“Tie, kurus iedvesmo cits modelis, nevis Daba, saimniece, kas ir virs visiem kungiem, velti strādā.”
-Leonardo da Vinči
Tas, par ko DaVinci runāja, kaut arī tolaik to vēl nesauca, bija biomimikrija. Ja viņš būtu dzīvs šodien, nav šaubu, ka DaVinci kungs būtu liels biomimikijas atbalstītājs.
Daba ir aizraujošāka, jo dziļāk tajā iedziļināties. Dziļi ieskatoties dabā, mēs ķeramies pie vairāk nekā 3 miljardus gadu vecas laboratorijas, kurā evolūcijas gaitā ir ieviesti, pārbaudīti un pārskatīti problēmu risinājumi. Tāpēc biomimikrija ir tik eleganta: uz Zemes dabai ir bijuši vairāk nekā 3 miljardi gadu, lai risinātu problēmas, tās pašas problēmas, kuras mums jāatrisina, lai sekmētu kosmosa izpēti.
Jo jaudīgāka kļūst mūsu tehnoloģija, jo dziļāk mēs varam redzēt dabu. Tā kā tiek atklāta sīkāka informācija, parādās kārdinošāki inženierijas problēmu risinājumi. Zinātnieki, kuri meklē dabu inženiertehnisko un dizaina problēmu risinājumos, gūst labumu un dodas uz priekšu vairākās ar kosmosa izpēti saistītās jomās.
Mikro gaisa transporta līdzekļi (MAV)
MAV ir mazi, parasti tie nav lielāki par 15 cm un 100 grami. MAV ir ne tikai mazi, bet arī mierīgi. Aprīkoti ar ķīmiskiem šņaucējiem, kamerām vai citu aprīkojumu, tos varēja izmantot, lai izpētītu slēgtas telpas, kas ir pārāk mazas, lai cilvēkiem piekļūtu, vai slepeni izpētīt jebkura izmēra teritorijas. Zemes izmantošana varētu ietvert ķīlnieku situācijas, rūpniecisko avāriju, piemēram, Fukušimas, novērtēšanu vai militāru izmantošanu. Taču visvairāk aizrauj viņu potenciālais pielietojums citās pasaulēs, kuras vēl nav izpētītas.
Gadu gaitā MAV ir parādījušies zinātniskās fantastikas grāmatās un filmās. Iedomājieties mednieku meklētājus Dūņā vai zondes Prometejā, kuras tika izmantotas, lai kartētu karti cilvēku priekšā. Šie dizainparaugi ir progresīvāki nekā jebkurš, pie kā pašlaik strādā, taču šobrīd plakanu spārnu MAV tiek pētīti un izstrādāti, un nākotnē tie ir progresīvāku dizainu priekšteči.
Ātrgaitas fotokameras ir veicinājušas platleņķa MAV attīstību. Detalizēti attēli no ātrgaitas kamerām ļāva pētniekiem ļoti detalizēti izpētīt putnu un kukaiņu lidojumus. Un kā izrādās, lidojums ar spārnu ir daudz sarežģītāks, nekā sākotnēji tika domāts. Bet tas ir arī daudzpusīgāks un izturīgāks. Tas izskaidro tā noturību dabā un daudzpusību MAV dizaina jomā. Šeit ir daži video no ātrgaitas fotokameras, kas notver bites lidojuma laikā.
Delfly Explorer no Delftas Tehnoloģiju universitātes ir viens intriģējošs MAV atlocīšanas dizains. Tā mazā un vieglā stereo redzamības sistēma ļauj tai izvairīties no šķēršļiem un patstāvīgi uzturēt savu augstumu.
MAV, kas peld ar spārnu, neprasa skrejceļu. Viņiem ir arī tāda priekšrocība, ka viņi var ķerties pie mazām vietām, lai taupītu enerģiju. Viņiem ir potenciāls būt ļoti klusiem. Šajā videoklipā ir parādīts spārnots spārns, kuru izstrādājusi Airvironment.
Plakani spārnoti MAV ir ļoti manevrējami. Tā kā tie rada pacelšanos no spārnu kustības, nevis kustības uz priekšu, viņi var ceļot ļoti lēni un pat lidināties. Viņi pat var atgūties no sadursmēm ar šķēršļiem tādā veidā, kāda nav fiksēta spārna vai rotējoša spārna MAV. Ja fiksēta spārna transportlīdzeklis kaut kas saduras, tas zaudē gaisa ātrumu un celšanos. Kad rotējoša spārna transportlīdzeklis kaut kas saduras, tas zaudē savu rotora ātrumu un celšanos.
