”De, der er inspireret af en anden model end naturen, en elskerinde over alle mestre, arbejder forgæves.”
-Leonardo Da Vinci
Hvad DaVinci talte om, selvom det ikke blev kaldt det på det tidspunkt, var biomimik. Var han i live i dag, er der ingen tvivl om, at Mr. DaVinci ville være en stor tilhænger af biomimik.
Naturen er mere fascinerende, jo dybere du ser på den. Når vi ser dybt ind i naturen, kikker vi ind i et laboratorium, der er over 3 milliarder år gammelt, hvor løsninger på problemer er blevet implementeret, testet og revideret i løbet af udviklingen. Det er grunden til, at biomimik er så elegant: På Jorden har naturen haft mere end 3 milliarder år til at løse problemer, de samme slags problemer, som vi er nødt til at løse for at komme videre i rumforskning.
Jo kraftigere vores teknologi bliver, jo dybere kan vi se i naturen. Efterhånden som det afsløres mere detaljeret, præsenterer mere fristende løsninger på tekniske problemer sig selv. Forskere, der ser til naturen efter løsninger på ingeniør- og designproblemer, høster fordelene og gør fremskridt på flere områder, der er relateret til rumforskning.
Flapping-wing Micro Air Vehicles (MAV'er)
MAV'er er små, normalt ikke større end 15 cm i længde og 100 gram i vægt. MAV'er er ikke kun små, de er stille. De er udstyret med kemiske sniffere, kameraer eller andet udstyr, de kan bruges til at udforske trange pladser, der er for små til at få et menneske til at få adgang, eller til stealthily at udforske områder af enhver størrelse. Terrestriske anvendelser kan omfatte gidssituationer, vurdering af industriulykker som Fukushima eller militær anvendelse. Men det er deres potentielle anvendelse på andre verdener, der endnu ikke er blevet udforsket, og som er det mest fascinerende.
MAV'er har vist sig i science fiction bøger og film gennem årene. Tænk på jæger-søgende i Dune eller sonderne i Prometheus, der blev brugt til at kortlægge kammeret foran mennesker. Disse designs er mere avancerede end noget, der i øjeblikket arbejdes på, men flappvingede MAV'er undersøges og designes lige nu og er forløbere for mere avanceret design i fremtiden.
Højhastighedskameraer har ansporet til udviklingen af flapsvingede MAV'er. De detaljerede billeder fra højhastighedskameraer har gjort det muligt for forskere at studere fugle- og insektflyvning i detaljer. Og som det viser sig, er flapping-wing-flyvning meget mere kompliceret end oprindeligt tænkt. Men det er også meget mere alsidigt og elastisk. Det forklarer dens persistens i naturen og dens alsidighed i MAV-design. Her er nogle videoer fra et højhastigheds kamera, der fanger bier i flugt.
DelFly Explorer fra Delft teknologiske universitet er et spændende design af flappende vinge MAV. Dets lille og lette stereosynssystem giver det mulighed for at undgå forhindringer og opretholde sin højde på egen hånd.
Fladevingede MAV'er kræver ikke en landingsbane. De har også fordelen ved at være i stand til at aborre på små rum for at spare energi. Og de har potentialet til at være meget stille. Denne video viser et flapperende køretøj, der er udviklet af Air Environment.
MAV'er med klapvinge er meget manøvredygtige. Fordi de genererer deres løft fra vingebevægelse snarere end fremadgående bevægelse, kan de rejse meget langsomt og endda svæve. De kan endda komme sig efter kollisioner med forhindringer på måder, som faste vinger eller roterende vinge-MAV'er ikke kan. Når et køretøj med fast ving kolliderer med noget, mister det lufthastigheden og løftet. Når et roterende vogn kolliderer med noget, mister det sin rotorhastighed og sin løft.
På grund af deres lille størrelse er det sandsynligvis, at flappvingede MAV'er er billige at fremstille. De vil aldrig være i stand til at bære den nyttelast, som et større køretøj kan, men de vil have deres rolle i udforskningen af andre verdener.
Robotprober har gjort alt det, vi udforskede for andre verdener, til en meget billigere pris end at sende folk. Mens flapperende vinge-MAV'er i øjeblikket designes med jordbaseret ydeevne i tankerne, er det et let nok spring fra det til design til andre verdener og andre forhold. Forestil dig en lille flåde af flapperede køretøjer, designet til en tyndere atmosfære og svagere tyngdekraft, frigivet til kortlægning af huler eller andre vanskeligt tilgængelige områder, for at lokalisere vand eller mineraler eller til at kortlægge andre funktioner.
Maurekolonier og kollektive systemer
Myrer virker tankeløse, når du ser på dem individuelt. Men de gør fantastiske ting sammen. Ikke kun bygger de indviklede og effektive kolonier, de bruger også deres kroppe til at bygge flydende broer og broer hængende i luften. Denne opførsel kaldes selvsamling.
Myrekolonier og myreadfærd har meget at lære os. Der er et helt forskningsfelt, der kaldes Ant Colony Optimization, der har konsekvenser for kredsløb og systemer, kommunikation, computational intelligence, kontrolsystemer og industriel elektronik.
