"Ti, kteří jsou inspirováni jiným modelem než přírodou, paní nad všemi pány, marně pracují.”
-Leonardo da Vinci
O čem DaVinci mluvili, ačkoli se tomu tehdy v té době neřeklo, byla biomimicie. Kdyby dnes žil, není pochyb o tom, že by pan DaVinci byl velkým zastáncem biomimikry.
Příroda je fascinující, čím hlouběji se na ni podíváte. Když se hlouběji podíváme do přírody, díváme se do laboratoře, která má více než 3 miliardy let, kde byla v průběhu vývoje implementována, testována a revidována řešení problémů. Proto je biomimikry tak elegantní: na Zemi má příroda více než 3 miliardy let na vyřešení problémů, stejné druhy problémů, které musíme vyřešit, abychom pokročili ve výzkumu vesmíru.
Čím silnější je naše technologie, tím hlouběji můžeme vidět do přírody. Jak je odhaleno více podrobností, objevují se více vzrušující řešení technických problémů. Vědci, kteří hledají řešení problémů s technikou a designem v přírodě, získávají odměny a v několika oblastech souvisejících s průzkumem vesmíru se ubírá pokroky.
Klapka Micro Air Air (MAV)
MAV jsou malé, obvykle ne větší než 15 cm na délku a 100 gramů na hmotnost. MAV nejsou jen malé, jsou také tiché. Jsou-li vybaveni chemickými čichači, fotoaparáty nebo jiným zařízením, mohou být použity k prozkoumání stísněných prostorů, které jsou příliš malé na to, aby k nim měl člověk přístup, nebo k tajnému prozkoumání oblastí jakékoli velikosti. Terestrické použití by mohlo zahrnovat rukojmí, hodnocení průmyslových nehod, jako je Fukušima, nebo vojenské použití. Ale je to jejich potenciální využití v jiných světech, které je třeba prozkoumat a které jsou fascinující.
MAV se objevily v knihách a filmech sci-fi v průběhu let. Pomysli na lovce-hledače v Duně nebo na sondy v Prometheu, které byly použity k mapování komnaty před lidmi. Tyto návrhy jsou vyspělejší než cokoli, na čem se v současné době pracuje, ale právě teď se zkoumají a navrhují mávající se MAV, a jsou předchůdci pokročilejších návrhů v budoucnosti.
Vysokorychlostní kamery urychlily vývoj mávajících MAV. Podrobné snímky z vysokorychlostních kamer umožnily vědcům studovat let ptáků a hmyzu ve velmi podrobných detailech. A jak se ukazuje, let mávání křídla je mnohem složitější, než se původně myslelo. Ale je také mnohem všestrannější a odolnější. To vysvětluje jeho vytrvalost v přírodě a jeho univerzálnost v designu MAV. Zde je několik videí z vysokorychlostní kamery zachycující včely za letu.
Průzkumník DelFly z Delft University of Technology je jeden zajímavý návrh mávajícího křídla MAV. Jeho malý a lehký systém stereo vidění mu umožňuje vyhýbat se překážkám a udržovat si vlastní výšku.
MAV Mávající křídlo nevyžadují přistávací dráhu. Mají také výhodu, že jsou schopni sedět na malých prostorech a šetřit tak energii. A mají potenciál být velmi tiché. Toto video ukazuje vozidlo s křídly, které vyvíjí společnost Airvironment.
MAV s klopným křídlem jsou vysoce ovladatelné. Protože generují svůj výtah z pohybu křídla, nikoli z pohybu vpřed, mohou cestovat velmi pomalu a dokonce se mohou vznášet. Mohou se dokonce zotavit z kolizí s překážkami tak, jak to MAV s pevnými nebo rotačními křídly nemohou. Když vozidlo s pevným křídlem s něčím narazí, ztratí svou rychlost a zvedání. Když vozidlo s otočným křídlem narazí na něco, ztratí rychlost rotoru a zdvih.
Kvůli jejich malé velikosti, mávat křídly MAVs být pravděpodobně levné vyrábět. Nikdy nebudou moci nést užitečné zatížení, které dokáže větší vozidlo, ale budou mít svou roli při zkoumání jiných světů.
Robotické sondy pro nás provedly všechny průzkumy v jiných světech za mnohem levnější cenu než posílání lidí. Zatímco mávající křídla MAV jsou v současné době navrženy s ohledem na pozemský výkon, je to dostatečně snadný skok od toho k návrhům pro jiné světy a další podmínky. Představte si malou flotilu klopných vozidel, která byla navržena pro tenčí atmosféru a slabší gravitaci, uvolněná do mapových jeskyní nebo jiných obtížně přístupných oblastí, k lokalizaci vody nebo minerálů nebo k mapování dalších prvků.
Mravenčí kolonie a kolektivní systémy
Mravenci se zdají bezduchí, když se na ně díváte jednotlivě. Ale dělají úžasné věci společně. Budují nejen složité a efektivní kolonie, ale také používají svá těla k budování plovoucích mostů a mostů zavěšených ve vzduchu. Toto chování se nazývá sebestavení.
