"Oni koji su nadahnuti drugim modelom, a ne Prirodom, ljubavnica iznad svih majstora, uzalud se trude.”
-Leonardo da Vinci
Ono o čemu je DaVinci govorio, iako ga tada još nisu zvali, bila je biomimikrija. Je li danas živ, nema sumnje da bi gospodin DaVinci bio veliki pobornik biomimikrije.
Priroda je fascinantnija što dublje uđete u nju. Kad pogledamo duboko u prirodu, zavirimo u laboratoriju staru više od 3 milijarde godina, gdje su rješenja problema implementirana, testirana i revidirana tijekom evolucije. To je razlog zašto je biomimikrija tako elegantna: na Zemlji je priroda imala više od 3 milijarde godina da riješi probleme, iste takve probleme koje moramo riješiti za napredovanje u svemirskim istraživanjima.
Što je naša tehnologija snažnija, to dublje možemo ući u prirodu. Kako se otkrivaju veće pojedinosti, sve se više izluđuju rješenja za inženjerske probleme. Znanstvenici koji traže prirodu za rješenja inženjerskih i dizajnerskih problema žeti nagrade i napreduju u nekoliko područja koja se odnose na istraživanje svemira.
Mikro vazdušna vozila koja se kriju u krilo (MAVs)
MAV-ovi su mali, obično ne veći od 15 cm i težine 100 grama. MAV-ovi nisu samo mali, oni su tihi. Opremljeni kemijskim njuškicama, kamerama ili drugom opremom, mogli bi se koristiti za istraživanje zatvorenih prostora premalijih za pristup ljudi ili za kruto istraživanje područja bilo koje veličine. Zemaljska upotreba mogla bi uključivati situacije talaca, procjenu industrijskih nesreća poput Fukušime ili vojne uporabe. Ali to je njihova potencijalna upotreba na drugim svjetovima koje još treba istražiti, a koji su najfascinantniji.
MAV-i su se tijekom godina pojavljivali u knjigama i filmovima znanstvene fantastike. Pomislite na tragače lovaca u Duni ili na sonde u Prometeju koje su korištene za mapiranje odaja ispred ljudi. Ti su dizajni napredniji od svega na čemu se trenutno radi, ali trenutno se istražuju i dizajniraju MAV-ovi koji se kreću i koji su preteča naprednijih dizajna u budućnosti.
Kamere velike brzine potaknule su razvoj MAV-ova koji lepršaju. Detaljne slike brzih kamera omogućile su istraživačima detaljno proučavanje leta ptica i insekata. A kako se ispostavilo, let u krilo je puno složeniji nego što se u početku mislilo. Ali to je također mnogo svestranije i otpornije. To objašnjava njegovu postojanost u prirodi i svestranost u MAV dizajnu. Evo nekoliko videa s kamere velike brzine koja bilježi pčele u letu.
DelFly Explorer sa Sveučilišta Delft u tehnologiji je intrigantan dizajn MAV-a koji ima krila. Njegov mali i lagani sustav stereo vida omogućuje mu izbjegavanje prepreka i održavanje vlastite visine.
MAV-i koji kriju krilom ne trebaju pistu. Oni također imaju prednost što mogu uskočiti na male prostore radi uštede energije. I imaju potencijal da budu vrlo tihi. Ovaj video prikazuje vozilo s krilom koji se naglo kreće od strane tvrtke Airvironment.
MAV-ovi sa zakrilnim krilima vrlo su upravljivi. Pošto generiraju svoj pokret iz kretanja krila, umjesto kretanja prema naprijed, mogu putovati vrlo sporo, pa čak i lebdeći. Oni se čak mogu oporaviti od sudara s preprekama na način na koji MAV-ovi s fiksnim krilom ili okretnim krilom ne mogu. Kada se vozilo s nepokretnim krilima sudara s nečim, gubi brzinu zraka i diže se. Kad se vozilo s rotirajućim krilima sudari s nečim, gubi brzinu rotora i podiže se.
