„Azokat, akiket nem a természet inspirál, mindenekelőtt az úrnő mesterek, hiába munkálkodnak.”
-Leonardo DaVinci
Amit DaVinci beszélt, bár akkoriban még nem hívták, az biomimikrikus volt. Ha életben lenne ma, nem kétséges, hogy DaVinci úr a biomimikrika nagy támogatója lenne.
A természet minél érdekesebb, minél mélyebben megvizsgálja. Amikor mélyen megvizsgáljuk a természetét, egy olyan laboratóriumba keveredünk, amely több mint 3 milliárd éve működik, ahol a problémák megoldásait megvalósították, tesztelték és felülvizsgálták az evolúció során. Ezért van a biomimika olyan elegáns: a Földön a természetnek több mint 3 milliárd éve volt a problémák megoldása, ugyanazok a problémák, amelyeket meg kell oldanunk az űrkutatás előrehaladása érdekében.
Minél erősebb technológiánk lesz, annál mélyebbre tudunk bejutni a természetbe. Amint a részletek részletesebben kiderülnek, a mérnöki problémák szokatlanabb megoldásai jelennek meg. Azok a tudósok, akik a természet iránt keresik a mérnöki és a tervezési problémák megoldásait, élvezik a jutalmat, és számos területen lépnek előre az űrkutatással kapcsolatban.
Lebegő szárnyú mikrolevegő-járművek (MAV-k)
A MAV-k kicsik, általában nem haladják meg a 15 cm-t és a súlya 100 gramm. A MAV nem csak kicsi, hanem csendes is. Felszerelve kémiai szippantókkal, kamerákkal vagy más eszközökkel, felhasználhatók az ember számára túl kicsi zárt terek felfedezésére, vagy bármilyen méretű terület lopakodó felfedezésére. A földi felhasználás tartalmazhat túszhelyzeteket, az ipari balesetek értékelését, mint például a Fukushima, vagy a katonai felhasználásokat. De a legérdekesebb azoknak a potenciális felhasználásuknak a felhasználása más világokban, amelyeket még fel kell fedezni.
A MAV-ok az évek során megjelentek a tudományos fantasztikus könyvekben és a filmekben. Gondolj a Dűnén található vadászkeresőkre vagy a Prometheusban található szondákra, amelyeket a kamra leképezésére használtak az emberek előtt. Ezek a tervek fejlettebbek, mint a jelenleg kidolgozott dolgok, de a szárnyas szárnyú MAV-okat jelenleg kutatják és tervezik, és a jövőben a fejlettebb minták előzményei.
A nagysebességű kamerák lendületes szárnyú MAV-ok fejlesztését ösztönzik. A nagysebességű kamerákból származó részletes képek lehetővé tették a kutatók számára, hogy a madarak és rovarok repülését nagyon részletesen tanulmányozzák. És amint kiderül, a szárnyas repülés sokkal bonyolultabb, mint gondolnánk. De sokkal sokoldalúbb és rugalmasabb is. Ez magyarázza a természetbeni kitartást és a MAV kialakításának sokoldalúságát. Itt van néhány videó egy nagysebességű kamerából, amely méheket rögzít repülés közben.
A Delft Műszaki Egyetemen működő DelFly Explorer az egyik érdekes formatervezés a szárnyas szárnyú MAV-hoz. Kicsi és könnyű sztereo látórendszere lehetővé teszi az akadályok elkerülését és a magasság megőrzését.
A szárnyas szárnyú MAV-okhoz nincs szükség kifutóra. Ezen felül az az előnye is, hogy kis helyekön is ültethetnek, hogy energiát takarítsanak meg. És lehetősége van nagyon csendesnek lenni. Ez a videó a szárnyas szárnyú járművet mutatja be, amelyet az Airvironment fejlesztett ki.
A szárnyas szárnyú MAV-ok nagyon manőverezhetők. Mivel az emelést a szárnymozgás, és nem az előrehaladás okozza, nagyon lassan tudnak mozogni, sőt még lebeghetnek is. Még az akadályokkal való ütközésből is felépülhetnek olyan módon, ahogyan a rögzített szárnyú vagy a forgószárnyú MAV-ok nem képesek. Amikor egy rögzített szárnyú jármű ütközik valamivel, elveszíti a légsebességet és a felvonót. Amikor egy forgószárnyú jármű ütközik valamivel, elveszíti forgórészének fordulatszámát és emelését.
