"De som er inspirert av en annen modell enn naturen, en elskerinne fremfor alle mestere, arbeider forgjeves.”
-Leonardo da Vinci
Det DaVinci snakket om, selv om det ikke ble kalt det den gangen, var biomimikk. Var han i live i dag, er det ingen tvil om at Mr. DaVinci ville være en stor talsmann for biomimikk.
Naturen er mer fascinerende jo dypere du ser på den. Når vi ser dypt inn i naturen, kikker vi inn i et laboratorium som er over 3 milliarder år gammelt, der løsninger på problemer er implementert, testet og revidert i løpet av evolusjonen. Det er grunnen til at biomimikk er så elegant: På jorden har naturen hatt mer enn 3 milliarder år på å løse problemer, de samme slags problemene vi må løse for å avansere i romutforskningen.
Jo kraftigere teknologien vår blir, jo dypere kan vi se i naturen. Etter hvert som større detalj blir avslørt, presenterer mer fristende løsninger på tekniske problemer seg. Forskere som ser på naturen etter løsninger på ingeniør- og designproblemer, høster gevinstene og gjør fremskritt på flere områder relatert til romutforskning.
Flapping-wing Micro Air Vehicles (MAVs)
MAV-er er små, vanligvis ikke større enn 15 cm i lengde og 100 gram i vekt. MAV-er er ikke bare små, de er stille. De er utstyrt med kjemiske sniffere, kameraer eller annet utstyr, og kan brukes til å utforske trange rom for lite for et menneske å få tilgang til, eller til stealthily å utforske områder av alle størrelser. Terrestrisk bruk kan omfatte gisselsituasjoner, vurdering av industriulykker som Fukushima eller militær bruk. Men det er deres potensielle bruk på andre verdener som ennå er blitt utforsket som er det mest fascinerende.
MAV-er har dukket opp i science fiction bøker og filmer opp gjennom årene. Tenk på jeger-søkerne i Dune, eller sonderne i Prometheus som ble brukt til å kartlegge kammeret foran menneskene. Disse designene er mer avanserte enn noe det nå jobbes med, men flaksvingede MAV-er blir undersøkt og designet akkurat nå, og er forløperne til mer avanserte design i fremtiden.
Høyhastighets-kameraer har ansporet utviklingen av flapsvingede MAV-er. De detaljerte bildene fra høyhastighets kameraer har gjort det mulig for forskere å studere fugl- og insektflyging i detalj. Og som det viser seg, er flapping-wing-flight mye mer komplisert enn først antatt. Men det er også mye mer allsidig og spenstig. Det forklarer dens utholdenhet i naturen og dens allsidighet i MAV-design. Her er noen videoer fra et høyhastighets kamera som fanger bier i flukten.
DelFly Explorer fra Delft teknologiske universitet er en spennende design av klaffvingen MAV. Det lille og lette stereosynssystemet gjør det mulig å unngå hindringer og opprettholde høyden på egen hånd.
Flaksvingede MAV-er krever ikke en rullebane. De har også fordelen av å kunne sitte på små mellomrom for å spare energi. Og de har potensial til å være veldig stille. Denne videoen viser et kjøretøy som klaffer med ving som er utviklet av Air Environment.
MAV-er med flapping-wing er svært manøvrerbare. Fordi de skaper løft fra vingebevegelse, heller enn fremover, kan de reise veldig sakte og til og med sveve. De kan til og med komme seg fra kollisjoner med hindringer på måter som faste vinger eller roterende vinger ikke kan. Når et fastvinget kjøretøy kolliderer med noe, mister det lufthastigheten og heisen. Når et roterende vingekjøretøy kolliderer med noe, mister det rotorhastigheten og løftet.
På grunn av den lille størrelsen er det sannsynligvis billig å produsere flappvingede MAV-er. De vil aldri kunne bære nyttelasten som et større kjøretøy kan, men de vil ha sin rolle i utforskningen av andre verdener.
Robotprober har gjort alt for å utforske oss på andre verdener, til en mye billigere pris enn å sende folk. Mens flaksende MAV-er for øyeblikket blir designet med bakken ytelse i tankene, er det et lett nok sprang fra det til design for andre verdener og andre forhold. Se for deg en liten flåte med kjøretøy som klaffer med vingene, designet for en tynnere atmosfære og svakere tyngdekraft, frigitt for å kartlegge huler eller andre vanskelig tilgjengelige områder, for å finne vann eller mineraler, eller for å kartlegge andre funksjoner.
Myrkolonier og kollektive systemer
Maur virker tankeløs når du ser på dem individuelt. Men de gjør fantastiske ting sammen. Ikke bare bygger de intrikate og effektive kolonier, de bruker også kroppene sine til å bygge flytende broer og broer hengt i luften. Denne oppførselen kalles selvsamling.
Myrkolonier og mauratferd har mye å lære oss. Det finnes et helt forskningsfelt som heter Ant Colony Optimization som har konsekvenser for kretsløp og systemer, kommunikasjon, beregningsintelligens, kontrollsystemer og industriell elektronikk.
