"Ne, joita inspiroi muu malli kuin luonto, emäntä ennen kaikkea mestareita, työskentelee turhaan.”
-Leonardo da Vinci
Se mitä DaVinci puhui, vaikka sitä ei tuolloinkaan kutsuttu, oli biomimikriikka. Jos hän olisi elossa tänään, ei ole epäilystäkään siitä, että herra DaVinci olisi suuri biomimikrian kannattaja.
Luonto on kiehtovampaa, kun syvemmälle sitä tutkitaan. Kun tarkastelemme syvästi luontoa, olemme tekemisissä yli 3 miljardin vuoden vanhan laboratorion kanssa, jossa ratkaisut ongelmiin on otettu käyttöön, testattu ja tarkistettu evoluution aikana. Siksi biomimikriikka on niin tyylikäs: Maapallolla luonnolla on ollut yli 3 miljardia vuotta ongelmien ratkaisemiseksi, samoja ongelmia, jotka meidän on ratkaistava edetäksesi avaruuden etsinnässä.
Mitä voimakkaampi tekniikkamme saa, sitä syvemmälle voimme nähdä luontoon. Kun yksityiskohdat paljastetaan, tyydyttävämpiä ratkaisuja tekniikan ongelmiin esiintyy. Tiedemiehet, jotka etsivät luonnosta ratkaisuja tekniikan ja suunnittelun ongelmiin, nauttivat palkinnoista ja etenevät useilla avaruuden tutkimukseen liittyvillä alueilla.
Lepatussiipiset mikroilma-ajoneuvot (MAV)
MAV: t ovat pieniä, yleensä enintään 15 cm pitkiä ja 100 grammaa painoisia. MAV: t eivät ole vain pieniä, vaan myös hiljaisia. Kemiallisilla tuuskeilla, kameroilla tai muilla laitteilla varustettuna niitä voidaan käyttää rajoitettujen tilojen tutkimiseen, jotka ovat liian pieniä ihmisille pääsyä varten, tai minkä kokoisten alueiden salaperäiseen tutkimiseen. Maankäyttöön voisivat kuulua panttivankitilanteet, Fukushiman kaltaisten teollisuusonnettomuuksien arviointi tai armeijan käyttö. Mutta kiehtovin on heidän potentiaalinen käyttö muissa maailmoissa, joita on vielä tutkittava.
MAV: t ovat ilmestyneet tieteiskirjallisuuteen ja elokuviin vuosien varrella. Ajattele Duneen metsästäjähakijoita tai Prometheuksen koettimia, joita käytettiin kammion kartoittamiseen ihmisten edessä. Nämä mallit ovat edistyneempiä kuin mikään tällä hetkellä valmisteltavana oleva, mutta leikkuulaitaisia MAV-laitteita tutkitaan ja suunnitellaan juuri nyt, ja ne ovat tulevaisuuden edistyneempien mallien edeltäjiä.
Nopeat kamerat ovat kannustaneet kehäilevien siipien MAV-laitteiden kehittämiseen. Nopeiden kameroiden yksityiskohtaisten kuvien ansiosta tutkijat voivat tutkia lintujen ja hyönteisten lentoa erittäin yksityiskohtaisesti. Ja kuten käy ilmi, siipi-siipilento on paljon monimutkaisempi kuin alun perin ajateltiin. Mutta se on myös paljon monipuolisempi ja kestävämpi. Tämä selittää sen pysyvyyden luonnossa ja monipuolisuuden MAV-suunnittelussa. Tässä on video nopeasta kamerasta, joka vangitsee mehiläisiä lennon aikana.
Delft Teknillisen korkeakoulun DelFly Explorer on yksi kiehtova malli räpyttelevästä MAV: sta. Sen pieni ja kevyt stereovisiojärjestelmä mahdollistaa esteiden välttämisen ja korkeuden ylläpitämisen yksinään.