Her er en video af myrer Weaver, der bygger en bro for at spænde mellemrummet mellem to ophængte pinde. Det tager dem et stykke tid at få det. Se om du kan se uden at heppe på dem.
Maurekolonier er et eksempel på, hvad der kaldes kollektive systemer. Andre eksempler på kollektive systemer i naturen er bi- og hvevehive, termithøje og endda fiskeskoler. Robotterne i den næste video er designet til at efterligne naturlige kollektive systemer. Disse robotter kan gøre meget lidt alene og er tilbøjelige til fejl, men når de arbejder sammen, er de i stand til at samles selv i komplekse former.
Selvmonterende systemer kan være mere tilpasningsdygtige til skiftende forhold. Når det kommer til at udforske andre verdener, vil robotter, der kan samles selv, være i stand til at reagere på uventede ændringer i deres omgivelser og i andre verdens miljøer. Det ser ud til, at selvsamling ved hjælp af kollektive systemer vil give vores fremtidige robotudforskere mulighed for at krydse miljøer og overleve situationer, som vi ikke specifikt kan designe dem til på forhånd. Disse robotter har ikke kun kunstig intelligens til at tænke sig igennem problemer, men vil også være i stand til at samles selv på forskellige måder for at overvinde hindringer.
Robotter modelleret på dyr
At udforske Mars med robotrover er en forbløffende præstation. Jeg havde kulderystelser, der løb ned ad min ryg, da Curiosity landede på Mars. Men vores nuværende rovere ser skrøbelige og skrøbelige ud, og det at se dem bevæge sig langsomt og klodset rundt på Mars 'overflade får dig til at undre dig over, hvor meget bedre de kunne være i fremtiden. Ved at bruge biomimicry til at modellere robot-rover på dyr, bør vi være i stand til at opbygge meget bedre rovere, end vi har i øjeblikket.
Hjul er en af menneskehedens tidligste og største teknologier. Men har vi endda brug for hjul på Mars? Hjul sidder fast, kan ikke krydse pludselige ændringer i højden og har andre problemer. Der er ingen hjul i naturen.
Slanger har deres egen unikke løsning på problemet med bevægelse. Deres evne til at bevæge sig over land, op og over forhindringer, klemme gennem trange steder og endda svømme, gør dem til meget effektive rovdyr. Og jeg har aldrig set en slange med en ødelagt lad eller en bustet aksel. Kunne fremtidige rovere modelleres på jordslanger?
Denne robot bevæger sig på tværs af gulvet på samme måde som slanger gør.
Her er en anden robot baseret på slanger med den ekstra kapacitet at være hjemme i vandet. Denne ser ud som om det nyder sig selv.
Denne robot er ikke kun baseret på slanger, men også inchworms og insekter. Det har endda elementer af selvmontering. Hjul ville kun holde det tilbage. Nogle segmenter kunne bestemt indeholde sensorer, og det kunne endda hente prøver til analyse. Se, mens det samles igen for at overvinde forhindringer.
Det er let nok at tænke på flere anvendelser af slangebots. Forestil dig en større platform, der ligner MSL Curiosity. Forestil dig nu, hvis benene faktisk var flere uafhængige slangebots, der kunne løsrive sig selv, udføre opgaver som at udforske vanskeligt tilgængelige områder og hente prøve og derefter vende tilbage til den større platform. De vil derefter deponere prøver, downloade data og vedhæfte sig selv igen. Derefter kunne hele køretøjet flytte til et andet sted, med slangebotene, der bærer platformen.
Hvis dette lyder som science fiction, hvad så? Vi elsker science fiction.
Solenergi: solsikker i rummet
Strømmen af energi fra solen fortyndes til en vandring, der er længere væk i solsystemet vi går. Selvom vi bliver mere og mere effektive til at indsamle solens energi, tilbyder biomimicry løftet om en 20% reduktion i solpanelpladsen, der kræves, bare ved at efterligne solsikker.
Koncentrerede solplanter (CSP'er) består af en række spejle, kaldet heliostater, der sporer solen, når Jorden roterer. Heliostatistikkerne er arrangeret i koncentriske cirkler, og de fanger sollys og reflekterer det mod et centralt tårn, hvor varmen omdannes til elektricitet.
Da forskere ved MIT studerede CSP'er mere detaljeret, opdagede de, at hver heliostatik brugte en del af tiden skygge, hvilket gjorde dem mindre effektive. Da de arbejdede med computermodeller for at løse problemet, bemærkede de, at mulige løsninger svarede til spiralmønstre, der findes i naturen. Derfra kiggede de på solsikken for inspiration.
Solsikken er ikke en eneste blomst. Det er en samling af små blomster kaldet blomster, ligesom de individuelle spejle i en CSP. Disse blomster er arrangeret i et spiralmønster med hver floret orienteret 137 grader mod hinanden. Dette kaldes den 'gyldne vinkel', og når blomsterne er arrangeret på denne måde, danner de en række indbyrdes forbundne spiraler, der er i overensstemmelse med Fibonacci-sekvensen. MIT-forskere siger, at organisering af individuelle spejle på samme måde i en CSP vil reducere den nødvendige plads med 20%.
