 Биомимикрия представляет собой практику использования конструкций из природного мира, чтобы решить технологические и технические проблемы.
Чем глубже присматриваться к природе, тем более увлекательной она становится. Когда мы смотрим глубже в природу, мы вглядываемся в лаборатории, которые имеют возраст более 3 миллиардов лет, где были реализованы, протестированы и пересмотрены решения проблем в течение эволюции. Вот почему биомимикрия является такой элегантной: на Земле, природа имела более 3 миллиардов лет, чтобы решить проблемы - те же самые виды проблем, которые человечество должно решить для продвижения в освоении космического пространства.
Чем мощнее наша технология становится, тем глубже мы можем заглянуть в природу. По мере того, как больше деталей раскрывается, более соблазнительные решения инженерных задач представляют себя. Ученые, которые изучают природу для решения инженерных и проектных проблем, пожинают плоды, и делают успехи в нескольких областях, связанных с освоением космоса.
Взять к примеру, микролетательные аппараты. Они имеют, как правило, не более 15 см в длину и 100 граммов в весе. Они также являются тихими. Оснащенные химическими снифферами, камерами или другим оборудованием, они могут быть использованы для изучения замкнутых пространств, слишком малых для того, чтобы их мог использовать человек, или скрытно изучить области любого размера. Они могут использоваться в таких ситуациях, как оценка промышленных аварий, как на Фукусиме, или для использования в военных целях. Но их потенциальное использование в других мирах, пока еще не разведанное, является наиболее увлекательным.
Микролетательные аппараты фигурировали в книгах и фильмах научной фантастики на протяжении многих лет. Подобные конструкции являются более продвинутыми, чем в настоящее время работал, но хлопающие крылья микролетательных аппаратов изучаются прямо сейчас, и являются предшественниками более продвинутых проектов в будущем.
Высокоскоростные камеры стимулировали микролетательных аппаратов с махающими крыльями. Подробные изображения с высокоскоростных камер позволили исследователям изучать полет птиц и насекомых в мельчайших подробностях. И, как выясняется, их полет является гораздо более сложнее, чем первоначально предполагалось. Но это также делает его гораздо более универсальным и устойчивым. Это объясняет его устойчивость в природе, и его универсальность в дизайне микролетательных аппаратов.
Хлопающие крыльями микролетательные аппараты не требуют взлетно-посадочной полосы. Они также имеют преимущество посадки на небольших пространствах, чтобы сохранить энергию. И у них есть потенциал, чтобы быть очень тихими. Они также являются очень маневренными. Поскольку они генерируют их подъем из движения крыла, а не движения вперед, они могут путешествовать очень медленно, и даже зависать. Они могут даже оправиться от столкновений с препятствиями в пути, в отличие от микролетательных аппаратов с неподвижным крылом или винтовыми крыльями. Когда с машина неподвижным крылом сталкивается с чем-то, она теряет свою скорость полёта и ее подъем. Когда поворотное крыло аппарата сталкивается с чем-то, он теряет свою скорость ротора и его подъем.
Из-за их небольшого размера, микролетательные аппараты, скорее всего станут дешевыми в производстве. Они никогда не будут нести полезную нагрузку, но они будут иметь свою роль в освоении других миров.
Роботизированные зонды сделали все для нас по изучению других миров, по намного более дешевой цене, чем отправление людей. В то время как микролетательные аппараты в настоящее время разработаны с земной производительности в виду, их достаточно легко перепрофилировать для работы в других мирах и других условиях. Их можно использовать для составления карты пещер и других труднодоступных мест, чтобы найти воду или минералы, или выделить другие особенности.
Муравьи кажутся бездумными, когда смотреть на них по отдельности. Но они делают удивительные вещи. Они не только строят сложные и эффективные колонии, они также используют свои тела, чтобы построить наплавные мосты и мосты, взвешенные в воздухе. Такое поведение называется самостоятельной сборкой.
Колонии муравьев и их поведение могут представить людям ценную информацию. Существует целая область исследований под названием называется Ant Colony Optiminzation, которая может привести к разработкам схем и систем, коммуникаций, вычислительной разведки, систем управления и промышленной электроники.
