„Они који су инспирисани другим моделом осим Природе, љубавнице изнад свих мајстора, узалуд се труде.”
-Леонардо да Винчи
Оно о чему је ДаВинци говорио, иако га тада нису звали, била је биомимикрија. Да ли је данас био жив, нема сумње да би господин ДаВинци био велики поборник биомимикрије.
Природа је фасцинантнија што дубље уђете у њу. Када погледамо дубоко у природу, завиримо у лабораторију која је стара више од 3 милијарде година, где су решења проблема примењена, тестирана и ревидирана током еволуције. То је разлог зашто је биомимикрија тако елегантна: на Земљи је природа имала више од 3 милијарде година да реши проблеме, исте врсте проблема које морамо решити да бисмо напредовали у истраживању свемира.
Што је наша технологија снажнија, дубље је можемо угледати у природу. Како се откривају већи детаљи, представља се више заносних решења инжењерских проблема. Научници који траже природу за решења инжењерских и дизајнерских проблема жете награде и напредују у неколико области везаних за истраживање свемира.
Микро ваздушна возила која се крију у крило (МАВс)
МАВ су мале, обично не веће од 15 цм и масе 100 грама. МАВ-ове нису само мале, оне су тихе. Опремљени хемијским њушкама, камерама или другом опремом, они би се могли користити за истраживање затворених простора премалијих за приступ људи или за круто истраживање подручја било које величине. Земаљска употреба може укључивати ситуације талаца, процену индустријских несрећа попут Фукушиме или војне намене. Али то је њихова потенцијална употреба на другим светима које треба истражити, а који су најфасцинантнији.
МАВ-и су се током година појављивали у књигама и филмовима научне фантастике. Помислите на трагаче ловаца у Дуни или на сонде у Прометеју које су кориштене за мапирање одаја испред људи. Ти дизајни су напреднији од свега на чему се тренутно ради, али тренутно се истражују и дизајнирају МАВ-ови који се крећу и који су претеча напреднијих дизајна у будућности.
Камере велике брзине подстакле су развој МАВ-ова који лепршају. Детаљне слике камера велике брзине омогућиле су истраживачима да детаљно проучавају лет птица и инсеката. И као што се испоставило, лет у крило је много сложенији него што се у почетку мислило. Али такође је много свестранији и отпорнији. То објашњава његову упорност у природи и свестраност у МАВ дизајну. Ево једног видеа са камере велике брзине која заробљава пчеле у лету.
ДелФли Екплорер са Технолошког универзитета Делфт је интригантан дизајн МАВ-а који има закрилца. Његов мали и лагани систем стерео вида омогућава му да избегне препреке и одржи саму висину.
МАВ-има који крију уз крила не захтевају се писте. Такође имају предност што могу да се ускачу на мале просторе ради уштеде енергије. И имају потенцијал да буду веома тихи. Овај видео приказује возило са закрилним крилом које је развила компанија Аирвиронмент.
МАВ-ови са закрилним крилима врло су управљиви. Пошто генерирају своје подизање из кретања крила, пре него од кретања према напријед, могу путовати веома споро, па чак и лебдећи. Они се чак могу опоравити од судара са препрекама на начин на који МАВ фиксно крило или окретно крило не могу. Када се возило са фиксним крилима судари са нечим, губи брзину ваздуха и подиже се. Када се возило с ротирајућим крилима судари са нечим, губи брзину и ротирање ротора.
Због њихове мале величине, МАВ-ови који се крећу крилом вероватно ће бити јефтини за производњу. Никада неће моћи пренијети оптерећење које веће возило може, али имат ће своју улогу у истраживању других свјетова.
Роботске сонде су урадиле све истраживање за нас на другим светима, по много јефтинијим ценама од слања људи. Иако се крила МАВ-а која лепршају тренутно дизајнирају с обзиром на земаљске перформансе, то је довољно лак скок од тога до дизајна за друге светове и друге услове. Замислите малу флоту возила с крилима која су направљена за тању атмосферу и слабију гравитацију, а која се пушта да пресликава пећине или друга тешко доступна подручја, да лоцира воду или минерале или да мапира друге карактеристике.
Ант колоније и колективни системи
Мрави изгледају бесмислено када их посматрате појединачно. Али заједно раде невероватне ствари. Не само да граде замршене и ефикасне колоније, већ користе своја тела за изградњу плутајућих мостова и мостова окачених у ваздуху. Ово се понашање назива само-склапање.
Колоније мрава и понашање мрава нас много уче. Постоји читаво поље истраживања под називом Ант Цолони Оптимизатион које има импликације на склопове и системе, комуникације, рачунску интелигенцију, управљачке системе и индустријску електронику.