Da vi stadig lægger alt, hvad vi har brug for til efterforskning af rummet i rummet ved at sprænge det ud af Jordens tyngdekraft godt fastgjort til enorme, dyre raketter, er en reduktion af plads på 20% for den samme mængde solenergi, der indsamles, en betydelig forbedring.
Extremophiles og Biomimicry
Ekstremofile er organismer tilpasset til at trives under ekstreme miljøforhold. Fra 2013 er der identificeret 865 ekstremofile mikroorganismer. Deres anerkendelse har givet nyt håb om at finde liv i ekstreme miljøer på andre verdener. Men mere end det kan efterligning af ekstremofiler hjælpe os med at udforske disse miljøer.
Strengt taget er Tardigrades ikke nøjagtigt ekstremofile, for selv om de kan overleve ekstremer, er de ikke tilpasset til at trives i dem. Men deres evne til at modstå ekstreme miljøer betyder, at de har meget at lære os. Der er omkring 1.150 arter af Tardigrades, og de har evnen til at overleve under forhold, der ville dræbe mennesker, og vil hurtigt ødelægge funktionen af alle robotprober, som vi måtte sende til ekstreme miljøer.
Tardigrades er faktisk små, akvatiske, åbenbenede mikrodyr. De kan modstå temperaturer fra lige over absolut nul til godt over vandets kogepunkt. De kan overleve tryk, der er ca. seks gange større end trykket i bunden af de dybeste havgrave på Jorden. Tardigrades kan også gå ti år uden mad eller vand og kan tørre ud til mindre end 3% vand.
De er dybest set jordens super-lille superhelte.
Men så vidt rumudforskning går, er det deres evne til at modstå ioniserende stråling tusindvis af gange højere end mennesker kan modstå, der interesserer os mest. Tardigrades kaldes naturens hårdeste væsener, og det er let at se hvorfor.
Det er sandsynligvis inden for science fiction at forestille sig en fremtid, hvor mennesker er genetisk konstrueret med tardigradegener til at modstå stråling på andre verdener. Men hvis vi overlever længe nok, er der ingen tvivl i mit sind, at vi vil låne gener fra andet jordisk liv til at hjælpe os med at udvide til andre verdener. Det er kun logisk. Men det er langt væk, og tardigrade overlevelsesmekanismer kan komme til at spille meget før.
Verder som Jorden er heldige at være indhyllet af en magnetosfære, der beskytter biosfæren mod stråling. Men mange verdener og alle måner fra de andre planeter i vores solsystem - bortset fra Ganymede - mangler en magnetosfære. Mars selv er helt ubeskyttet. Tilstedeværelsen af stråling i rummet og på verdener uden beskyttende magnetosfære dræber ikke kun levende ting, men kan påvirke elektroniske enheder ved at forringe deres ydeevne, forkorte deres levetid eller forårsage fuldstændig fiasko.
Nogle af instrumenterne på Juno-sonden, der er på vej til Jupiter lige nu, forventes ikke at overleve i hele missionens varighed på grund af den ekstreme stråling omkring den gigantiske gasplanet. Solpaneler i sig selv, som skal udsættes for solen for at kunne fungere, er især modtagelige for ioniserende stråling, hvilket eroderer deres ydeevne over tid. Beskyttelse af elektronik mod ioniserende stråling er en væsentlig del af rumfartøj og sonde-design.
Typisk er den følsomme elektronik i rumfartøjer og sonder beskyttet af aluminium, kobber eller andre materialer. Juno-sonden bruger et innovativt titanhvelv til at beskytte sin mest følsomme elektronik. Dette tilføjer sonden og vægten og giver stadig ikke fuld beskyttelse. Tardigrades har en anden måde at afskærme sig på, hvilket sandsynligvis er mere elegant end dette. Det er for tidligt at sige nøjagtigt, hvordan tardigrades gør det, men hvis pigmenteringsafskærmning har noget at gøre med det, og vi kan finde ud af det, vil efterligning af Tardigrades ændre den måde, vi designer rumfartøjer og sonder, og forlænger deres levetid i ekstreme strålingsmiljøer.
Så hvad med det? Vil vores fremtidige efterforskningsopgaver involvere slangebots, der kan samles selv i lange kæder for at udforske vanskeligt at nå områder? Vil vi slippe løs sverme af flappende fløjter, der arbejder sammen om at skabe detaljerede kort eller undersøgelser? Vil vores sonder være i stand til at udforske ekstreme miljøer i meget længere perioder takket være Tardigrade-lignende beskyttelse mod stråling? Vil vores første baser på månen eller andre verdener blive drevet af solsikkeinspirerede koncentrerede solplanter?
Hvis Leonardo DaVinci var så smart, som jeg tror, han var, så er svaret på alle disse spørgsmål ja.
