"De som är inspirerade av en annan modell än naturen, en älskarinna framför alla mästare, arbetar förgäves.”
-Leonardo Da Vinci
Det DaVinci pratade om, även om det inte kallades det då, var biomimik. Om han levde idag, finns det ingen tvekan om att Mr. DaVinci skulle vara en stor förespråkare för biomimik.
Naturen är mer fascinerande ju djupare man tittar på den. När vi tittar djupt in i naturen tittar vi in i ett laboratorium som är över 3 miljarder år gammalt, där lösningar på problem har implementerats, testats och reviderats under utvecklingen. Det är därför biomimik är så elegant: på jorden har naturen haft mer än 3 miljarder år för att lösa problem, samma problem som vi behöver lösa för att gå vidare i rymdutforskningen.
Ju kraftfullare vår teknik blir, desto djupare kan vi se in i naturen. I takt med att mer detaljer avslöjas, presenteras mer främmande lösningar på tekniska problem. Forskare som ser till naturen för lösningar på konstruktions- och designproblem skördar fördelarna och tar framsteg på flera områden som är relaterade till rymdutforskning.
Klaffvingar med mikroflygning (MAV)
MAV: er är små, vanligtvis inte större än 15 cm långa och 100 gram i vikt. MAV: er är inte bara små, de är tysta. De är utrustade med kemiska sniffare, kameror eller annan utrustning och kan användas för att utforska trånga utrymmen för små för en människa att komma åt, eller för att snyggt utforska områden av vilken storlek som helst. Terrestriska användningar kan inkludera gisselsituationer, bedöma industriolyckor som Fukushima eller militär användning. Men det är deras potentiella användning på andra världar som ännu inte har utforskats som är det mest fascinerande.
MAV: er har dykt upp i science fiction-böcker och filmer under åren. Tänk på jägaresökarna i Dune eller sonderna i Prometheus som användes för att kartlägga kammaren framför människorna. Dessa mönster är mer avancerade än någonting som för närvarande arbetas med, men flappvingade MAV: er forskas och designas just nu och är föregångarna till mer avancerade mönster i framtiden.
Hög hastighetskameror har drivit på utvecklingen av flappvingar MAV: er. De detaljerade bilderna från höghastighetskameror har gjort det möjligt för forskare att studera fågel- och insektsflykt i detalj. Och som det visar sig, är flygning med vingande vingar mycket mer komplicerad än vad man först trodde. Men det är också mycket mer mångsidigt och fjädrande. Det förklarar dess uthållighet i naturen och dess mångsidighet i MAV-design. Här är en video från en höghastighetskamera som fångar bin under flykt.
DelFly Explorer från Delft tekniska universitet är en spännande design av flappsvinge MAV. Det lilla och lätta stereosynssystemet gör det möjligt att undvika hinder och behålla sin höjd på egen hand.
Mappar med flappsvingar behöver inte en bana. De har också fördelen av att kunna sitta på en liten plats för att spara energi. Och de har potential att vara väldigt tyst. Den här videon visar ett flappsvängt fordon som utvecklas av Air Environment.
Mappar med flappsvingar är mycket manövrerbara. Eftersom de genererar sin lyft från vingrörelsen, snarare än framåt, kan de resa väldigt långsamt och till och med sväva. De kan till och med återhämta sig från kollisioner med hinder på sätt som fixerade ving- eller roterande ving-MAV: er inte kan. När ett fast fordon kolliderar med något förlorar det lufthastigheten och lyft. När ett roterande fordon kolliderar med något förlorar det rotorhastigheten och lyft.
På grund av deras lilla storlek är det troligt att flappvingade MAV: er är billiga att producera. De kommer aldrig att kunna bära den nyttolast som ett större fordon kan, men de kommer att ha sin roll i utforskningen av andra världar.
Robotprober har gjort alla utforskningar för oss i andra världar, till en mycket billigare kostnad än att skicka människor. Medan flappande vingar-MAV: er för närvarande utformas med markprestanda i åtanke, är det ett tillräckligt enkelt hopp från det till mönster för andra världar och andra förhållanden. Föreställ dig en liten flotta med flappsvingar som är utformad för en tunnare atmosfär och svagare tyngdkraft, släppt för att kartlägga grottor eller andra svåråtkomliga områden, för att hitta vatten eller mineraler eller för att kartlägga andra funktioner.
Myrkolonier och kollektiva system
Myror verkar sinneslösa när du tittar på dem individuellt. Men de gör fantastiska saker tillsammans. De bygger inte bara intrikata och effektiva kolonier, de använder också sina kroppar för att bygga flytande broar och broar upphängda i luften. Detta beteende kallas självmontering.