Leveäsiipiset MAV: t eivät vaadi kiitotietä. Niiden etuna on myös se, että ne voivat istua pienissä tiloissa energian säästämiseksi. Ja heillä on mahdollisuus olla hyvin hiljainen. Tässä videossa näkyy lentävä siipi-ajoneuvo, jota Airvironment kehittää.
Lepäsiipiset MAV: t ovat erittäin hallittavissa. Koska ne aiheuttavat nostamisensa siipien liikkeestä mieluummin kuin eteenpäin, ne voivat matkustaa hyvin hitaasti ja jopa leijua. Ne voivat jopa toipua törmäyksistä esteiden kanssa tavalla, jota kiinteät siivet tai pyörivät siivet MAV eivät pysty. Kun kiinteäsiipinen ajoneuvo törmää johonkin, se menettää nopeuden ja hissin. Kun pyörivä siipi ajoneuvo törmää johonkin, se menettää roottorin nopeuden ja nostamisen.
Pienen koon takia siipi-siipiset MAV-laitteet ovat todennäköisesti halpoja tuottaa. He eivät koskaan pysty kantamaan hyötykuormaa, jonka suurempi ajoneuvo voi, mutta heillä on rooli tutkia muita maailmoja.
Robottikoettimet ovat tehneet kaiken tutkimuksen meille muissa maailmoissa, paljon halvemmalla kustannuksella kuin ihmisten lähettäminen. Vaikka siipien siipien MAV-koneet suunnitellaan tällä hetkellä maanpäällisen suorituskyvyn ajatellen, se on tarpeeksi helppo harppaus muihin maailmoihin ja muihin olosuhteisiin suuntautuviin suunnitelmiin. Kuvittele pieni lentäväsiipiset ajoneuvokanta, joka on suunniteltu ohuempaan ilmakehään ja heikompaan painovoimaan ja joka vapautetaan luolien tai muiden vaikeasti tavoitettavien alueiden kartoittamiseen, veden tai mineraalien tai muiden ominaisuuksien kartoittamiseen.
Muurahaiskoloniat ja kollektiiviset järjestelmät
Muurahaiset näyttävät mielettömiltä, kun tarkastellaan heitä erikseen. Mutta he tekevät mahtavia asioita yhdessä. He eivät vain rakenna monimutkaisia ja tehokkaita siirtomaita, vaan käyttävät vartaloaan myös kelluvien siltojen ja keski-ilmaan ripustettujen siltojen rakentamiseen. Tätä käyttäytymistä kutsutaan itsekokoonpanoksi.
Muurahaiskologeilla ja muurahaiskäyttäytymisellä on paljon opittavaa meille. Ant Colony Optimization -nimellä on koko tutkimusalue, jolla on vaikutuksia piireihin ja järjestelmiin, viestintään, laskennalliseen älykkyyteen, ohjausjärjestelmiin ja teollisuuselektroniikkaan.
Tässä on video Weaver-muurahaisista rakentamassa siltaa kahden ripustetun sauvan välisen raon katkaisemiseksi. Kestää heillä jonkin aikaa saada se. Katso, voitko katsella hurraamatta heitä.
Ant-pesäkkeet ovat yksi esimerkki ns. Kollektiivisista järjestelmistä. Muita esimerkkejä luonnossa olevista kollektiivisista järjestelmistä ovat mehiläis- ja ampiaispesät, termiitimäet ja jopa kalakoulut. Seuraavan videon robotit on suunniteltu jäljittelemään luonnollisia kollektiivisia järjestelmiä. Nämä robotit pystyvät tekemään hyvin vähän yksin ja ovat alttiita virheille, mutta yhdessä toimiessaan ne pystyvät itse kokoontumaan monimutkaisiksi muotoiksi.
