і зондів, а також продовжить термін їх експлуатації в умовах надзвичайних радіаційних середовищ.
То як щодо цього? Чи будуть наші майбутні розвідувальні місії залучати бобів-змій, які можуть самостійно зібратися в довгі ланцюги для дослідження важкодоступних районів? Чи розкриємо ми рої крилатих МАВ, які спільно працюють над створенням детальних карт чи обстежень? Чи зможуть наші зонди досліджувати екстремальне середовище набагато довші періоди часу завдяки Tardigrade-подібному захисту від радіації? Чи будуть наші перші бази на Місяці чи інших світах живитись на основі натхнення соняшникових рослин, натхнених соняшником?
Якщо Леонардо ДаВінчі був таким розумним, як я думаю, він був, то відповідь на всі ці питання - так.
