"Tisti, ki jih navdihuje model, ki ni Narava, ljubica nad vsemi gospodarji, se zaman trudijo.”
-Leonardo da Vinci
Kar je govoril DaVinci, čeprav ga takrat še niso imenovali, je bila biomimikrija. Ali bi bil danes živ, ni dvoma, da bi bil gospod DaVinci velik zagovornik biomimikrije.
Narava je bolj fascinantna, globlje ko jo pogledaš. Ko pogledamo globoko v naravo, pokukamo v laboratorij, ki je star več kot 3 milijarde let, kjer so bile rešitve problemov implementirane, preizkušene in spremenjene v času evolucije. Zato je biomimikrija tako elegantna: na svetu je narava imela več kot 3 milijarde let za reševanje problemov, enake težave, ki jih moramo rešiti za napredovanje v vesoljskem raziskovanju.
Čim močnejša je naša tehnologija, tem globlje se lahko zagledamo v naravo. Ko se razkrivajo večje podrobnosti, se kažejo bolj zapletene rešitve inženirskih težav. Znanstveniki, ki iščejo naravo za rešitve inženirskih in oblikovnih težav, žanjejo nagrade in napredujejo na več področjih, povezanih z raziskovanjem vesolja.
Mikro letalna vozila s krilnimi krili (MAV)
MAV so majhne, navadno niso večje od 15 cm in teže 100 gramov. MAV-ji niso le majhni, tihi so. Opremljeni s kemičnimi ostrostrelci, kamerami ali drugo opremo bi jih lahko uporabili za raziskovanje omejenih prostorov, ki so premajhni za človeka, ali za vztrajno raziskovanje območij katere koli velikosti. Kopenske uporabe lahko vključujejo razmere talcev, ocenjevanje industrijskih nesreč, kot je Fukušima, ali vojaške namene. Toda njihova potencialna uporaba na drugih svetih, ki jih je treba še raziskati, je najbolj fascinantna.
MAV so se z leti pojavljale v znanstvenofantastičnih knjigah in filmih. Pomislite na iskalce lovcev v Duni ali na sonde v Prometeju, ki so bile uporabljene za kartiranje komore pred ljudmi. Ti modeli so naprednejši od vsega, kar se trenutno dela, toda MAV-ji s krilci se trenutno raziskujejo in oblikujejo in so predhodniki naprednejših modelov v prihodnosti.
Kamere za visoke hitrosti so spodbudile razvoj MAV-ov s krilnimi krili. Podrobne slike s hitrih kamer so raziskovalcem omogočile natančno proučevanje letenja ptic in žuželk. In kot se izkaže, je letenje s krilom veliko bolj zapleteno, kot se sprva misli. Je pa tudi veliko bolj vsestranski in prožnejši To pojasnjuje njegovo obstojnost v naravi in vsestranskost pri oblikovanju MAV. Tu je nekaj videoposnetkov iz hitre kamere, ki zajame čebele med letom.
Raziskovalec DelFly z tehnološke univerze Delft je zanimiv dizajn MAV z zakrilitimi krili. Njegov majhen in lahek stereo vidni sistem omogoča, da se izogne oviram in vzdržuje svojo višino.
MAV-ji z zakrilci ne potrebujejo vzletno-pristajalne steze. Prednost imajo tudi v tem, da se lahko na majhnih prostorih zasidrajo in tako prihranijo energijo. In imajo potencial, da so zelo tihi. V tem videoposnetku je prikazano vozilo s krilcem, ki ga je razvila družba Airvironment.
MAV-ji s krilnimi krili so zelo manevrski. Ker se dvigajo z gibanjem kril, ne pa naprej, lahko potujejo zelo počasi in celo lebdijo. Lahko se opomorejo celo od trkov z ovirami na načine, ki jih MAV s fiksnim krilom ali vrtljivim krilom ne morejo. Ko vozilo s fiksnim krilom trči v nekaj, izgubi hitrost zraka in dviga. Ko vozilo z vrtljivim krilom trči v nekaj, izgubi hitrost rotorja in dvig.