Zbog njihove male veličine, MAV-ove koji imaju krila vjerojatno su jeftini za proizvodnju. Nikada neće moći prenijeti opterećenje koje veće vozilo može, ali imat će svoju ulogu u istraživanju drugih svjetova.
Robotske sonde učinile su sve istraživanje za nas na drugim svjetovima, po mnogo jeftinijim cijenama od slanja ljudi. Iako su krila MAV-a koja lepršaju trenutno dizajnirana s obzirom na zemaljske performanse, to je dovoljno lak skok od toga do dizajna za druge svjetove i druge uvjete. Zamislite malu flotu vozila s krilima koja su dizajnirana za tanju atmosferu i slabiju gravitaciju, a koja se pušta u mapi špilja ili drugih teško dostupnih područja, u pronalaženju vode ili minerala ili u mapi drugih značajki.
Ant kolonije i kolektivni sustavi
Mravi izgledaju besmisleno kada ih gledate pojedinačno. Ali zajedno rade nevjerojatne stvari. Ne samo što grade složene i učinkovite kolonije, već koriste i svoja tijela kako bi izgradili plutajuće mostove i mostove ovješene u zraku. Takvo se ponašanje naziva samo-sastavljanje.
Kolonije mrava i ponašanje mrava puno nas uče. Postoji čitavo polje istraživanja pod nazivom Ant Colony Optimization koje ima posljedice na sklopove i sustave, komunikacije, računalnu inteligenciju, upravljačke sustave i industrijsku elektroniku.
Evo videozapisa kako Weaver mravi grade most da probiju jaz između dva viseća štapa. Treba im vremena da to dobiju. Pogledajte možete li gledati a da ih ne razveselite.
Kolonije mrava jedan su primjer onoga što se naziva kolektivnim sustavima. Ostali primjeri kolektivnih sustava u prirodi su košnice pčela i osi, termitni nasipi, pa čak i škole riba. Roboti u sljedećem videu dizajnirani su tako da oponašaju prirodne kolektivne sustave. Ovi roboti mogu vrlo malo samostalno raditi i skloni su pogreškama, ali kada rade zajedno, sposobni su samostalno sastaviti u složene oblike.
Sustavi za samonastavljanje mogu biti prilagodljiviji promjenjivim uvjetima. Kada je riječ o istraživanju drugih svjetova, roboti koji se mogu samostalno sastaviti moći će odgovoriti na neočekivane promjene u svojoj okolini i okruženju drugih svjetova. Čini se izvjesnim da će samo-sastavljanje kolektivnim sustavima omogućiti našim budućim robotskim istraživačima da prelaze okruženja i preživljavaju situacije za koje ih ne možemo unaprijed osmisliti. Ovi roboti ne samo da će imati umjetnu inteligenciju kako bi promišljali svoj put kroz probleme, već će se moći i samostalno sastaviti na različite načine kako bi prevladali prepreke.
Roboti po uzoru na životinje
Istraživanje Marsa robotskim roverima iznenađujuće je dostignuće. Kad sam radoznalo sletio na Mars, hladnoća mi je pala niz kralježnicu. Ali naši trenutni roveri izgledaju krhki i krhki, a gledajući ih kako se polako i nespretno kreću po površini Marsa, zapitate se koliko bi bolji mogli biti u budućnosti. Korištenjem biomimikrije za modeliranje robotskih rovera na životinjama, trebali bismo biti u mogućnosti izgraditi mnogo bolje rovere nego što to trenutno imamo.
Kotači su jedna od najranijih i najvećih tehnologija čovječanstva. Ali trebaju li nam još i kotači na Marsu? Kotači se zaglave, ne mogu preći nagle promjene visine i imaju drugih problema. U prirodi nema kotača.
Zmije imaju svoje jedinstveno rješenje problema kretanja. Njihova sposobnost da se kreću kopnom, gore i preko prepreka, provlače se kroz uska mjesta, pa čak i plivaju, čine ih vrlo učinkovitim grabežljivcima. A nikad nisam vidio zmiju slomljenom letjelicom ili razbijenu osovinu. Mogu li se budući roveri modelirati na zemaljskim zmijama?
Ovaj se robot kreće po podu kao što to rade zmije.
