«Те, кто вдохновлен моделью, отличной от природы, любовница над всеми мастерами трудится напрасно.”
-Леонардо да Винчи
То, о чем говорил Да Винчи, хотя в то время его так и не называли, было биомимикрией. Будь он жив сегодня, нет сомнений, что мистер Да Винчи был бы большим сторонником биомимикрии.
Природа тем интереснее, чем глубже вы в нее смотрите. Когда мы смотрим глубоко в природу, мы заглядываем в лабораторию, которой более 3 миллиардов лет, где решения проблем были реализованы, проверены и пересмотрены в ходе эволюции. Вот почему биомимикрия настолько изящна: на Земле у природы было более 3 миллиардов лет для решения проблем, таких же проблем, которые нам нужно решать для продвижения в освоении космоса.
Чем мощнее становятся наши технологии, тем глубже мы можем видеть природу. По мере того, как раскрывается больше деталей, появляются все более заманчивые решения инженерных задач. Ученые, которые ищут в природе решения инженерных и конструкторских задач, пожинают плоды и добиваются определенных успехов в нескольких областях, связанных с освоением космоса.
Flapping-Wing Micro Air Vehicles (MAV)
МАВы маленькие, обычно не длиннее 15 см и весят 100 грамм. MAV не только маленькие, они тихие. Оснащенные химическими анализаторами, камерами или другим оборудованием, они могут использоваться для исследования замкнутых пространств, слишком маленьких для человека, или скрытно исследовать районы любого размера. Наземное использование может включать ситуации с заложниками, оценку промышленных аварий, таких как Фукусима, или военное использование. Но наиболее интересным является их потенциальное использование в других мирах, которые еще предстоит изучить.
MAV появились в научно-фантастических книгах и фильмах на протяжении многих лет. Подумайте об искателях охотников в Дюне или о пробах в Прометее, которые использовались для составления карты камеры впереди людей. Эти проекты являются более продвинутыми, чем все, что в настоящее время разрабатывается, но MAV с плавающим крылом в настоящее время исследуются и разрабатываются, и являются предшественниками более совершенных проектов в будущем.
Высокоскоростные камеры стимулировали разработку MAV с колеблющимся крылом. Детальные изображения с высокоскоростных камер позволили исследователям детально изучить полет птиц и насекомых. И, как оказалось, полет взмахом крыльев намного сложнее, чем первоначально предполагалось. Но он также намного более универсален и эластичен. Это объясняет его постоянство в природе и универсальность в дизайне MAV. Вот несколько видео с высокоскоростной камеры, которая фиксирует пчел в полете.
DelFly Explorer из Делфтского технологического университета - это один из интересных проектов MAV с колеблющимся крылом. Его небольшая и легкая система стереозрения позволяет ей избегать препятствий и самостоятельно поддерживать высоту.
MAV с плавающим крылом не требуют взлетно-посадочной полосы. У них также есть преимущество в том, что они могут садиться на небольшие пространства для экономии энергии. И у них есть потенциал, чтобы быть очень тихим. На этом видео показано летающее транспортное средство, разрабатываемое компанией Airvironment.
MAV с колеблющимся крылом очень маневренны. Поскольку они производят подъем от движения крыла, а не движения вперед, они могут двигаться очень медленно и даже зависать. Они могут даже восстанавливаться после столкновений с препятствиями так, как это не могут сделать MAV с фиксированным или поворотным крылом. Когда транспортное средство с неподвижным крылом сталкивается с чем-то, оно теряет скорость и подъемную силу. Когда вращающееся крыло транспортного средства сталкивается с чем-то, оно теряет скорость вращения ротора и подъемную силу.
Из-за своего небольшого размера MAV с колеблющимся крылом, вероятно, будут дешевы в производстве. Они никогда не смогут нести полезную нагрузку, которую может вместить более крупное транспортное средство, но они будут играть свою роль в исследовании других миров.
Роботизированные зонды проделали все исследования для нас в других мирах по гораздо более низкой цене, чем отправка людей. В то время как колеблющиеся крылья MAV в настоящее время разрабатываются с учетом наземных характеристик, от этого достаточно легко перейти к проектированию для других миров и других условий. Представьте себе небольшой парк автомобилей с развевающимися крыльями, предназначенных для более тонкой атмосферы и более слабой гравитации, выпущенных для картирования пещер или других труднодоступных мест, для обнаружения воды или минералов или для картирования других объектов.
Муравьиные Колонии и Коллективные Системы
Муравьи кажутся бессмысленными, когда вы смотрите на них индивидуально. Но они делают удивительные вещи вместе. Они не только строят сложные и эффективные колонии, они также используют свое тело для строительства плавающих мостов и мостов, подвешенных в воздухе. Такое поведение называется самосборкой.