Itse kokoontuvat järjestelmät voivat olla paremmin mukautuvia muuttuviin olosuhteisiin. Kun on kyse muiden maailmojen tutkimisesta, robotit, jotka voivat itse koota, kykenevät reagoimaan odottamattomiin muutoksiin ympäristössään ja muiden maailmojen ympäristöissä. Vaikuttaa varmalta, että kollektiivisten järjestelmien itsekokoonpano antaa tuleville robotti-tutkijoillemme mahdollisuuden kulkea ympäristöissä ja selviytyä tilanteista, joita emme voi suunnitella heille etukäteen. Näillä roboteilla ei ole vain tekoälyä ajatellakseen läpi ongelmiaan, vaan ne voivat myös itse koota itsensä eri tavoilla esteiden poistamiseksi.
Eläimille mallinnetut robotit
Marsin tutkiminen robottikoneilla on hämmästyttävä saavutus. Minulla oli vilunväristyksiä juoksemassa selkärangastaan, kun Curiosity laskeutui Marsille. Mutta nykyiset roverimme näyttävät haurasilta ja haurailta, ja niiden liikkumisen hitaasti ja kömpelösti Marsin pinnan ympäri saa sinut ihmettelemään, kuinka parempia ne voisivat olla tulevaisuudessa. Käyttämällä biomimicryä robottivaunujen mallinnukseen eläimillä, meidän pitäisi pystyä rakentamaan paljon parempia rovereita kuin meillä tällä hetkellä on.
Pyörät ovat yksi ihmiskunnan varhaisimmista ja parhaista tekniikoista. Tarvitsemmeko edes pyöriä Marsilla? Pyörät jumittuvat, eivät pysty ohittamaan äkillisiä korkeuden muutoksia, ja niillä on muita ongelmia. Luonnossa ei ole pyöriä.
Käärmeillä on oma ainutlaatuinen ratkaisu liikkumisongelmaan. Heidän kykynsä liikkua maan yli, esteiden yli ja yli, puristua tiukoissa paikoissa ja jopa uida tekevät heistä erittäin tehokkaita saalistajia. Ja en ole koskaan nähnyt käärmettä, jolla on rikki rengas tai rikkoutunut akseli. Voisiko tulevaisuuden rovers olla mallinnettu maanpäällisille käärmeille?
Tämä robotti liikkuu lattian poikki samalla tavalla kuin käärmeet.
Tässä on toinen käärmeisiin perustuva robotti, jolla on lisäominaisuus olla kotona vedessä. Tämä näyttää siltä, että se nauttii itsestään.
Tämä robotti ei perustu pelkästään käärmeisiin, vaan myös piikkimatoihin ja hyönteisiin. Siinä on jopa itsekokoonpanon elementtejä. Pyörät pitäisivät sitä vain. Jotkut segmentit pystyivät varmasti pitämään antureita, ja se voisi jopa hakea näytteitä analysointia varten. Katso kun se kokoontuu itsensä voittamaan esteet.
Se on tarpeeksi helppo ajatella käärmeroottien monikäyttöä. Kuvittele suurempi alusta, samanlainen kuin MSL Curiosity. Kuvittele nyt, jos sen jalat olisivat tosiasiassa useita riippumattomia käärmebotteja, jotka voisivat irrottua itsestään, suorittaa tehtäviä, kuten tutkia vaikeapääsyisiä alueita ja hakea näytettä, palaavan sitten suuremmalle alustalle. Sitten he tallettavat näytteitä, lataavat tietoja ja kiinnittävät itsensä uudelleen. Sitten koko ajoneuvo voisi siirtyä toiseen paikkaan käärmeroottien kantamalla lavaa.
Jos tämä kuulostaa tieteiskirjallisuudelta, niin mitä? Rakastamme tieteiskirjallisuutta.
Aurinkoenergia: Auringonkukkia avaruudessa
Auringosta peräisin oleva energian virtaus laimennetaan kauemmaksi kauempana olevasta aurinkokunnan järjestelmästä. Samalla kun saamme entistä tehokkaammin keräämään auringon energiaa, biomimicry tarjoaa lupauksen vähentää tarvittavaa aurinkopaneelien tilaa 20 prosentilla pelkästään jäljittelemällä auringonkukkaa.