Ево видео снимка Мрави Веавер који граде мост да пробију јаз између два висећа штапа. Потребно им је мало времена да то добију. Погледајте да ли можете да гледате а да их не обраћате.
Мравље колоније су један пример онога што се назива колективним системима. Остали примери колективних система у природи су кошнице пчела и оси, термитни насипи, па чак и школе риба. Роботи у следећем видеу дизајнирани су тако да опонашају природне колективне системе. Ови роботи могу врло мало да раде сами и склони су грешкама, али када раде заједно, способни су да се самостално саставе у сложене облике.
Системи за само-склапање могу бити прилагодљивији променљивим условима. Када је у питању истраживање других светова, роботи који се могу самостално саставити моћи ће да одговоре на неочекиване промене у свом окружењу и у окружењима других светова. Изгледа сигурно да ће само-састављање путем колективних система омогућити нашим будућим роботским истраживачима да прелазе окружења и преживе преживе ситуације за које не можемо унапред да их дизајнирамо. Ови роботи не само да ће имати вештачку интелигенцију како би промишљали свој пут кроз проблеме, већ ће моћи и да се самостално саставе на различите начине како би савладали препреке.
Роботи моделирани на животињама
Истраживање Марса роботским роверима је запањујуће достигнуће. Кад сам радознало слетио на Марс, имао сам зимице. Али наши тренутни ровери изгледају крхки и крхки, а гледајући их како се полако и неспретно крећу по површини Марса, запитате се колико би они могли бити бољи у будућности. Користећи биомимикрију за моделирање роботских ровера на животињама, требали бисмо бити у могућности да направимо много боље ровере него што то тренутно имамо.
Точкови су једна од најранијих и највећих технологија човечанства. Али да ли су нам још потребни точкови на Марсу? Точкови се заглаве, не могу да пређу нагле промене висине и имају друге проблеме. У природи нема точкова.
Змије имају своје јединствено решење проблема кретања. Њихова способност да се крећу копном, горе и преко препрека, провлаче се кроз уска места и чак пливају, чине их врло ефикасним грабежљивцима. Никада нисам видео змију са сломљеном пути или разбијену осовину. Могу ли се будући ровери моделирати на земаљским змијама?
Овај робот креће се по поду као што то раде змије.
Ево још једног робота заснованог на змијама, са додатном способношћу да буду код куће у води. Овај изгледа као да ужива.
Овај робот се не заснива само на змијама, већ и на глистама и инсектима. Чак има елементе само-склапања. Точкови би га само задржавали. Неки сегменти би сигурно могли да држе сензоре, а чак су могли и узети узорке за анализу. Гледајте како се поново саставља како би превазишао препреке.
Довољно је лако смислити вишеструку употребу роба змија. Замислите већу платформу, сличну МСЛ Цуриосити-у. Сада замислите да ли су његове ноге заправо неколико независних змија-ботова који би се могли одвојити од себе, обављати задатке попут истраживања тешко приступачних подручја и дохваћања узорка, а затим се вратити на већу платформу. Потом би депоновали узорке, преузели податке и поново се прикључили. Тада би се читаво возило могло преселити на другу локацију, с тим да су змијски чамци носили платформу.
Ако ово звучи као научна фантастика, па шта? Волимо научну фантастику.
Соларна снага: Сунцокрети у свемиру
Ток енергије од сунца се разблажава да би се превазишао даље поље у Сунчевом систему којим идемо. Док настављамо да постајемо све ефикаснији у прикупљању сунчеве енергије, биомимикрија нуди обећање 20-постотног смањења простора на соларној табли само опонашањем сунцокрета.
Концентроване соларне биљке (ЦСП) чине мноштво огледала, названих хелиостати, који прате сунце док се Земља окреће. Хелиостати су распоређени у концентричним круговима, а они хватају сунчеву светлост и одбијају је према централном торњу, где се топлота претвара у електричну енергију.
Када су истраживачи са МИТ-а детаљније проучавали ЦСП-ове, открили су да је сваки хелиостатски део времена провео у сенци, што их чини мање ефикасним. Док су радили са рачунарским моделима да би решили проблем, приметили су да су могућа решења слична спиралним узорцима који се налазе у природи. Одатле су инспирацију погледали у сунцокрет.