Her er en video av Weaver-maur som bygger en bro for å spenne mellom gapet mellom to hengende pinner. Det tar dem en stund å få det. Se om du kan se uten å heie på dem.
Myrkolonier er et eksempel på det som kalles kollektive systemer. Andre eksempler på kollektive systemer i naturen er bie- og vepsebest, termitthauger og til og med fiskeskoler. Robotene i neste video er designet for å etterligne naturlige kollektive systemer. Disse robotene kan gjøre veldig lite alene, og er utsatt for feil, men når de jobber sammen, er de i stand til å samles selv i komplekse former.
Selvmonterende systemer kan være mer tilpasningsdyktige til skiftende forhold. Når det gjelder å utforske andre verdener, vil roboter som kan montere seg selv være i stand til å svare på uventede endringer i omgivelsene og i andre verdens miljøer. Det virker som om selvmontering av kollektive systemer vil tillate våre fremtidige robotutforskere å krysse miljøer og overleve situasjoner som vi ikke kan utforme dem spesielt på forhånd. Disse robotene vil ikke bare ha kunstig intelligens til å tenke seg gjennom problemer, men vil også kunne selvmontere seg på forskjellige måter for å overvinne hindringer.
Roboter modellert på dyr
Å utforske Mars med robotrover er en forbausende prestasjon. Jeg hadde frysninger løpende nedover ryggraden da Curiosity landet på Mars. Men våre nåværende rovere virker sprø og skrøpelige, og å se dem bevege seg sakte og klønete rundt overflaten på Mars får deg til å lure på hvor mye bedre de kunne bli i fremtiden. Ved å bruke biomimikk for å modellere robot-rover på dyr, bør vi kunne bygge mye bedre rovere enn vi har for tiden.
Hjul er et av menneskehetens tidligste og største teknologier. Men trenger vi til og med hjul på Mars? Hjul setter seg fast, kan ikke krysse brå høydeforandringer og ha andre problemer. Det er ingen hjul i naturen.
Slanger har sin egen unike løsning på problemet med bevegelse. Deres evne til å bevege seg over land, opp og over hindringer, presse seg gjennom trange steder og til og med svømme, gjør dem til svært effektive rovdyr. Og jeg har aldri sett en slange med en ødelagt la eller en bustet aksel. Kan fremtidige rovere modelleres på bakkeslanger?
Denne roboten beveger seg over gulvet på samme måte som slanger gjør.
Her er en annen robot basert på slanger, med den ekstra muligheten til å være hjemme i vannet. Denne ser ut som den koser seg.
Denne roboten er ikke bare basert på slanger, men også tommelorm og insekter. Den har til og med elementer av selvmontering. Hjul ville bare holde det tilbake. Noen segmenter kan sikkert inneholde sensorer, og det kan til og med hente prøver for analyse. Se mens det samler seg for å overvinne hindringer.
Det er enkelt å tenke på flere bruk av slangebots. Se for deg en større plattform, lik MSL Curiosity. Tenk deg om bena faktisk var flere uavhengige slangebots som kunne løsrive seg, utføre oppgaver som å utforske vanskelige tilgjengelige områder og hente prøve, og deretter returnere til den større plattformen. De ville deretter deponere prøver, laste ned data og legge ved igjen. Da kunne hele kjøretøyet bevege seg til et annet sted, med slangebotene som bar plattformen.
Hvis dette høres ut som science fiction, så hva? Vi elsker science fiction.
Solenergi: Solsikker i verdensrommet
Strømmen av energi fra solen blir fortynnet til en sildring lenger enn i solsystemet vi går. Selv om vi stadig blir mer effektive med å samle solens energi, tilbyr biomimikk løftet om en reduksjon på 20% av solcellepanelplassen som kreves, bare ved å etterligne solsikken.
Konsentrerte solcelleanlegg består av en rekke speil, kalt heliostater, som sporer solen når jorden roterer. Heliostatistikkene er arrangert i konsentriske sirkler, og de fanger sollys og reflekterer det mot et sentralt tårn, der varmen blir omgjort til strøm.
Da forskere ved MIT studerte CSPer mer detaljert, oppdaget de at hver av heliostatene brukte deler av tiden på skyggen, noe som gjorde dem mindre effektive. Da de jobbet med datamodeller for å løse problemet, la de merke til at mulige løsninger liknet spiralmønstre som finnes i naturen. Derfra så de på solsikken for å få inspirasjon.
Solsikke er ikke en eneste blomst. Det er en samling av små blomster som heter blomster, omtrent som individuelle speil i en CSP. Disse florettene er ordnet i et spiralmønster med hver floret orientert på 137 grader mot hverandre. Dette kalles ‘gylden vinkel’, og når blomstringene er ordnet slik, danner de en rekke sammenkoblede spiraler som samsvarer med Fibonacci-sekvensen. MIT-forskere sier at organisering av individuelle speil på samme måte i en CSP vil redusere plassen som trengs med 20%.