Zaradi svoje majhnosti bodo MAV-ji z zavihanimi krili verjetno izdelani poceni. Nikoli ne bodo mogli prenesti tovora, kot ga lahko večje vozilo, vendar bodo imeli svojo vlogo pri raziskovanju drugih svetov.
Robotske sonde so za nas opravile vse raziskave na drugih svetovih, za precej cenejše stroške kot pošiljanje ljudi. Medtem ko so krila MAV-ov trenutno zasnovana s prizemnimi zmogljivostmi, je to dovolj enostaven preskok iz dizajna za druge svetove in druge pogoje. Predstavljajte si majhno floto vozil z zakrilitimi krili, zasnovanih za tanjšo atmosfero in šibkejšo težo, sproščene za preslikavo jam ali drugih težko dostopnih območij, za iskanje vode ali mineralov ali za preslikavo drugih značilnosti.
Kolonije mrav in kolektivni sistemi
Mravlje se zdijo nespametne, če jih gledate posamično. A skupaj počneta neverjetne stvari. Ne samo da gradijo zapletene in učinkovite kolonije, temveč uporabljajo tudi svoja telesa za gradnjo plavajočih mostov in mostov, ki visijo v zraku. Takšno vedenje se imenuje samonastavljanje.
Kolonije mravov in mravlje vedenje nas veliko naučijo. Obstaja celotno področje raziskav, imenovano Ant Colony Optimization, ki ima posledice za vezja in sisteme, komunikacije, računalniško inteligenco, nadzorne sisteme in industrijsko elektroniko.
Tu je video posnetek mravelj Weaver, ki gradijo most za razkorak med dvema visečima palicama. Potrebno jim je nekaj časa, da jih dobijo. Oglejte si, če lahko gledate, ne da bi jih navijali.
Kolonske mravlje so en primer tega, kar imenujemo kolektivni sistemi. Drugi primeri kolektivnih sistemov v naravi so panji čebel in osi, termitne gomile in celo šole rib. Roboti v naslednjem videu so zasnovani tako, da posnemajo naravne kolektivne sisteme. Ti roboti lahko naredijo zelo malo sami in so nagnjeni k napakam, vendar, ko delajo skupaj, se lahko samostojno sestavijo v zapletene oblike.
Sistemi za samo sestavljanje so lahko bolj prilagodljivi spremenljivim pogojem. Ko gre za raziskovanje drugih svetov, se bodo roboti, ki se lahko samo sestavijo, lahko odzvali na nepričakovane spremembe v svoji okolici in v okoljih drugih svetov. Zdi se gotovo, da bo samonastavljanje skupinskih sistemov našim bodočim robotskim raziskovalcem omogočilo preiskovanje okolij in preživetje situacij, ki jih ne moremo posebej načrtovati vnaprej. Ti roboti ne bodo imeli samo umetne inteligence, da bodo razmišljali o svoji poti skozi težave, ampak se bodo tudi lahko samostojno sestavili na različne načine za premagovanje ovir.
Roboti, modelirani na živalih
Raziskovanje Marsa z robotskimi roverji je presenetljiv dosežek. Ko sem radovednost pristala na Marsu, sem se po hrbtenici spustila mrzlica. Toda naši sedanji roverji se zdijo krhki in šibki, in če opazujete, kako se počasi in nerodno premikajo po površini Marsa, se sprašujete, kako boljši bi lahko bili v prihodnosti. Z uporabo biomimikrije za modeliranje robotskih roverjev na živalih bi morali zgraditi veliko boljše roverje, kot jih imamo trenutno.
Kolesa so ena najzgodnejših in največjih tehnologij človeštva. A na Marsu sploh potrebujemo kolesa? Kolesa se obtičijo, ne morejo preiti nenadnih sprememb višine in imajo druge težave. V naravi ni koles.
Kače imajo svojo edinstveno rešitev problema gibanja. Njihova sposobnost, da se premikajo po kopnem, gor in čez ovire, se prebijajo skozi tesna mesta in celo plavajo, so zelo učinkoviti plenilci. In še nikoli nisem videl kače z zlomljenim letom ali zlomljeno osjo. Ali se bodo bodoči roverji lahko modelirali na kopenskih kačah?
Ta robot se premika po tleh na enak način kot kače.