Mravenčí kolonie a mravčí chování nás musí hodně naučit. Existuje celá oblast výzkumu s názvem Ant Colony Optimization, která má důsledky pro obvody a systémy, komunikaci, výpočetní inteligenci, řídicí systémy a průmyslovou elektroniku.
Zde je video mravenců Weaverů, kteří staví most, aby překlenuli mezeru mezi dvěma zavěšenými tyčemi. Chvíli jim to trvá. Uvidíme, jestli je můžete sledovat, aniž byste je rozveselili.
Mravenčí kolonie jsou jedním z příkladů tzv. Kolektivních systémů. Dalšími příklady kolektivních systémů v přírodě jsou včelí a vosí úly, mohyly termitů a dokonce i rybí hejna. Roboty v dalším videu byly navrženy tak, aby napodobovaly přirozené kolektivní systémy. Tito roboti umí jen velmi málo a jsou náchylní k chybám, ale když spolupracují, dokážou se sestavit do složitých tvarů.
Samoskládací systémy lze lépe přizpůsobit měnícím se podmínkám. Pokud jde o zkoumání jiných světů, roboti, kteří se dokáží sestavit, budou schopni reagovat na neočekávané změny v jejich okolí a v prostředích jiných světů. Zdá se jisté, že vlastní sestavení kolektivními systémy umožní našim budoucím robotickým průzkumníkům procházet prostředími a přežít situace, které nemůžeme předem navrhnout. Tito roboti budou mít nejen umělou inteligenci, aby mohli přemýšlet o svých problémech, ale budou také schopni se různými způsoby sami překonávat, aby překonali překážky.
Roboty modelované na zvířatech
Zkoumání Marsu pomocí robotických roverů je úžasným úspěchem. Když jsem zvědavost přistál na Marsu, nechal mě teče páteř. Ale naše současné vozítka se zdají křehká a křehká a pozorovat, jak se pohybují pomalu a neohrabaně po povrchu Marsu, vás nutí přemýšlet o tom, jak moc by v budoucnu mohli být lepší. Pomocí biomimikry k modelování robotických roverů na zvířatech bychom měli být schopni stavět mnohem lepší rovery, než máme v současnosti.
Kola jsou jednou z prvních a největších technologií lidstva. Ale potřebujeme dokonce kola na Marsu? Kola se zaseknou, nemohou procházet prudkými změnami výšky a mají jiné problémy. V přírodě nejsou žádná kola.
Hadi mají své vlastní jedinečné řešení problému lokomoce. Jejich schopnost pohybovat se po zemi, nahoru a přes překážky, mačkat přes úzká místa, a dokonce plavat, z nich činí velmi účinné predátory. A nikdy jsem neviděl hada se zlomeným letem nebo rozbitou nápravou. Mohly by být budoucí vozítka modelována na pozemských hadech?
Tento robot se pohybuje po podlaze stejným způsobem jako hadi.
Tady je další robot založený na hadech s přidanou schopností být doma ve vodě. Vypadá to, že si to užívá.
Tento robot není založen pouze na hadech, ale také na žížalách a hmyzu. Má dokonce prvky sebepojetí. Kola by to jen zadržovala. Některé segmenty by jistě mohly držet senzory a dokonce mohly získat vzorky pro analýzu. Sledujte, jak se znovu sestavuje, aby překonal překážky.
Je dost snadné vymyslet více použití hadích robotů. Představte si větší platformu podobnou zvědavosti MSL. Nyní si představte, že jeho nohy byly ve skutečnosti několika nezávislými hadími roboty, které by se mohly oddělit, provádět úkoly, jako je zkoumání obtížně přístupných oblastí a získávání vzorku, a pak se vrátit na větší platformu. Potom uloží vzorky, stáhnou data a znovu se připojí. Pak se celé vozidlo mohlo přesunout na jiné místo, kde hadi nesli plošinu.
Pokud to zní jako sci-fi, tak co? Milujeme sci-fi.
Solární energie: Slunečnice ve vesmíru
Tok energie ze slunce se zředí na pramínek, který se nachází v další části sluneční soustavy, kterou jdeme. I když stále více a více účinně sbíráme sluneční energii, biomimicry nabízí příslib 20% snížení potřebného prostoru solárních panelů, jen napodobením slunečnice.
Koncentrované solární elektrárny (CSP) jsou tvořeny řadou zrcadel nazývaných heliostaty, které sledují slunce při rotaci Země. Heliostaty jsou uspořádány v soustředných kruzích a zachycují sluneční světlo a odrážejí je směrem k centrální věži, kde se teplo přeměňuje na elektřinu.
Když vědci na MIT studovali CSP podrobněji, zjistili, že každý z heliostatů strávil část času ve stínu, takže je méně efektivní. Když pracovali s počítačovými modely k vyřešení problému, všimli si, že možná řešení jsou podobná spirálovým vzorům nalezeným v přírodě. Odtud hledali inspiraci na slunečnici.