Siden vi fremdeles legger alt vi trenger for romutforskning i verdensrommet ved å sprenge det ut av jordens tyngdekraft godt festet til enorme, dyre raketter, er en reduksjon på 20% av plassen for den samme mengden solenergi som samles inn en betydelig forbedring.
Extremophiles og Biomimicry
Ekstremofile er organismer tilpasset til å trives under ekstreme miljøforhold. Fra 2013 har det blitt identifisert 865 ekstremofile mikroorganismer. Anerkjennelsen deres har gitt nytt håp om å finne liv i ekstreme miljøer på andre verdener. Men mer enn det, kan det å etterligne ekstremofile hjelpe oss med å utforske disse miljøene.
Strengt tatt er Tardigrades ikke akkurat ekstremofile, fordi selv om de kan overleve ekstremer, er de ikke tilpasset til å trives i dem. Men deres evne til å motstå ekstreme omgivelser betyr at de har mye å lære oss. Det er omtrent 1150 arter av Tardigrades, og de har evnen til å overleve i forhold som vil drepe mennesker, og vil raskt forringe funksjonen til eventuelle robotprober som vi kan sende til ekstreme miljøer.
Tardigrader er faktisk bittesmå, vannlevende, åttebeinte mikrodyr. De tåler temperaturer fra like over absolutt null til godt over vannets kokepunkt. De kan overleve trykk som er omtrent seks ganger større enn trykket i bunnen av de dypeste havgrøftene på jorden. Tardigrades kan også gå ti år uten mat eller vann, og kan tørke ut til under 3% vann.
De er i utgangspunktet jordens super-bittesmå superhelter.
Men så langt som romutforskningen går, er det deres evne til å motstå ioniserende stråling tusenvis av ganger høyere enn mennesker tåler, som interesserer oss mest. Tardigrades kalles naturens tøffeste skapninger, og det er lett å se hvorfor.
Det er sannsynligvis innen science fiction å forestille seg en fremtid der mennesker er genetisk konstruert med tardigradegener for å motstå stråling på andre verdener. Men hvis vi overlever lenge nok, er det ingen tvil i mine tanker om at vi vil låne gener fra andre jordlige liv for å hjelpe oss med å utvide til andre verdener. Det er bare logisk. Men det er langt unna, og tardigrade overlevelsesmekanismer kan komme til å spille mye raskere.
Verdener som Jorden er heldige som er innhyllet av en magnetosfære, som beskytter biosfæren mot stråling. Men mange verdener, og alle månene til de andre planetene i solsystemet vårt - annet enn Ganymede - mangler en magnetosfære. Mars selv er helt ubeskyttet. Tilstedeværelsen av stråling i rommet, og på verdener uten beskyttende magnetosfære, dreper ikke bare levende ting, men kan påvirke elektroniske enheter ved å forringe ytelsen, forkorte levetiden eller forårsake fullstendig feil.
Noen av instrumentene på Juno-sonden, som er på vei til Jupiter akkurat nå, forventes ikke å overleve i løpet av oppdraget på grunn av den ekstreme strålingen rundt den gigantiske gassplaneten. Solcellepaneler i seg selv, som må eksponeres for solen for å fungere, er spesielt utsatt for ioniserende stråling, noe som eroderer deres ytelse over tid. Å beskytte elektronikk mot ioniserende stråling er en viktig del av romfartøyets og sondeutformingen.
Vanligvis er den følsomme elektronikken i romfartøy og sonder beskyttet av aluminium, kobber eller andre materialer. Juno-sonden bruker et innovativt titanhvelv for å beskytte sin mest følsomme elektronikk. Dette tilfører sonden masse og vekt, og gir fortsatt ikke fullstendig beskyttelse. Tardigradene har en annen måte å skjerme seg på, noe som sannsynligvis er mer elegant enn dette. Det er for tidlig å si nøyaktig hvordan tardigrader gjør det, men hvis pigmenteringsskjerming har noe med det å gjøre, og vi kan finne ut av det, vil mimring av Tardigrades endre måten vi designer romfartøyer og sonder på, og forlenger levetiden i ekstreme strålingsmiljøer.
Så hva med det? Vil våre fremtidige leteoppdrag involvere slangebots som kan samles selv i lange kjeder for å utforske vanskelig tilgjengelige områder? Vil vi slippe løs svermer av flapsvingede MAV-er som jobber sammen for å lage detaljerte kart eller undersøkelser? Vil sonderne våre kunne utforske ekstreme miljøer i mye lengre tid, takket være Tardigrade-lignende beskyttelse mot stråling? Vil våre første baser på månen eller andre verdener bli drevet av solsikkeinspirerte konsentrerte solplanter?
Hvis Leonardo DaVinci var så smart som jeg tror han var, så er svaret på alle disse spørsmålene ja.