Tukaj je še en robot, ki temelji na kačah, z dodano možnostjo, da ste doma v vodi. Ta izgleda, kot da uživa.
Ta robot ne temelji le na kačah, ampak tudi na palčjih črvih in žuželkah. Ima celo elemente samonastavitve. Kolesa bi ga samo zadrževala. Nekateri segmenti bi vsekakor lahko imeli senzorje in lahko celo odvzeli vzorce za analizo. Pazi, kako se znova sestavlja za premagovanje ovir.
Dovolj enostavno je razmišljati o večkratni uporabi kačjih botov. Predstavljajte si večjo platformo, podobno kot MSL Curiosity. Zdaj si predstavljajte, če bi bilo na njenih nogah dejansko več neodvisnih kačjih botov, ki bi se lahko ločili, izvajali naloge, kot so raziskovanje težko dostopnih območij in pridobivanje vzorca, nato pa se vrnili na večjo ploščad. Nato bi deponirali vzorce, prenesli podatke in se ponovno pritrdili. Nato bi se lahko celotno vozilo preselilo na drugo lokacijo, pri čemer so platformo nosili kačji botovi.
Če se to sliši kot znanstvena fantastika, kaj torej? Obožujemo znanstveno fantastiko.
Sončna moč: Sončnice v vesolju
Pretok energije iz sonca se razredči, da bi se sprožil v nadaljnjem okolju osončja. Medtem ko smo vedno bolj učinkoviti pri zbiranju sončne energije, biomimikrija ponuja obljubo 20-odstotnega zmanjšanja potrebnega prostora na sončni plošči, samo z oponašanjem sončnice.
Koncentrirane sončne rastline (CSP) so sestavljene iz niza zrcal, imenovanih heliostati, ki spremljajo sonce med vrtenjem Zemlje. Heliostati so razporejeni v koncentričnih krogih in ujamejo sončno svetlobo in jo odsevajo proti osrednjemu stolpu, kjer se toplota pretvori v električno energijo.
Ko so raziskovalci na MIT podrobneje preučili CSP, so odkrili, da je vsak heliostat del časa preživel v senci, zaradi česar so manj učinkoviti. Ko so z reševanjem težave sodelovali z računalniškimi modeli, so opazili, da so možne rešitve podobne spiralnim vzorcem, ki jih najdemo v naravi. Od tam so navdih pogledali v sončnico.
Sončnica ni ena sama roža. To je zbirka majhnih cvetov, imenovanih florets, podobno kot posamezna ogledala v CSP. Te cvetlice so razporejene v spiralnem vzorcu, pri čemer je vsaka floreta usmerjena na 137 stopinj drug proti drugemu. Temu pravimo „zlati kot“, in ko so cvetovi razporejeni tako, tvorijo niz medsebojno povezanih spiral, ki ustrezajo Fibonaccijevemu zaporedju. Raziskovalci MIT pravijo, da bo organiziranje posameznih ogledal na CSP zmanjšalo prostor, potreben za 20%.
Ker še vedno dajemo v vesolje vse, kar potrebujemo za raziskovanje vesolja s tem, da ga zemeljska gravitacija dobro pripne na ogromne, drage rakete, je 20-odstotno zmanjšanje prostora za isto količino zbrane sončne energije bistveno izboljšanje.
Ekstremofili in biomimikrija
Ekstremofili so organizmi, prilagojeni uspevanju v ekstremnih okoljskih razmerah. Od leta 2013 je bilo ugotovljenih 865 ekstremofilnih mikroorganizmov. Njihovo priznanje je dalo novo upanje za iskanje življenja v ekstremnih okoljih na drugih svetovih. Toda bolj kot to nam lahko posnemanje ekstremofilov pomaga pri raziskovanju teh okolij.
Strogo gledano, Tardigradi niso ravno ekstremofili, saj čeprav lahko preživijo skrajnosti, niso prilagojeni, da bi uspevali v njih. Vendar njihova sposobnost, da prenesejo okoljske skrajnosti, pomeni, da nas lahko veliko naučijo. Obstaja približno 1150 vrst Tardigradov in imajo možnost preživetja v pogojih, ki bi ubili človeka, in bi hitro poslabšali delovanje vseh robotskih sond, ki jih lahko pošljemo v ekstremna okolja.