Kis méretük miatt a szárnyas szárnyú MAV-ok valószínűleg olcsón előállíthatók. Soha nem lesznek képesek hordozni azt a hasznos teherbírást, amelyet egy nagyobb jármű képes elviselni, de más világok felfedezésében szerepet vállalnak.
A robotszondák az összes felfedezést más világon elvégezték, sokkal olcsóbban, mint az emberek küldése. Bár a szárnyas MAV-ok jelenleg a földfelszíni teljesítmény szem előtt tartásával készülnek, ez elég könnyű ugrás ettől a tervezéshez más világok és egyéb feltételek számára. Képzeljen el egy kicsi, szárnyas szárnyú járművet, amelyet vékonyabb atmoszférához és gyengébb gravitációhoz terveztek, és amelyet barlangok vagy más nehezen megközelíthető területek feltérképezésére, víz vagy ásványok megkeresésére vagy egyéb jellemzők feltérképezésére bocsátottak.
Hangya kolóniák és kollektív rendszerek
A hangyák tudatlannak tűnnek, ha önállóan ránézünk. De csodálatos dolgokat csinálnak együtt. Nemcsak bonyolult és hatékony kolóniákat építenek, hanem testüket úszó hidak és a levegőben felfüggesztett hidak építésére is használják. Ezt a viselkedést ön-összeállításnak nevezik.
A hangyatelepeknek és a hangya viselkedésének sok mindent meg kell tanítania. Az Ant Colony Optimization elnevezésű egész kutatási területnek van kihatása az áramkörökre és rendszerekre, a kommunikációra, a számítási intelligenciára, a vezérlőrendszerekre és az ipari elektronikára.
Itt egy videó, a Weaver hangyák híd építéséről, amely a két felfüggesztett pálca közötti rést áthidalja. Beletelik egy ideig, hogy megszerezzék. Nézze meg, nézhet-e anélkül, hogy felvidítaná őket.
A hangyatelepek az egyik példája az úgynevezett kollektív rendszereknek. A természetben levő kollektív rendszerek további példái a méh- és darazsak csalánkiütés, a termeszek és még a halak iskolái. A következő videó robotjait úgy tervezték, hogy utánozzák a természetes kollektív rendszereket. Ezek a robotok nagyon kevéset tudnak önmagukban csinálni, és hajlamosak a hibákra, de amikor együtt dolgoznak, képesek önmagukba összeállni összetett formákba.
Az önszerelő rendszerek jobban alkalmazkodnak a változó feltételekhez. Más világok felfedezésekor a robotok, amelyek önállóan összeállnak, képesek lesznek reagálni környezetük és más világok környezetének váratlan változásaira. Bizonyosnak tűnik, hogy a kollektív rendszerek által végzett öngyűjtés lehetővé teszi jövőbeli robotkutatóink számára, hogy átkerüljenek a környezetekbe és túléljenek olyan helyzetekben, amelyeket nem tudunk előre megtervezni. Ezeknek a robotoknak nem csak a mesterséges intelligenciája lesz a problémák átgondolására, hanem képesek lesznek különféle módon öngyűlni az akadályok leküzdésére.
Állatokra modellezett robotok
Meglepő eredmény a Mars felfedezése robotokkal. Amikor a Curiosity a Marsra szállt, hidegrázás folyt le a gerincemen. A jelenlegi roverjeink azonban törékenynek és törékenynek tűnnek, és miközben figyeli őket, ahogy lassan és ügyetlenül mozognak a Mars felszínén, arra gondol, vajon mennyire jobbak lehetnek a jövőben. Azáltal, hogy biomimikrikát alkalmazunk az állatok robotjainak modellezésére, sokkal jobb rovereket kell tudnunk építeni, mint jelenleg.
A kerekek az emberiség egyik legkorábbi és legnagyobb technológiája. De szükségünk van-e még kerekekre is a Marson? A kerekek elakadnak, nem tudnak áthidalni a hirtelen magassági változásokat, és más problémákkal is járhatnak. A természetben nincsenek kerekek.
A kígyóknak saját egyedi megoldásuk van a mozgás problémájára. Szárazföldön, az akadályokon át és felett mozogni, szoros helyeken átnyúlni és még úszni is nagyon hatékony ragadozókká teszik őket. És még soha nem láttam egy kígyót törött lettel vagy megsérült tengelygel. A jövő roverjeit földi kígyókkal lehet modellezni?