Myrkolonier och myras beteende har mycket att lära oss. Det finns ett helt forskningsfält som heter Ant Colony Optimization som har konsekvenser för kretsar och system, kommunikation, beräkningsintelligens, kontrollsystem och industriell elektronik.
Här är en video av Weaver-myror som bygger en bro för att spänna mellan klyftan mellan två upphängda pinnar. Det tar dem ett tag att få det. Se om du kan titta utan att heja på dem.
Myrkolonier är ett exempel på vad som kallas kollektiva system. Andra exempel på kollektiva system i naturen är bin- och getinghud, termithögar och till och med fiskskolor. Roboterna i nästa video har utformats för att efterlikna naturliga kollektiva system. Dessa robotar kan göra mycket lite ensamma och är benägna att göra fel, men när de arbetar tillsammans kan de själva samlas i komplexa former.
Självmonterande system kan vara mer anpassningsbara till förändrade förhållanden. När det gäller att utforska andra världar, kommer robotar som kan självmontera att kunna svara på oväntade förändringar i deras omgivningar och i miljöer i andra världar. Det verkar säkert att självmontering av kollektiva system kommer att göra det möjligt för våra framtida robotutforskare att korsa miljöer och överleva situationer som vi inte specifikt kan utforma dem i förväg. Dessa robotar kommer inte bara att ha artificiell intelligens för att tänka sig igenom problem, utan kommer också att kunna självmontera sig på olika sätt för att övervinna hinder.
Roboter modellerade på djur
Att utforska Mars med robotrover är en häpnadsväckande prestation. Jag fick frossa i ryggraden när Curiosity landade på Mars. Men våra nuvarande rovers verkar spröda och svaga, och att titta på dem rör sig långsamt och klumpigt runt Marsytan får dig att undra hur mycket bättre de kan bli i framtiden. Genom att använda biomimik för att modellera robot-rover på djur, borde vi kunna bygga mycket bättre rover än vi har för närvarande.
Hjul är en av mänsklighetens tidigaste och bästa tekniker. Men behöver vi till och med hjul på Mars? Hjul fastnar, kan inte gå igenom plötsliga höjdförändringar och har andra problem. Det finns inga hjul i naturen.
Ormar har sin egen unika lösning på problemet med rörelse. Deras förmåga att röra sig över land, upp och över hinder, pressa genom trånga platser och till och med simma, gör dem till mycket effektiva rovdjur. Och jag har aldrig sett en orm med en trasig låt eller en bustad axel. Kan framtida rover modelleras på markormar?
Denna robot rör sig över golvet på samma sätt som ormar gör.
Här är en annan robot baserad på ormar, med den extra förmågan att vara hemma i vattnet. Den här ser ut som den tycker om sig själv.
Denna robot är inte bara baserad på ormar, utan också tummaskar och insekter. Det har till och med delar av självmontering. Hjul skulle bara hålla tillbaka det. Vissa segment kan säkert innehålla sensorer, och det kan till och med hämta prover för analys. Se när det sätter sig igen för att övervinna hinder.
Det är lätt nog att tänka på flera användningar av ormbots. Föreställ dig en större plattform, liknande MSL Curiosity. Föreställ dig nu om benen faktiskt var flera oberoende ormbottar som kunde lossa sig, utföra uppgifter som att utforska svåråtkomliga områden och hämta prov och sedan återgå till den större plattformen. De skulle sedan deponera prover, ladda ner data och fästa sig igen. Då kunde hela fordonet flytta till en annan plats, med ormbotten som bär plattformen.
Om detta låter som science fiction, så vad? Vi älskar science fiction.
Solkraft: solrosor i rymden
Energiflödet från solen späds ut till ett trick som är längre bort i solsystemet vi går. Medan vi blir mer och mer effektiva på att samla solens energi, erbjuder biomimik löfte om 20% minskning av solpanelens utrymme som krävs, bara genom att efterlikna solrosen.
Koncentrerade solväxter (CSP) består av en rad speglar, kallad heliostatiska, som spårar solen när jorden roterar. Heliostatterna är arrangerade i koncentriska cirklar, och de fångar solljuset och reflekterar det mot ett centralt torn, där värmen omvandlas till el.
När forskare vid MIT studerade CSP: er mer detaljerade, upptäckte de att var och en av heliostatterna tillbringade en del av tiden skuggade, vilket gjorde dem mindre effektiva. När de arbetade med datormodeller för att lösa problemet märkte de att möjliga lösningar liknade spiralmönster i naturen. Därifrån tittade de på solrosen för inspiration.
Solrosen är inte en enda blomma. Det är en samling små blommor som kallas blommor, ungefär som de enskilda speglarna i en CSP. Dessa floretter är arrangerade i ett spiralmönster med varje floret orienterad vid 137 grader mot varandra. Detta kallas 'gyllene vinkel', och när blommorna är arrangerade så här bildar de en matris med sammankopplade spiraler som överensstämmer med Fibonacci-sekvensen. MIT-forskare säger att organisering av individuella speglar på samma sätt i en CSP kommer att minska utrymmet som behövs med 20%.