Колонии муравьев являются примером коллективных систем. Другими примерами коллективных систем природе являются ульи пчел и ос, курганы термитов и даже стаи рыб. В связи с этим были разработаны роботы, способные имитировать естественные коллективные системы. Эти роботы могут сделать очень мало работы в одиночку, и склонны к ошибкам, но, когда они работают вместе, они способны самоорганизоваться в сложные формы.
Самособирающиеся системы могут стать более приспособленными к меняющимся условиям. Когда дело доходит до изучения других миров, роботы, которые могут самостоятельно собираться, будут в состоянии реагировать на неожиданные изменения в их окружении и в условиях других миров. Нет сомнений, что самосборка в коллективных системах позволит будущим роботам-исследователям выживать в ситуациях, которые ученые не можем специально предвидеть в их конструкции заранее. Эти роботы будут иметь не только искусственный интеллект, чтобы продумывать свой путь, но также возможность самостоятельно собирать себя по-разному, чтобы преодолеть препятствия.
Исследование Марса с помощью марсоходов является удивительным достижением. Но нынешние марсоходы выглядят хрупкими, и двигаются медленно и неуклюже вокруг поверхности Марса, что заставляет задуматься о том, насколько лучше они могли бы быть в будущем. За счет использовании биомимикрии в роботах, основанной на животных, учение могут построить гораздо более лучшие марсоходы.
Колесо является одно из самых ранних технологий человечества. Но нужны ли роботам колеса на Марсе? Колеса часто застревают, не могут пройти резкие изменения в высоте, и имеют другие проблемы. К тому же в природе вообще нет колес.
Змеи имеют свое собственное уникальное решение проблемы передвижения. Их способность двигаться по земле и через препятствия, протискиваться через труднодоступные места, и даже плавать, делает их очень эффективными хищниками. Может быть, будущие марсоходы будут смоделированы на основе змей?
Достаточно легко представить несколько возможностей использования змей-ботов. Представьте себе большую платформу, похожую на MSL Curiosity. Теперь представьте себе, если ее ноги были бы на самом деле несколькими независимыми змей-ботами, которые могли бы отделиться, выполняя такие задачи, как изучение труднодоступных мест и извлечение образцов, с последующим возвратом к большей платформы. Они бы тогда собрали образцы, скачали данные, и повторно собрались бы вместе. Затем весь аппарат может двигаться в другое место со змей-ботами, несущими платформу.
Поток энергии от солнца разбавляется до минимума по мере удаления от Солнечной системы. В то время как человечество продолжат все более эффективно собирать энергию от солнца, биомимикрия предлагает сокращение требуемого пространства солнечной панели на 20%, просто подражая подсолнечнику.
Концентрированные солнечные электростанции изготовлены из массива зеркал, называемых гелиостатами, которые отслеживают солнце по мере вращения Земли. Гелиостаты расположены в концентрических кругах, и они ловят солнечный свет, отражая его к центральной башне, где тепло преобразуется в электроэнергию.
Когда исследователи изучили солнечные электростанции более подробно, то они обнаружили, что каждый из гелиостатов провел часть времени в тени, что делало их менее эффективными. Когда они работали с компьютерными моделями, чтобы решить эту проблему, они заметили, что возможные решения были похожи на спиральные узоры, встречающиеся в природе. Отсюда они обратились к подсолнечникц для вдохновения.
Подсолнечник – это не просто один цветок. Это коллекция из мелких цветков, называемых цветочки, как и отдельные зеркала в солнечных электростанциях. Эти цветки расположены по спирали, в которой цветочки ориентированы на 137 градусов друг к другу. Это называется «золотым углом», и когда цветочки располагаются таким образом, они образуют массив взаимосвязанных спиралей, который соответствует последовательности Фибоначчи. Исследователи говорят, что организации индивидуальных зеркал подобным образом в солнечных электростанциях снизит требуемое пространство на 20%.