Evo još jednog robota zasnovanog na zmijama, s dodatnom sposobnošću da budu kod kuće u vodi. Ovaj izgleda kao da uživa.
Ovaj se robot ne temelji samo na zmijama, već i na crvenim glistama i insektima. Čak ima elemente samo-sklapanja. Kotači bi ga samo zadržavali. Neki bi segmenti sigurno mogli posjedovati senzore, a čak bi mogli i uzeti uzorke za analizu. Gledajte kako se ponovno sastavlja kako bi svladala prepreke.
Lako je razmišljati o višestrukoj upotrebi zmijskih botova. Zamislite veću platformu, sličnu MSL Curiosityu. Zamislite da su na nogama zapravo nekoliko neovisnih zmija-botova koji bi se mogli odvojiti od sebe, obavljati zadatke poput istraživanja teško pristupačnih područja i pronalaženja uzorka, a zatim se vraćaju na veću platformu. Potom bi deponirali uzorke, preuzeli podatke i ponovno se priključili. Tada bi se cijelo vozilo moglo premjestiti na neko drugo mjesto, s tim da su zmijski botovi nosili platformu.
Ako ovo zvuči kao znanstvena fantastika, pa što? Volimo naučnu fantastiku.
Sunčeva snaga: Suncokreti u svemiru
Sunčev tok energije razrjeđen je da bi zaustavio daljnje polje Sunčevog sustava kojim idemo. Iako smo i dalje sve učinkovitiji u prikupljanju sunčeve energije, biomimikrija nudi obećanje 20-postotnog smanjenja prostora na solarnoj ploči, samo oponašanjem suncokreta.
Koncentrirane solarne biljke (CSP) sastoje se od niza ogledala, nazvanih heliostati, koji prate sunce dok se Zemlja okreće. Heliostati su raspoređeni u koncentričnim krugovima, a oni hvataju sunčevu svjetlost i odbijaju je prema središnjem tornju, gdje se toplina pretvara u električnu energiju.
Kada su istraživači s MIT-a detaljnije proučavali CSP-ove, otkrili su da je svaki heliostat dio vremena proveo u sjeni, što ih čini manje učinkovitima. Dok su radili s računalnim modelima kako bi riješili problem, primijetili su da su moguća rješenja slična spiralnim uzorcima koji se nalaze u prirodi. Odatle su nadahnuće pogledali suncokret.
Suncokret nije jedan cvijet. To je zbirka sitnog cvijeća zvanog florets, slično kao pojedinačna ogledala u CSP-u. Ti su cvjetovi raspoređeni u spiralnom uzorku, pri čemu je svaka cvjetnica usmjerena na 137 stupnjeva jedna prema drugoj. To se naziva „zlatni ugao“, a kad su cvjetovi raspoređeni na ovaj način, oni formiraju niz međusobno povezanih spirala koje su u skladu s Fibonaccijevim nizom. Istraživači MIT-a kažu da će organiziranje pojedinačnih ogledala na isti način u CSP-u smanjiti potreban prostor za 20%.
Budući da još uvijek stavljamo sve što nam je potrebno za istraživanje svemira izbacivanjem Zemljine gravitacije, dobro vezane ogromnim, skupim raketama, 20-postotno smanjenje prostora za istu količinu solarne energije prikupljeno je značajno poboljšanje.
Ekstremofili i biomimikrija
Ekstremofili su organizmi prilagođeni da uspijevaju u ekstremnim okolišnim uvjetima. Od 2013. godine identificirano je 865 ekstremofilnih mikroorganizama. Njihovo prepoznavanje dalo je novu nadu u pronalazak života u ekstremnim okruženjima na drugim svjetovima. Ali i više od toga, oponašanje ekstremofila moglo bi nam pomoći istražiti ta okruženja.
Strogo govoreći, Tardigrade nisu baš ekstremofili, jer iako mogu preživjeti krajnosti, nisu prilagođeni da im napreduju. Međutim, njihova sposobnost da izdrže ekstremne okolnosti znači da nas moraju mnogo naučiti. Postoji oko 1150 vrsta Tardigrada, koje imaju sposobnost preživljavanja u uvjetima koji bi ubili ljudska bića i brzo bi narušili funkcioniranje bilo kakvih robotskih sondi koje bismo mogli poslati u ekstremna okruženja.