Keskittyneet aurinkokasvit (CSP) koostuvat joukosta peilejä, nimeltään heliostaatit, jotka seuraavat aurinkoa maan pyöriessä. Heliostaatit on järjestetty samankeskisiin ympyröihin, ja ne tarttuvat auringonvaloon ja heijastavat sitä kohti keskitornia, jossa lämpö muuttuu sähköksi.
Kun MIT: n tutkijat tutkivat CSP: tä yksityiskohtaisemmin, he huomasivat, että jokainen heliostaatti vietti osan ajasta varjostettuina, mikä teki niistä vähemmän tehokkaita. Kun he työskentelivät tietokonemallien kanssa ongelman ratkaisemiseksi, he huomasivat, että mahdolliset ratkaisut olivat samanlaisia kuin luonnossa löydetyt kierrekuviot. Sieltä he katsoivat inspiraatiota auringonkukasta.
Auringonkukka ei ole yksi kukka. Se on kokoelma pieniä kukkasia, nimeltään florets, aivan kuten CSP: n yksittäiset peilit. Nämä floretit on järjestetty kierrekuvioksi siten, että kukin floret on suunnattu 137 astetta toisiinsa. Tätä kutsutaan 'kultaiseksi kulmaksi', ja kun floretit on järjestetty näin, ne muodostavat joukon toisiinsa kytkettyjä spiraaleja, jotka sopivat Fibonacci-sekvenssiin. MIT: n tutkijoiden mukaan yksittäisten peilien järjestäminen samalla tavalla CSP: ssä vähentää tarvittavaa tilaa 20%.
Koska sijoitamme edelleen kaiken, mitä tarvitsemme avaruuden tutkimiseksi avaruuteen räjäyttämällä sen maapallon gravitaatiosta, joka on kiinnitetty hyvin valtaviin, kalliisiin raketteihin, 20%: n vähennys avaruudessa samalla kerätyllä aurinkoenergian määrällä on merkittävä parannus.
Extremofiilit ja biomimicry
Extremofiilit ovat organismeja, jotka ovat sopeutuneet menestymään äärimmäisissä ympäristöolosuhteissa. Vuodesta 2013 lähtien on tunnistettu 865 ekstremofiilistä mikro-organismia. Heidän tunnustamisensa ovat antaneet uutta toivoa löytää elämää äärimmäisissä ympäristöissä muissa maailmoissa. Mutta enemmän kuin ekstremofiilien matkiminen voi auttaa meitä tutkimaan näitä ympäristöjä.
Tarkkaan ottaen, tardigraadid eivät ole tarkalleen ekstremofiilejä, koska vaikka he selviävät äärimmäisyyksistä, niitä ei ole sopeutettu menestymään heissä. Kuitenkin heidän kykynsä kestää ympäristön ääripäät tarkoittaa, että heillä on paljon opetettavaa meille. Tardigradeja on noin 1150 lajia, ja heillä on kyky selviytyä olosuhteissa, jotka tappaisivat ihmisiä, ja heikentäisivät nopeasti kaikkien robotti-koettimien toimintaa, joita voimme lähettää äärimmäisiin ympäristöihin.
Tardigrades ovat todella pieniä, vesieliöitä, kahdeksanjalkaisia mikroeläimiä. Ne kestävät lämpötiloja absoluuttisen nollan yläpuolelta hyvin veden kiehumispisteen yli. Ne voivat selviytyä paineista, jotka ovat noin kuusi kertaa suuremmat kuin paine maapallon syvimpien valtamerten kohokuvien pohjassa. Tardigrades voi myös mennä kymmenen vuotta ilman ruokaa tai vettä, ja voi kuivua alle 3% veteen.
He ovat pohjimmiltaan maapallon super-pieniä supersankaria.