Экстремофилы представляют собой организмы, адаптированные к процветанию в экстремальных условиях окружающей среды. В 2013 году было выявлено 865 экстремофильных микроорганизмов. Их обнаружение дает новую надежду в поиске жизнь в экстремальных условиях в других мирах. Но более того, имитация экстремофилов может помочь ученым в изучении этих сред.
Строго говоря, тихоходки не совсем являются экстремофилами, потому что, хотя они могут выжить в крайностях, они не приспособлены к тому, чтобы развиваться в подобных условиях. Тем не менее, их способность выдерживать экологические крайности означает, что от них можно многое познать. Есть около 1150 видов тихоходок, и они имеют способность к выживанию в условиях, которые привели бы к гибели людей, и быстро деградируют функционирование любых автоматических зондов, которые ученые могут посылать в экстремальных условиях.
Тихоходки на самом деле являются крошечными, водными, восьминогими микроживотными. Они могут выдерживать температуру от чуть выше абсолютного нуля до температуры, превышающей точку кипения воды. Они могут выжить при давлении примерно в шесть раз больше, чем давление в нижней части глубоких океанских впадин на Земле. Тихоходки могут также прожить десять лет без еды и воды, и могут иссушиться до менее чем 3% воды. Они в основном представляют собой супер-крошечных супергероев Земли.
Но при исследовании космоса особенно выделяется их способность выдерживать ионизирующее излучение - в тысячи раз выше того, что люди могут выдержать, что интересует их больше всего. Тихоходок называют самыми выносливыми существами природы, и легко понять, почему.
Вероятно, в области научной фантастики можно представить себе будущее, где люди генетически модифицируются с генами для выдерживания излучения в других мирах. Но если мы проживем достаточно долго, то нет никаких сомнений, что мы позаимствуем гены от другой земной жизни, чтобы помочь нам расширится в другие миры. Это логично. Но до этого пока еще далеко, и медленно развивающиеся механизмы выживания могут вступить в игру гораздо раньше.
Земля, к счастью, окутана магнитосферой, которая защищает биосферу от радиации. Но многие миры, и все спутники других планет в солнечной системе не имеют магнитосферу. Сам Марс является полностью незащищенным. Наличие излучения в космосе, и в мирах без защитной магнитосферы не только убивает живые организмы, но и может повлиять на электронные устройства, деградируя их производительность, сокращая срок их службы, или приводя к полному отказу.
Некоторые из инструментов на зонде Juno, который находится на пути к Юпитеру прямо сейчас, могут не выжить на протяжении миссии из-за крайнего излучения вокруг газового гиганта. Сами Солнечные панели, которые должны обращаться к солнцу для того, чтобы функционировать, особенно подвержены воздействию ионизирующего излучения, которое разрушает их работу в течение долгого времени. Защита электроники от ионизирующего излучения является неотъемлемой частью конструкции космического корабля и зонда.
Как правило, чувствительная электроника в космических аппаратах и зондах экранирована алюминием, медью или другими материалами. Зонд Juno использует инновационное титановое хранилище, чтобы защитить свою наиболее чувствительную электронику. Это добавляет объем и вес зонда, и до сих пор не обеспечивает полной защиты. У тихоходки есть другой способ для защиты себя, которое, вероятно является более элегантным. Слишком рано точно говорит, как тихоходки это делают, но, если экранирование пигментацией может что-то с этим делать, и мы можем понять это, то имитация тихоходки изменит способ, которым мы проектируем космические корабли и зонды, а также расширит их продолжительность работы в экстремальных условиях радиации.
Так будут ли наши будущие миссии по разведке космоса привлекать змей-ботов, которые могут самостоятельно собираться в длинные цепочки, чтобы исследовать труднодоступные места? Сможем ли мы выпустить махающих крыльями аппараты, которые работают вместе, чтобы создать детальные карты или обследования? Будут ли наши зонды смогут исследовать области с экстремальными условиями для более длительных периодов времени, благодаря новой защите от радиации? Будут ли наши первые базы на Луне или других мирах питаться от солнечных электростанций на основе подсолнечника? Время покажет.
|