Муравьиные колонии и поведение муравьев могут многому нас научить. Существует целая область исследований под названием «Оптимизация колоний муравьев», которая имеет значение для схем и систем, коммуникаций, вычислительного интеллекта, систем управления и промышленной электроники.
Вот видео о том, как муравьи Уивер строят мост, чтобы преодолеть разрыв между двумя подвесными палками. Им нужно время, чтобы получить это. Посмотрим, сможете ли вы смотреть, не подбадривая их.
Муравьиные колонии являются одним из примеров того, что называют коллективными системами. Другими примерами коллективных систем в природе являются ульи пчел и ос, насыпи термитов и даже стаи рыб. Роботы в следующем видео были разработаны для имитации естественных коллективных систем. Эти роботы могут делать очень мало в одиночку и подвержены ошибкам, но когда они работают вместе, они способны самостоятельно собираться в сложные формы.
Самосборные системы могут быть более адаптируемыми к изменяющимся условиям. Когда дело доходит до изучения других миров, роботы, которые могут самостоятельно собираться, смогут реагировать на неожиданные изменения в их окружении и в окружении других миров. Кажется очевидным, что самостоятельная сборка коллективными системами позволит нашим будущим исследователям-роботам пересекать окружение и выживать в ситуациях, для которых мы не можем специально спроектировать их заранее. Эти роботы будут не только иметь искусственный интеллект, чтобы продумывать свои проблемы, но также будут способны самостоятельно собираться различными способами, чтобы преодолевать препятствия.
Роботы по образцу животных
Изучение Марса с помощью роботизированных роверов - удивительное достижение. У меня озноб пробежал по позвоночнику, когда Curiosity приземлился на Марс. Но наши современные роверы кажутся хрупкими и хрупкими, и, наблюдая, как они медленно и неуклюже двигаются по поверхности Марса, вы задаетесь вопросом, насколько лучше они могли бы стать в будущем. Используя биомимикрию для моделирования роботизированных роверов на животных, мы сможем создать гораздо лучшие роверы, чем сейчас.
Колеса - одна из самых ранних и великих технологий человечества. Но нужны ли нам колеса на Марсе? Колеса застревают, не могут пересекать резкие изменения высоты и имеют другие проблемы. В природе нет колес.
У змей есть свое уникальное решение проблемы передвижения. Их способность передвигаться по суше, преодолевать препятствия, преодолевать трудные места и даже плавать, делает их очень эффективными хищниками. И я никогда не видел змею с сломанной крышей или сломанную ось. Могут ли будущие роверы быть смоделированы на земных змеях?
Этот робот движется по полу так же, как змеи.
Вот еще один робот, основанный на змеях, с добавленной способностью находиться дома в воде. Этот выглядит так, как будто он наслаждается собой.
Этот робот основан не только на змеях, но также на глистах и насекомых. У него даже есть элементы самосборки. Колеса будут только сдерживать это. Некоторые сегменты могут содержать датчики, и даже могут извлекать образцы для анализа. Смотреть, как он собирает себя, чтобы преодолеть препятствия.
Достаточно легко подумать о множественном использовании змеиных ботов. Представьте себе большую платформу, похожую на MSL Curiosity. Теперь представьте, что на его ногах было несколько независимых змей-ботов, которые могли бы отсоединиться, выполнить такие задачи, как исследование труднодоступных областей и получение образца, а затем возврат на большую платформу. Затем они размещали образцы, загружали данные и заново прикрепляли себя. Тогда весь автомобиль может переместиться в другое место, а змеиные боты будут нести платформу.
Если это звучит как научная фантастика, ну и что? Мы любим научную фантастику.
Солнечная энергия: подсолнухи в космосе
Поток энергии от Солнца разбавляется до малой струи, чем дальше, тем дальше от Солнечной системы мы идем. В то время как мы продолжаем все более и более эффективно собирать солнечную энергию, биомимикрия обещает 20% -ное сокращение требуемого пространства солнечной панели, просто имитируя подсолнечник.
Концентрированные солнечные установки (CSP) состоят из множества зеркал, называемых гелиостатами, которые отслеживают Солнце во время вращения Земли. Гелиостаты расположены в виде концентрических кругов, и они улавливают солнечный свет и отражают его к центральной башне, где тепло превращается в электричество.
Когда исследователи из Массачусетского технологического института изучили CSP более подробно, они обнаружили, что каждый из гелиостатов затенял часть времени, делая их менее эффективными. Работая с компьютерными моделями для решения проблемы, они заметили, что возможные решения были похожи на спиральные паттерны, встречающиеся в природе. Оттуда они смотрели на подсолнух для вдохновения.