Ez a robot ugyanúgy mozog a földön, mint a kígyók.
Itt van egy másik robot, amely kígyókon alapul, azzal a további képességgel, hogy otthon lehet a vízben. Ez úgy néz ki, mintha élvezi.
Ez a robot nem csak kígyókra épül, hanem inchférgekre és rovarokra is. Még az önszerelés elemeivel is rendelkezik. A kerekek csak visszatartanák. Egyes szegmensek minden bizonnyal érzékelőket tartalmazhatnak, és akár mintákat is hozhatnak elemzésre. Vigyázz, amint újra összeáll az akadályok leküzdése érdekében.
Elég könnyű kígyóboták többféle felhasználására gondolni. Képzeljen el egy nagyobb platformot, hasonló az MSL Curiosity-hoz. Képzelje el, ha a lábai valójában több független kígyóbotból állnak, amelyek leválhatnak, végrehajthatnak olyan feladatokat, mint például a nehezen megközelíthető területek feltárása és a minta begyűjtése, majd visszatérés a nagyobb platformra. Ezután mintákat letétbe helyeznek, adatokat tölthetnek le és újracsatolhatják magukat. Ezután az egész jármű egy másik helyre mozoghatott, amikor a kígyóbotok hordozták a peronot.
Ha ez tudományos fantasztikusnak hangzik, akkor mi van? Szeretjük a tudományos fantasztikát.
Napenergia: Napraforgó az űrben
A Napból származó energia áramlása tovább csekély mértékűre hígul a Naprendszerben, ahova megyünk. Miközben továbbra is egyre hatékonyabban gyűjtjük a nap energiáját, a biomimika olyan ígéretet kínál, hogy 20% -kal csökkenti a szükséges napelemek helyét, csupán a napraforgó utánozása révén.
A koncentrált napraforgó növények tükrök sorozatából állnak, úgynevezett heliosztatikumok, amelyek nyomon követik a napot, amikor a Föld forog. A heliosztatikok koncentrikus körökben vannak elrendezve, amelyek elkapják a napfényt és tükrözik azt egy központi torony felé, ahol a hőt villamos energiává alakítják.
Amikor az MIT kutatói részletesebben megvizsgálták a CSP-ket, felfedezték, hogy mindegyik heliosztatikum az idő egy részét árnyékoltan töltötte, így kevésbé volt hatékony. Miközben számítógépes modellekkel dolgoztak a probléma megoldására, észrevették, hogy a lehetséges megoldások hasonlóak a természetben található spirálmintákhoz. Innentől inspirációt kerestek a napraforgóra.
A napraforgó nem egyetlen virág. Ez egy kis virág gyűjteménye, amelyet florelnek hívnak, hasonlóan a CSP egyes tükröinek. Ezeket a virágcsöveket spirális alakban rendezzük el, mindegyik virágcserép egymással 137 fokos helyzetben van. Ezt nevezzük „arany szögnek”, és amikor a floretek így vannak elrendezve, összekapcsolt spirálok sorozatát képezik, amely megfelel a Fibonacci szekvenciának. A MIT kutatói szerint az egyes tükrök hasonló módon történő elrendezése a CSP-ben 20% -kal csökkenti a szükséges helyet.
Mivel még mindig mindent megteszünk az űrkutatáshoz az űrben azzal, hogy robbantjuk azt a Föld gravitációjából, és jól megkötjük egy hatalmas, drága rakéta számára, a hely 20% -kal történő csökkentése ugyanolyan összegyűjtött napenergia mennyiségének jelentős javulást jelent.
Extremophiles és biomimicry
Az extrémofilek olyan szervezetek, amelyek alkalmazkodnak szélsőséges környezeti feltételekhez. 2013-tól 865 extrémofil mikroorganizmust azonosítottak. Elismerésük új reményt adott arra, hogy szélsőséges környezetekben éljenek más világokon is. De ennél is inkább az extrémofilek utánozása segíthet nekünk ezen környezet felfedezésében.