Tardigrade so pravzaprav drobne, vodne osemkrake mikro živali. Lahko prenesejo temperature od nekaj nad absolutno ničlo do dobro vrelišče vode. Preživijo lahko pritiske, ki so približno šestkrat večji od pritiska na dnu najglobljih oceanskih jarkov na Zemlji. Tardigradi lahko minejo tudi deset let brez hrane ali vode in se lahko izsušijo na manj kot 3% vode.
V bistvu so super drobni super junaki Zemlje.
Kar zadeva raziskovanje vesolja, pa nas najbolj zanima njihova sposobnost, da zdržijo ionizirajoče sevanje tisočkrat večjo, kot lahko zdržijo ljudje. Tardigrade se imenujejo najtežja bitja v naravi in preprosto je razbrati zakaj.
Verjetno si je v sferi znanstvene fantastike predstavljati prihodnost, v kateri so ljudje gensko zasnovani s tardigradnimi geni, da lahko vzdržijo sevanje na druge svetove. Če pa bomo preživeli dovolj dolgo, ne bo dvoma, da si bomo izposodili gene iz drugega kopenskega življenja, da nam bodo pomagali pri širjenju v druge svetove. To je samo logično. Toda to je daleč, tardigradni mehanizmi preživetja pa se bodo lahko začeli izvajati veliko prej.
Svetovi, kot je Zemlja, imajo srečo, da jih je zajela magnetosfera, ki ščiti biosfero pred sevanjem. Toda številni svetovi in vse lune drugih planetov v našem osončju - razen Ganymeda - nimajo magnetosfere. Mars sam je popolnoma nezaščiten. Prisotnost sevanja v vesolju in v svetovih brez zaščitne magnetosfere ne samo da ubija živa bitja, ampak lahko vpliva na elektronske naprave s poslabšanjem njihovega delovanja, skrajšajo življenjsko dobo ali povzročijo popolno okvaro.
Nekateri instrumenti na sondi Juno, ki je trenutno na poti proti Jupiterju, naj ne bi preživeli v času misije zaradi izjemnega sevanja okoli velikanskega plinskega planeta. Sami sončni paneli, ki morajo biti izpostavljeni soncu, da bi lahko delovali, so še posebej dovzetni za ionizirajoče sevanje, ki sčasoma zmoti njihovo delovanje. Zaščita elektronike pred ionizirajočim sevanjem je bistven del zasnove vesoljskih plovil in sonde.
Običajno je občutljiva elektronika v vesoljskih plovilih in sondah zaščitena z aluminijem, bakrom ali drugimi materiali. Sonda Juno uporablja inovativen titanijev trezor za zaščito svoje najbolj občutljive elektronike. To doda veliko in težo sondi in še vedno ne bo nudilo popolne zaščite. Tardigradi imajo še kakšen način zaščite, ki je verjetno bolj eleganten od tega. Prehitro je točno povedati, kako to počnejo tardigradi, če pa ščitenje pigmentacije s tem ima nekaj opraviti, in to lahko ugotovimo, bo posnemanje Tardigrades spremenilo način načrtovanja vesoljskih plovil in sond ter podaljšalo njihovo življenjsko dobo v ekstremnih sevalnih okoljih.
Kako je s tem? Ali bodo naše prihodnje raziskovalne misije vključevale kačje bote, ki se lahko samostojno sestavijo v dolge verige in raziskujejo težko dostopna območja? Ali bomo sprostili roje MAV-jev, ki delajo skupaj, ki sodelujejo pri ustvarjanju podrobnih zemljevidov ali raziskav? Ali bodo naše sonde sposobne raziskovati ekstremna okolja veliko dlje časa, zahvaljujoč Tardigradski zaščiti pred sevanjem? Ali bodo naše prve baze na Luni ali v drugih svetovih poganjale sončne sončne rastline, ki jih zgleduje sončnica?
Če je bil Leonardo DaVinci tako pameten, kot mislim, da je, potem je odgovor na vsa ta vprašanja pritrdilen.