Tardigrade su zapravo sićušne, vodene, osmonoge mikro-životinje. Oni mogu podnijeti temperaturu od nešto više od apsolutne nule do iznad vrelišta vode. Oni mogu preživjeti pritiske oko šest puta veće od pritiska na dnu najdubljih okejskih rovova na Zemlji. Tardigrade mogu proći i deset godina bez hrane i vode, a mogu isušiti na manje od 3% vode.
U osnovi su super maleni super heroji na Zemlji.
Ali što se tiče istraživanja svemira, to nas najviše zanima, to su njihova sposobnost da izdrže ionizirajuće zračenje tisućama puta većim nego što to ljudi mogu izdržati. Tardigrade se nazivaju najtežim stvorenjima u prirodi i lako je shvatiti zašto.
Vjerojatno je u sferi znanstvene fantastike zamisliti budućnost u kojoj su ljudi genetski projektirani tardigradnim genima da bi izdržali zračenje na druge svjetove. Ali ako preživimo dovoljno dugo, ne sumnjam da ćemo posuditi gene iz drugog zemaljskog života koji će nam pomoći da se proširimo u druge svjetove. To je jedino logično. Ali to je dug put, a tardigradni mehanizmi preživljavanja mogu se ući mnogo prije.
Svjetovi poput Zemlje imaju sreću da ih je prekrita magnetosfera koja štiti biosferu od zračenja. Ali mnogim svjetovima, kao i svim mjesečevima drugih planeta u našem Sunčevom sustavu - osim Ganymeda - nedostaje magnetosfera. Sam Mars je potpuno nezaštićen. Prisutnost zračenja u svemiru i na svjetovima bez zaštitne magnetosfere ne samo da ubija živa bića, već može utjecati na elektroničke uređaje degradirajući njihove performanse, skraćujući njihov životni vijek ili uzrokujući potpuni neuspjeh.
Neki instrumenti na sondi Juno, koja je trenutno na putu za Jupiter, ne očekuje se da će preživjeti tijekom misije zbog ekstremnog zračenja oko ogromnog plinskog planeta. Sami solarni paneli, koji moraju biti izloženi suncu kako bi djelovali, posebno su osjetljivi na ionizirajuće zračenje, što s vremenom narušava njihove performanse. Zaštita elektronike od ionizirajućeg zračenja važan je dio svemirskog broda i sonde.
Obično je elektronika u svemirskim brodovima i sondama zaštićena aluminijom, bakrom ili drugim materijalima. Sonda Juno koristi inovativni sita od titana da zaštiti svoju najosjetljiviju elektroniku. To dodaje veliku masu i težinu sondi, a još uvijek neće pružiti potpunu zaštitu. Tardigradi imaju neki drugi način zaštite koji je vjerojatno elegantniji od ovoga. Prerano je reći točno kako tardigradi to rade, ali ako štit pigmentacije ima neke veze s tim, a mi to možemo shvatiti, oponašanje Tardigrada će promijeniti način projektiranja svemirskih letjelica i sondi i produljiti njihov životni vijek u ekstremnim radijacijskim okruženjima.
Pa kako bi bilo? Hoće li naše buduće istraživačke misije uključivati zmijske boce koji se mogu samostalno sastaviti u dugačke lance kako bi istražili teško dostupna područja? Hoćemo li osloboditi rojeve krivaca MAV koji zajedno rade na stvaranju detaljnih karata ili anketa? Hoće li naše sonde moći istražiti ekstremna okruženja kroz dulje vremensko razdoblje zahvaljujući Tardigradnoj zaštiti od zračenja? Hoće li naše prve baze na mjesecu ili drugim svjetovima pokretati koncentrirane solarne biljke nadahnute suncokretom?
Ako je Leonardo DaVinci bio toliko pametan koliko mislim da jest, odgovor na sva ta pitanja je da.