Eftersom vi fortfarande lägger allt vi behöver för utforskning av rymden i rymden genom att spränga det ur jordens tyngdkraft väl fastkopplat till enorma, dyra raketer, är en 20% minskning av utrymmet för samma mängd solenergi som samlas in en betydande förbättring.
Extremofiler och biomimik
Extremofiler är organismer anpassade att trivas under extrema miljöförhållanden. Från 2013 har det identifierats 865 extremofila mikroorganismer. Deras erkännande har gett nytt hopp om att hitta liv i extrema miljöer i andra världar. Men mer än så kan efterlikna extremofiler hjälpa oss att utforska dessa miljöer.
Strängt taget är Tardigrades inte exakt extremofiler, för även om de kan överleva ytterligheter är de inte anpassade för att trivas i dem. Men deras förmåga att tåla miljömässiga ytterligheter betyder att de har mycket att lära oss. Det finns cirka 1 150 arter av Tardigrades, och de har förmågan att överleva under förhållanden som skulle döda människor, och skulle snabbt försämra funktionen av alla robotprober som vi kan skicka till extrema miljöer.
Tardigrader är faktiskt små, vattenlevande, åttbensade mikrodjur. De tål temperaturer från precis över absolut noll till väl över kokpunkten för vatten. De kan överleva tryck som är ungefär sex gånger större än trycket i botten av de djupaste havsgravarna på jorden. Tardigrades kan också gå tio år utan mat eller vatten och kan torka ut till mindre än 3% vatten.
De är i grund och botten jordens superfina superhjältar.
Men när det gäller rymdutforskning är det deras förmåga att tåla joniserande strålning tusentals gånger högre än människor tål, det som intresserar oss mest. Tardigrades kallas naturens tuffaste varelser, och det är lätt att se varför.
Det ligger antagligen inom science fiction-området att föreställa sig en framtid där människor är genetiskt konstruerade med tardigrade gener för att motstå strålning på andra världar. Men om vi överlever tillräckligt länge, finns det ingen tvekan i mitt sinne att vi kommer att låna gener från andra jordliga liv för att hjälpa oss att expandera till andra världar. Det är bara logiskt. Men det är långt borta, och tardigrade överlevnadsmekanismer kan komma att spela mycket tidigare.
Världar som Jorden är tur att bli höljda av en magnetosfär, som skyddar biosfären från strålning. Men många världar, och alla månar från de andra planeterna i vårt solsystem - andra än Ganymede - saknar en magnetosfär. Mars själv är helt oskyddad. Närvaron av strålning i rymden, och på världar utan skyddande magnetosfär, dödar inte bara levande saker utan kan påverka elektroniska enheter genom att försämra deras prestanda, förkorta deras livslängd eller orsaka fullständigt misslyckande.
Några av instrumenten på Juno-sonden, som är på väg till Jupiter just nu, förväntas inte överleva under uppdragets varaktighet på grund av den extrema strålningen runt den jätte gasplaneten. Solpanelerna själva, som måste utsättas för solen för att kunna fungera, är särskilt mottagliga för joniserande strålning, vilket eroderar deras prestanda över tid. Att skydda elektronik från joniserande strålning är en viktig del av rymdskepp och sondesign.
Vanligtvis är den känsliga elektroniken i rymdskepp och sonder skyddade av aluminium, koppar eller andra material. Juno-sonden använder ett innovativt titanvalv för att skydda sin mest känsliga elektronik. Detta lägger sondens vikt och vikt och ger fortfarande inte fullständigt skydd. Tardigraderna har något annat sätt att skydda sig själva, vilket förmodligen är mer elegant än detta. Det är för tidigt att säga exakt hur tardigrader gör det, men om pigmentskärmning har något att göra med det, och vi kan räkna ut det, kommer att efterlikna Tardigrades förändra det sätt vi designar rymdskepp och sonder och förlänger deras livslängd i extrema strålningsmiljöer.
Så hur är det? Kommer våra framtida utforskningsuppdrag att involvera ormbottar som kan monteras själv i långa kedjor för att utforska svåråtkomliga områden? Kommer vi att släppa loss svärmar av flappningsvingade MAV: er som arbetar tillsammans för att skapa detaljerade kartor eller undersökningar? Kommer våra sonder att kunna utforska extrema miljöer under mycket längre perioder tack vare Tardigrade-liknande skydd mot strålning? Kommer våra första baser på månen eller andra världar att drivas av solros-inspirerade koncentrerade solväxter?
Om Leonardo DaVinci var lika smart som jag tror att han var, så är svaret på alla dessa frågor ja.