Maza izmēra dēļ, iespējams, lēti spārnotu MAV būs lēti ražot. Viņi nekad nevarēs pārvadāt kravas, ko var pārņemt lielāks transportlīdzeklis, bet viņiem būs sava loma citu pasauļu izpētē.
Robotiskās zondes ir paveikušas visu izpēti mūsu labā citās pasaulēs par daudz lētākām izmaksām nekā cilvēku nosūtīšana. Lai gan MAV plakanie spārni šobrīd tiek veidoti, ņemot vērā zemes sniegumu, tas ir pietiekami viegls lēciens no tā, lai izstrādātu dizainu citām pasaulēm un citiem apstākļiem. Iedomājieties nelielu autoparku ar plekšķinošiem spārniem, kas paredzēts plānākai atmosfērai un vājākam gravitācijas stāvoklim, un ko izlaiž, lai kartētu alas vai citas grūti sasniedzamas vietas, lai atrastu ūdeni vai minerālus vai kartētu citas funkcijas.
Skudru kolonijas un kolektīvās sistēmas
Skudras šķiet neprātīgas, ja paskatās uz tām individuāli. Bet viņi kopā dara pārsteidzošas lietas. Viņi ne tikai būvē sarežģītas un efektīvas kolonijas, bet arī izmanto savus ķermeņus peldošu tiltu un tiltu, kas ir apturēti gaisa vidē, būvēšanai. Šo uzvedību sauc par sevis montāžu.
Skudru kolonijas un skudru izturēšanās mums ir daudz ko iemācīt. Ir viss pētījumu lauks ar nosaukumu Ant Colony Optimization, kas ietekmē shēmas un sistēmas, sakarus, skaitļošanas intelektu, vadības sistēmas un rūpniecisko elektroniku.
Šis ir video par Audēju skudrām, kas būvē tiltu, lai aptvertu atstarpi starp diviem piekārtiem nūjām. Tas prasa viņiem zināmu laiku, lai to iegūtu. Noskatieties, vai varat skatīties, tos neuzmundrinot.
Skudru kolonijas ir viens no tā saucamās kolektīvās sistēmas piemēriem. Citi dabisko kolektīvo sistēmu piemēri ir bišu un lapsenes stropi, termītu pilskalni un pat zivju skolas. Nākamajā videoklipā redzamie roboti ir izstrādāti, lai atdarinātu dabiskās kolektīvās sistēmas. Šie roboti vieni paši var izdarīt ļoti maz un ir pakļauti kļūdām, taču, strādājot kopā, viņi spēj sevi salikt sarežģītās formās.
Pašmontējošās sistēmas var vairāk pielāgot mainīgiem apstākļiem. Runājot par citu pasauļu izpēti, roboti, kas var pats salikt, spēs reaģēt uz negaidītām izmaiņām viņu apkārtnē un citu pasauļu vidēs. Šķiet skaidrs, ka kolektīvo sistēmu savākšana ļaus mūsu nākamajiem robotikas pētniekiem iziet apkārtējo vidi un izdzīvot situācijās, kuras mēs nevaram viņiem iepriekš paredzēt. Šiem robotiem būs ne tikai mākslīgais intelekts, lai domātu par problēmām, bet arī spēs sevi montēt dažādos veidos, lai pārvarētu šķēršļus.
Roboti, kas veidoti pēc dzīvniekiem
Izpētīt Marsu ar robotizētiem roveriem ir pārsteidzošs sasniegums. Kad Curiosity nolaidās uz Marsa, man sāka drebuļi. Bet mūsu pašreizējie maršrutētāji šķiet trausli un trausli, un, vērojot, kā viņi lēnām un neveikli pārvietojas pa Marsa virsmu, jūs aizdomājaties, cik daudz labāki viņi varētu būt nākotnē. Izmantojot biomimicry, lai modelētu robotus rovers uz dzīvniekiem, mums vajadzētu būt spējīgiem veidot daudz labākus roverus, nekā mums šobrīd ir.
Riteņi ir viena no cilvēces agrākajām un labākajām tehnoloģijām. Bet vai mums pat uz Marsa ir nepieciešami riteņi? Riteņi iestrēgst, nevar pārvarēt pēkšņas augstuma izmaiņas un var radīt citas problēmas. Dabā nav riteņu.
Čūskām ir savs unikāls pārvietošanās problēmas risinājums. Viņu spēja pārvietoties pa sauszemi, augšup un pāri šķēršļiem, izspiest cauri šaurām vietām un pat peldēt padara tos par ļoti efektīviem plēsējiem. Un es nekad neesmu redzējis čūsku ar salauztu izgriezumu vai sagrieztu asi. Vai nākamos roverus varētu modelēt uz zemes čūskām?