Mutta mitä avaruustutkimukseen menee, kiinnostaa meitä eniten heidän kykynsä kestää ionisoivaa säteilyä tuhansia kertoja korkeammalle kuin ihmiset voivat kestää. Tardigradeja kutsutaan luonnon kovimmiksi olentoiksi, ja on helppo nähdä miksi.
Luultavasti tieteiskirjallisuuden piirissä on kuvitella tulevaisuus, jossa ihmiset suunnitellaan geneettisesti tardigrade-geeneillä kestämään säteilyä muissa maailmoissa. Mutta jos selviämme tarpeeksi kauan, mielestäni ei ole epäilystäkään siitä, että lainaamme geenejä muusta maanpäällisestä elämästä auttaaksemme meitä laajentumaan muihin maailmoihin. Se on vain loogista. Mutta se on kaukana, ja tardigrade-selviytymismekanismit saattavat tulla peliin paljon nopeammin.
Maan kaltaiset maailmat onneksi peitetään magnetosfäärin avulla, joka suojaa biosfääriä säteilyltä. Mutta monista maailmoista ja kaikista aurinkokunnan planeettamme muista kuuista - paitsi Ganymede - puuttuu magnetosfääri. Itse Mars on täysin suojaamaton. Säteilyn läsnäolo avaruudessa ja maailmoissa, joissa ei ole suojaavaa magnetosfääriä, ei vain tappaa eläviä esineitä, vaan se voi myös vaikuttaa elektronisiin laitteisiin heikentämällä niiden suorituskykyä, lyhentämällä niiden käyttöikää tai aiheuttaen täydellisen vian.
Joidenkin tällä hetkellä Jupiteriin matkalla olevan Juno-koettimen instrumenttien ei odoteta säilyvän operaation ajan, koska jättiläinen kaasuplaneetta ympäröi äärimmäistä säteilyä. Itse aurinkopaneelit, jotka täytyy olla alttiina auringolle toiminnan kannalta, ovat erityisen alttiita ionisoivalle säteilylle, mikä heikentää niiden suorituskykyä ajan myötä. Elektroniikan suojaaminen ionisoivalta säteilyltä on olennainen osa avaruusaluksen ja koettimen suunnittelua.
Tyypillisesti avaruusalusten ja koettimien herkkä elektroniikka on suojattu alumiinilla, kuparilla tai muilla materiaaleilla. Juno-anturi käyttää innovatiivista titaaniholvia suojaamaan herkintä elektroniikkaansa. Tämä lisää mittapäähän massaa ja painoa, mutta ei silti tarjoa täydellistä suojaa. Tardigradeilla on jokin muu tapa suojata itseään, joka on luultavasti tyylikkämpi kuin tämä. On liian aikaista sanoa tarkalleen, kuinka tardigradeilla se tehdään, mutta jos pigmenttisuojauksella on jotain tekemistä sen kanssa ja voimme selvittää sen, Tardigradejen jäljitteleminen muuttaa tapaa suunnitella avaruusaluksia ja koettimia ja pidentää niiden elinkaaria äärimmäisissä säteilyympäristöissä.
Entäpä se? Sisältyvätkö tuleviin etsintämatkoihimme käärmerobotit, jotka voivat koota itsensä pitkiksi ketjuiksi vaikeasti tavoitettavien alueiden tutkimiseksi? Aiommeko päästää kiinni siipi-siipisten MAV-koneiden parvia, jotka työskentelevät yhdessä yksityiskohtaisten karttojen tai tutkimusten luomiseksi? Voivatko koettimet tutkia äärimmäisiä ympäristöjä paljon pidemmän aikaa Tardigraden kaltaisen säteilysuojauksen ansiosta? Voivatko auringonkukan inspiroidut keskittyneet aurinkokasvit saada aikaan ensimmäisiä tukikohtiemme kuussa tai muissa maailmoissa?
Jos Leonardo DaVinci oli yhtä fiksu kuin luulen olevansa, niin vastaus kaikkiin näihin kysymyksiin on kyllä.