Сунцокрет није један цвет. То је колекција ситног цвећа званог флоретс, слично као појединачна огледала у ЦСП-у. Ови цветови су распоређени у спиралном обрасцу, а сваки је цвет био усмерен на 137 степени један према другом. То се назива „златни угао“, а када су цветови распоређени овако, они формирају низ међусобно повезаних спирала које су у складу са Фибонаццијевим низом. Истраживачи МИТ-а кажу да ће организовање појединачних огледала на исти начин у ЦСП-у смањити простор потребан за 20%.
Будући да још увек стављамо све што нам је потребно за истраживање свемира избацивањем Земљине гравитације, добро везане за огромне, скупе ракете, смањење простора за 20% за исту количину соларне енергије је значајно побољшање.
Екстремофили и биомимикрија
Екстремофили су организми прилагођени да успевају у екстремним условима окружења. Од 2013. године, идентификовано је 865 екстремофилних микроорганизама. Њихово препознавање дало је нову наду у проналазак живота у екстремним окружењима на другим световима. Али више од тога, опонашање екстремофила може нам помоћи да истражимо ова окружења.
Строго говорећи, Тардиграде нису баш екстремофили, јер иако могу преживети крајности, нису прилагођени да успевају у њима. Међутим, њихова способност да издрже екстремне околности значи да нас морају много научити. Постоји око 1150 врста Тардиграда, и они имају способност преживљавања у условима који би убили људска бића и брзо деградирали функционисање било које роботске сонде коју можемо послати у екстремна окружења.
Тардиграде су заправо сићушне, водене микро-животиње са осам ногу. Они могу издржати температуру од нешто више од апсолутне нуле до изнад тачке кључања. Они могу преживети притиске око шест пута веће од притиска на дну најдубљих океанских ровова на Земљи. Тардиграде такође могу проћи десет година без хране и воде, а могу исушити на мање од 3% воде.
Они су у основи супер ситни хероји Земље.
Али што се тиче истраживања свемира, то нас највише занима, то је њихова способност да издрже јонизујуће зрачење хиљадама пута већим него што то људи могу да издрже. Тардиграде се називају најтежим створењима природе и лако је схватити зашто.
Вероватно је у царству научне фантастике замислити будућност у којој су људи генетски конструисани тардиградним генима да би издржали радијацију на друге светове. Али ако преживимо довољно дуго, у мојој глави нема сумње да ћемо позајмити гене из другог земаљског живота који ће нам помоћи да се проширимо у друге светове. То је једино логично. Али то је дуг пут, а тардиградни механизми за преживљавање можда ће ускоро наступити.
Светови попут Земље имају срећу што су обгрљени магнетосфером која штити биосферу од зрачења. Али многим световима, као и свим месецима других планета у нашем Сунчевом систему - осим Ганимеда - недостаје магнетосфера. Сам Марс је потпуно незаштићен. Присуство зрачења у свемиру и на светима без заштитне магнетосфере не само да убија жива бића, већ може утицати на електронске уређаје деградирајући њихове перформансе, скраћујући им век трајања или проузрокујући потпуни неуспех.
Неки инструменти на сонди Јуно, која је тренутно на путу за Јупитер, не очекује се да ће преживети током мисије због екстремне радијације око џиновске планете гаса. Сами соларни панели, који морају бити изложени сунцу да би функционисали, посебно су подложни јонизујућем зрачењу, што временом умањује њихове перформансе. Заштита електронике од јонизујућег зрачења важан је део свемирског брода и сонде.
Обично је осетљива електроника свемирских летелица и сонди заштићена алуминијумом, бакром или другим материјалима. Сонда Јуно користи иновативни сита од титанијума да би заштитила најосетљивију електронику. То додаје масу и тежину сонди и још увек неће пружити потпуну заштиту. Тардигради имају неки други начин заштите који је вероватно елегантнији од овог. Прерано је тачно рећи како тардиградије то раде, али ако штит пигментације има неке везе са тим и то можемо схватити, опонашање Тардиграда ће променити начин на који дизајнирамо свемирске летелице и сонде и продужити њихов животни век у екстремним радијацијским окружењима.
Па како би било? Да ли ће наше будуће истраживачке мисије укључивати змијске ботове који се могу самостално саставити у дугачке ланце како би истражили тешко доступна подручја? Да ли ћемо ослободити ројеве криваца МАВ који заједно раде на стварању детаљних карата или анкета? Да ли ће наше сонде моћи да истражују екстремна окружења током много дужих временских периода, захваљујући Тардиградној заштити од зрачења? Да ли ће наше прве базе на месецу или другим светима бити под утицајем сунчевих биљака са концентрисаним соларним биљкама?
Ако је Леонардо ДаВинци био толико паметан колико мислим да јест, одговор на сва та питања је да.