Šis robots pārvietojas pa grīdu tāpat kā čūskas.
Šeit ir vēl viens robots, kura pamatā ir čūskas, ar papildu iespējām būt mājās ūdenī. Šis izskatās, ka izbauda sevi.
Šī robota pamatā ir ne tikai čūskas, bet arī inchworms un kukaiņi. Tam ir pat sevis montāžas elementi. Riteņi to tikai atturētu. Dažos segmentos noteikti varētu būt sensori, un tas pat varētu izgūt paraugus analīzei. Skatieties, kā tas pats saliec sevi, lai pārvarētu šķēršļus.
Tas ir pietiekami viegli, lai padomātu par vairākām čūskas robotprogrammatūru iespējām. Iedomājieties lielāku platformu, līdzīgu MSL Curiosity. Tagad iedomājieties, ja tās kājas patiesībā bija vairākas neatkarīgas čūsku robotprogrammatūras, kas varētu atdalīties, veikt tādus uzdevumus kā grūti pieejamu zonu izpēte un parauga iegūšana, pēc tam atgriešanās uz lielākas platformas. Pēc tam viņi deponētu paraugus, lejupielādētu datus un atkal pievienotos. Tad viss transportlīdzeklis varētu pārvietoties uz citu vietu, čūsku robotiem pārvadājot platformu.
Ja tas izklausās pēc zinātniskās fantastikas, tad ko tad? Mums patīk zinātniskā fantastika.
Saules enerģija: saulespuķes kosmosā
Saules enerģijas plūsma tiek atšķaidīta līdz tādam attālumam Saules sistēmā, uz kuru mēs ejam. Kaut arī mēs arvien vairāk un efektīvāk vācam saules enerģiju, biomimikija piedāvā solījumu par 20% samazināt saules paneļu platību, tikai imitējot saulespuķes.
Koncentrētus saules augus (CSP) veido spoguļu masīvs, ko sauc par heliostatiem un kas izseko sauli Zemei rotējot. Heliostati ir izvietoti koncentriskos apļos, un tie uztver saules gaismu un atspoguļo to centrālā torņa virzienā, kur siltumu pārvērš elektrībā.
Kad MIT pētnieki detalizētāk izpētīja CSP, viņi atklāja, ka katrs no heliostatiem daļu laika pavada ēnā, padarot tos mazāk efektīvus. Strādājot ar datoru modeļiem, lai atrisinātu problēmu, viņi pamanīja, ka iespējamie risinājumi ir līdzīgi spirālveida modeļiem, kas atrodami dabā. No turienes viņi iedvesmas meklējumos skatījās uz saulespuķēm.
Saulespuķe nav viens zieds. Tā ir mazu ziedu kolekcija, ko sauc par florelēm, līdzīgi kā atsevišķi SPS spoguļi. Šīs floretes ir sakārtotas spirālveida formā, un katra florete ir orientēta 137 grādos viena pret otru. To sauc par “zelta leņķi”, un, kad floretes ir izkārtotas šādi, tās veido savstarpēji savienotu spirālu masīvu, kas atbilst Fibonači secībai. MIT pētnieki saka, ka atsevišķu spoguļu organizēšana tādā pašā veidā CSP samazinās vajadzīgo vietu par 20%.
Tā kā mēs joprojām visu, kas nepieciešams kosmosa izpētei, ievietojam kosmosā, izpūšot to no Zemes gravitācijas, kas labi piestiprināta pie milzīgām, dārgām raķetēm, 20% samazinājums telpā par tādu pašu savākto saules enerģijas daudzumu ir būtisks uzlabojums.
Ekstremofīli un biomimikrija
Extremophiles ir organismi, kas pielāgoti zelt ekstrēmos vides apstākļos. Kopš 2013. gada ir identificēti 865 ekstremofīli mikroorganismi. Viņu atpazīstamība ir devusi jaunu cerību atrast dzīvi ekstrēmās vidēs citās pasaulēs. Bet vēl vairāk - ekstremofilu atdarināšana var mums palīdzēt izpētīt šo vidi.
Stingri sakot, Tardigrādes nav īsti ekstremofīli, jo, lai arī tās var pārdzīvot galējības, tās nav pielāgotas, lai tajās zelt. Tomēr viņu spēja izturēt vides galējības nozīmē, ka viņiem ir daudz ko mums mācīt. Tardigrādi ir apmēram 1150 sugas, un tām piemīt spēja izdzīvot apstākļos, kas nogalinātu cilvēkus, un tas ātri pasliktinātu visu robotu zonžu darbību, kuras mēs varam nosūtīt ārkārtējai videi.