Slunečnice není jediná květina. Je to sbírka malých květů zvaných kvítky, podobně jako jednotlivá zrcadla v CSP. Tyto kvítky jsou uspořádány ve spirálovém vzoru, přičemž každá kvete je orientována na 137 stupňů k sobě. Tomu se říká „zlatý úhel“, a když jsou kvítky uspořádány takto, tvoří řadu vzájemně propojených spirál, které odpovídají Fibonacciho posloupnosti. Výzkumníci MIT tvrdí, že uspořádání jednotlivých zrcadel stejným způsobem v CSP sníží potřebný prostor o 20%.
Protože stále vkládáme vše, co potřebujeme pro průzkum vesmíru, do vesmíru tím, že ho vyhodíme z gravitace Země dobře připoutané k obrovským drahým raketám, 20% zmenšení prostoru pro stejné množství shromážděné sluneční energie je významným zlepšením.
Extremofily a biomimicie
Extremofily jsou organismy přizpůsobené k prosperitě v extrémních podmínkách prostředí. Od roku 2013 bylo identifikováno 865 extremofilních mikroorganismů. Jejich uznání dalo novou naději na nalezení života v extrémních prostředích na jiných světech. Ale více než to, napodobování extremofilů nám může pomoci prozkoumat tato prostředí.
Přísně vzato, Tardigradové nejsou přesně extremofilii, protože ačkoli mohou přežít extrémy, nejsou v nich uspěcháni. Jejich schopnost vydržet extrémy životního prostředí však znamená, že nás mají co učit. Existuje asi 1 150 druhů Tardigradů a mají schopnost přežít v podmínkách, které by zabíjely lidské bytosti, a rychle by zhoršily fungování robotických sond, které můžeme poslat do extrémních prostředí.
Tardigrades jsou vlastně drobná, vodní, osminožci. Odolávají teplotám od absolutně nad absolutní nulou až po bod varu vody. Mohou přežít tlaky asi šestkrát větší, než je tlak na dně nejhlubších oceánských zákopů na Zemi. Tardigrades mohou také jít deset roků bez jídla nebo vody, a moci vyschnout na méně než 3% vody.
V podstatě jsou to super malí super hrdinové Země.
Ale pokud jde o průzkum vesmíru, zajímá nás to především jejich schopnost odolávat ionizujícímu záření tisícekrát vyšší, než dokáže odolat člověk. Tardigrádové se nazývají nejtvrdší stvoření přírody a je snadné pochopit proč.
Pravděpodobně je v oblasti sci-fi představit si budoucnost, kdy jsou lidé geneticky upraveni pomocí tardigrade genů, aby vydrželi záření v jiných světech. Pokud ale přežijeme dost dlouho, není pochyb o tom, že si půjčíme geny z jiného pozemského života, abychom nám pomohli expandovat do jiných světů. Je to jen logické. Je to ale daleko a mechanismy přežití tardigradu mohou začít hrát mnohem dříve.
Světy jako Země mají štěstí, že jsou zahaleny magnetosférou, která chrání biosféru před zářením. Ale mnoho světů a všechny měsíce ostatních planet naší sluneční soustavy - jiné než Ganymede - postrádají magnetosféru. Samotný Mars je zcela nechráněný. Přítomnost záření ve vesmíru a na světech bez ochranné magnetosféry nejen ničí živé věci, ale může ovlivňovat i elektronická zařízení tím, že zhoršuje jejich výkon, zkracuje jejich životnost nebo způsobuje úplné selhání.
Neočekává se, že by některé nástroje na sondě Juno, která je právě na cestě do Jupiteru, přežily po celou dobu mise kvůli extrémnímu záření kolem obří plynové planety. Samotné solární panely, které musí být vystaveny slunečnímu záření, aby mohly fungovat, jsou obzvláště citlivé na ionizující záření, které v průběhu času narušuje jejich výkon. Ochrana elektroniky před ionizujícím zářením je nezbytnou součástí konstrukce kosmické lodi a sondy.
Citlivá elektronika v kosmické lodi a sondách je obvykle chráněna hliníkem, mědí nebo jinými materiály. Sonda Juno používá inovativní titanový trezor k ochraně své nejcitlivější elektroniky. To sondě přidá objem a hmotnost a stále nebude poskytovat úplnou ochranu. Tardigradové mají nějaký jiný způsob, jak se chránit, což je pravděpodobně elegantnější než tohle. Je příliš brzy na to, abychom přesně řekli, jak to tardigradi dělají, ale pokud má stínění pigmentace něco společného a my to dokážeme zjistit, napodobováním Tardigradů se změní způsob, jakým navrhujeme kosmické lodě a sondy, a prodlouží se jejich životnost v extrémních radiačních prostředích.
Co takhle? Budou naše budoucí průzkumné mise zahrnovat hadské roboty, které se mohou samy sestavit do dlouhých řetězců, aby prozkoumaly těžko přístupné oblasti? Uvolníme roje mávajících MAV, které společně vytvářejí podrobné mapy nebo průzkumy? Budou naše sondy schopny prozkoumat extrémní prostředí mnohem déle, díky tardigrádské ochraně před zářením? Budou naše první základny na Měsíci nebo jiných světech poháněny Slunečnicovými koncentracemi s koncentrací?
Pokud byl Leonardo DaVinci tak chytrý, jak si myslím, byl, pak odpověď na všechny tyto otázky je ano.