Szigorúan véve, a tardigrádok nem pontosan extrémofilok, mert bár képesek túlélni a szélsőségeket, nem képesek alkalmazkodni bennük való virágzáshoz. Azonban, hogy képesek ellenállni a környezeti szélsőségeknek, azt jelenti, hogy sokat tanítanak nekünk. Körülbelül 1150 fajta Tardigrádból áll, és képesek életben maradni olyan körülmények között, amelyek megölnék az embereket, és gyorsan rontanák minden olyan robotszonda működését, amelyet szélsőséges környezetekbe küldhetünk.
A tardigrádok valójában apró, vízi, nyolclábú mikroállatok. Ellenállnak az abszolút nulla feletti hőmérséklettől egészen a víz forráspontja fölé. Nagyon hatszor nagyobb nyomást tudnak túlélni, mint a Föld legmélyebb óceáni árokjainak alján. A tardigrádok tíz évig is mehetnek étkezés vagy víz nélkül, és 3% -nál kevesebb vízig kiszáradhatnak.
Alapvetően ők a Föld szuper-apró hősei.
De amennyire az űrkutatás megy, akkor az érdekli minket, hogy képesek az ionizáló sugárzásra több ezer-szer magasabbnak ellenállni, mint az emberek. A tardigrádokat a természet legkeményebb lényeinek nevezik, és könnyű belátni, hogy miért.
Valószínűleg a tudományos fantasztika birodalmában elképzelni egy olyan jövőt, ahol az embereket tardigrád génekkel géntechnológiával tervezték, hogy ellenálljanak más világok sugárzásának. De ha elég hosszú ideig élünk túl, akkor nincs kétségeim abban, hogy más földi életből származó géneket kölcsön fogunk kölcsönözni, hogy más világokba is kiterjedhessünk. Ez csak logikus. De ez még messze van, és a tardigrade túlélési mechanizmusok sokkal hamarabb játszhatnak játékot.
A Földhez hasonló világoknak szerencséjük, hogy egy magnetoszféra leborítja, amely megvédi a bioszférát a sugárzástól. De sok világnak és a Naprendszerünk többi bolygójának minden holdjával - a Ganymede kivételével - hiányzik a magnetoszféra. Maga a Mars teljesen védetlen. A sugárzás jelenléte az űrben és a védő magnetoszféra nélküli világokon nem csak az élő anyagokat megöli, hanem az elektronikus eszközöket is befolyásolhatja, csökkentve azok teljesítményét, lerövidítve élettartamukat, vagy teljes meghibásodást okozva.
A jelenleg a Jupiterhez vezető úton lévő Juno szonda néhány eszközének várhatóan nem marad életben a misszió ideje alatt, az óriási gázbolygó körül zajló extrém sugárzás miatt. Maguk a napelemek, amelyeket a működéshez napfénynek kell kitenniük, különösen érzékenyek az ionizáló sugárzásra, amely idővel rontja teljesítményüket. Az elektronika ionizáló sugárzás elleni védelme alapvető része az űrhajók és a szonda tervezésének.
Az űrhajók és a szondák érzékeny elektronikáját általában alumínium, réz vagy más anyagok árnyékolják. A Juno szonda innovatív titán boltozatot alkalmaz a legérzékenyebb elektronikájának védelme érdekében. Ez növeli a szonda tömegét és súlyát, és még mindig nem nyújt teljes védelmet. A Tardigrádok más módon is megvédik magukat, ami valószínűleg elegánsabb ennél. Túl korai lenne pontosan megmondani, hogy a tardigrádok hogyan csinálják, de ha a pigmentáció-árnyékolásnak van valami köze ehhez, és mi kitalálhatjuk, a Tardigrádok utánozása megváltoztatja az űrhajók és a szonda tervezésének módját, és meghosszabbítja élettartamukat extrém sugárzási környezetben.
Szóval mi lenne? A jövőbeni feltárási misszióinkba olyan kígyóbotok kerülnek bele, amelyek hosszan láncokká alakulhatnak össze, hogy felfedezzék a nehezen elérhető területeket? Felszabadítanánk a szárnyas szárnyú MAV-okat, amelyek együtt dolgoznak részletes térképek vagy felmérések készítésén? Szondáink képesek-e sokkal hosszabb ideig felfedezni a szélsőséges környezeteket, a Tardigrade-szerű sugárzás elleni védelemnek köszönhetően? A Holdon vagy más világokon található első bázisjainkat napraforgó ihlette koncentrált napfény növények hajtják-e meg?
Ha Leonardo DaVinci olyan okos volt, mint gondolom, akkor a válasz ezekre a kérdésekre igen.