Tardigrades faktiski ir niecīgi, ūdens, astoņkāju mikrodzīvnieki. Tie var izturēt temperatūru no nedaudz virs absolūtās nulles līdz pat ūdens viršanas temperatūrai. Viņi var izturēt spiedienu, kas ir apmēram sešas reizes lielāks nekā spiediens Zemes dziļāko okeāna tranšeju apakšā. Tardigrādes var iet desmit gadus arī bez ēdiena vai ūdens, un tās var izžūt līdz mazāk nekā 3% ūdens.
Viņi būtībā ir super-niecīgi Zemes varoņi.
Bet, ciktāl tas attiecas uz kosmosa izpēti, mūs visvairāk interesē viņu spēja izturēt tūkstošiem reižu augstāku jonizējošo starojumu, nekā spēj izturēt cilvēki. Tardigras tiek sauktas par dabas visspēcīgākajām radībām, un ir viegli saprast, kāpēc.
Droši vien zinātniskās fantastikas jomā ir iespējams iedomāties nākotni, kurā cilvēki tiek ģenētiski izstrādāti ar tardigrade gēniem, lai izturētu starojumu citās pasaulēs. Bet, ja mēs izdzīvojam pietiekami ilgi, nav šaubu, manuprāt, mēs aizņemsimies gēnus no citas zemes dzīves, lai palīdzētu mums izvērsties citās pasaulēs. Tas ir tikai loģiski. Bet tas ir tālu, un tardigrade izdzīvošanas mehānismi var sākt darboties daudz ātrāk.
Tādām pasaulēm kā Zeme ir paveicies, ja tās aizēno magnetosfēra, kas aizsargā biosfēru no starojuma. Bet daudzām pasaulēm un visiem pārējiem mūsu Saules sistēmas planētu pavadoņiem, izņemot Ganimīdu, trūkst magnetosfēras. Pats Marss ir pilnīgi neaizsargāts. Apstarojuma klātbūtne kosmosā un pasaulēs, kurās nav aizsargājošas magnetosfēras, ne tikai nogalina dzīvās lietas, bet arī var ietekmēt elektroniskās ierīces, pasliktinot to veiktspēju, saīsinot to kalpošanas laiku vai izraisot pilnīgu kļūmi.
Nav sagaidāms, ka daži no instrumentiem uz Juno zondes, kas šobrīd atrodas ceļā uz Jupiteru, misijas laikā varētu izdzīvot, jo ap milzu gāzes planētu notiek ārkārtējs starojums. Paši saules paneļi, kuru darbība jāpakļauj saules iedarbībai, ir īpaši jutīgi pret jonizējošo starojumu, kas laika gaitā samazina to veiktspēju. Elektronikas aizsargāšana no jonizējošā starojuma ir būtiska kosmosa kuģa un zondes dizaina sastāvdaļa.
Parasti jutīgo elektroniku kosmosa kuģos un zondes aizsargā ar alumīniju, varu vai citiem materiāliem. Juno zonde izmanto novatorisku titāna velvju, lai aizsargātu visjutīgāko elektroniku. Tas palielina zondes masu un svaru, un joprojām nenodrošinās pilnīgu aizsardzību. Tardigradiem ir kāds cits veids, kā sevi pasargāt, kas, iespējams, ir daudz elegantāks. Ir pāragri precīzi pateikt, kā to dara tardigrādes, bet, ja pigmentācijas ekranēšanai ir kaut kas sakars un mēs to varam izdomāt, Tardigrades atdarināšana mainīs veidu, kā mēs projektējam kosmosa kuģus un zondes, un pagarinās to kalpošanas laiku ekstrēmās radiācijas vidēs.
Tātad kā ar to? Vai mūsu turpmākajās izpētes misijās tiks iesaistīti čūsku botiņi, kas paši var salikt garos ķēdēs, lai izpētītu grūti sasniedzamās vietas? Vai mēs atraisīsim spārnu spārnu MAV, kas darbojas kopā, lai izveidotu detalizētas kartes vai apsekojumus? Vai mūsu zondes spēs izpētīt ekstremālās vides daudz ilgāku laiku, pateicoties Tardigrade veida aizsardzībai pret radiāciju? Vai mūsu pirmās bāzes uz mēness vai citām pasaulēm darbinās saulespuķu iedvesmoti koncentrēti saules augi?
Ja Leonardo DaVinci bija tikpat gudrs kā es domāju, ka viņš bija, tad atbilde uz visiem šiem jautājumiem ir jā.