Подсолнух не единственный цветок. Это коллекция маленьких цветов, называемых цветочками, очень похожая на отдельные зеркала в CSP. Эти цветочки расположены по спирали, причем каждый цветочек ориентирован под углом 137 градусов друг к другу. Это называется «золотым углом», и когда цветочки расположены таким образом, они образуют массив взаимосвязанных спиралей, которые соответствуют последовательности Фибоначчи. Исследователи Массачусетского технологического института говорят, что организация отдельных зеркал в CSP таким же образом уменьшит необходимое пространство на 20%.
Поскольку мы все еще помещаем все необходимое для исследования космоса в космос, взорвав его из гравитационного поля Земли, привязанного к огромным дорогостоящим ракетам, сокращение на 20% пространства для того же количества собранной солнечной энергии является существенным улучшением.
Экстремофилы и биомимикрия
Экстремофилы - это организмы, приспособленные для процветания в экстремальных условиях окружающей среды. По состоянию на 2013 год было выявлено 865 экстремофильных микроорганизмов. Их признание дало новую надежду найти жизнь в экстремальных условиях в других мирах. Но более того, имитация экстремофилов может помочь нам исследовать эту среду.
Строго говоря, Tardigrades не совсем экстремофилы, потому что, хотя они могут пережить крайности, они не приспособлены для процветания в них. Однако их способность противостоять крайностям окружающей среды означает, что они могут многому нас научить. Существует около 1150 видов Tardigrades, и они способны выживать в условиях, которые убивают людей, и быстро ухудшают работу любых роботизированных зондов, которые мы можем отправлять в экстремальные условия.
Тардиграды на самом деле крошечные, водные, восьминогие животные. Они могут выдерживать температуру от чуть выше абсолютного нуля до температуры, значительно превышающей температуру кипения воды. Они могут выдерживать давление, примерно в шесть раз превышающее давление на дне самых глубоких океанских траншей на Земле. Tardigrades могут также прожить десять лет без еды и воды, и могут высохнуть до менее чем 3% воды.
Они в основном супер-крошечные супергерои Земли.
Но что касается освоения космоса, нас больше всего интересует их способность противостоять ионизирующей радиации в тысячи раз выше, чем люди. Тардиграды называют самыми жесткими существами природы, и легко понять почему.
Вероятно, в области научной фантастики можно представить будущее, в котором люди генетически сконструированы с генами tardigrade, чтобы противостоять излучению в других мирах. Но если мы выживем достаточно долго, я не сомневаюсь, что мы заимствуем гены из другой земной жизни, чтобы помочь нам проникнуть в другие миры. Это только логично. Но это еще далеко, и механизмы выживания tardigrade могут вступить в игру гораздо раньше.
Такие миры, как Земля, повезло, что они окутаны магнитосферой, которая защищает биосферу от радиации. Но во многих мирах и во всех лунах других планет в нашей солнечной системе, кроме Ганимеда, отсутствует магнитосфера. Сам Марс абсолютно незащищен. Присутствие излучения в космосе и в мирах, где нет защитной магнитосферы, не только убивает живые существа, но может влиять на электронные устройства, ухудшая их характеристики, сокращая срок их службы или вызывая полный отказ.
Ожидается, что некоторые инструменты на зонде Юнона, который сейчас находится на пути к Юпитеру, не выживут в течение всей миссии из-за сильного излучения вокруг гигантской газовой планеты. Сами солнечные панели, которые должны функционировать под воздействием солнца, особенно подвержены воздействию ионизирующего излучения, которое со временем ухудшает их характеристики. Защита электроники от ионизирующего излучения является неотъемлемой частью конструкции космического корабля и зонда.
Как правило, чувствительная электроника в космическом корабле и датчиках защищена алюминием, медью или другими материалами. Зонд Juno использует инновационное титановое хранилище для защиты своей наиболее чувствительной электроники. Это увеличивает объем и вес зонда и не обеспечивает полной защиты. У Tardigrades есть другой способ экранирования, который, вероятно, более элегантен, чем этот. Еще слишком рано говорить, как именно это делают tardigrades, но если пигментная защита как-то связана с этим, и мы можем это выяснить, то, подражая Tardigrades, изменит способ, которым мы проектируем космические корабли и зонды, и увеличу их продолжительность жизни в условиях экстремальной радиации.
Так как насчет этого? Будут ли в наших будущих исследовательских миссиях задействованы змеиные боты, которые могут самостоятельно собираться в длинные цепочки, чтобы исследовать труднодоступные районы? Будем ли мы выпускать рой взмахов крыльев MAV, которые работают вместе для создания подробных карт или обзоров? Смогут ли наши зонды исследовать экстремальные условия в течение гораздо более длительного периода времени благодаря Tardigrade-подобной защите от излучения? Будут ли наши первые базы на Луне или в других мирах питаться вдохновленными подсолнухом Концентрированными Солнечными Растениями?
Если Леонардо Да Винчи был таким же умным, как я думаю, то ответ на все эти вопросы - да.
