“Doğa dışında bir modelden esinlenenler, tüm efendilerin üstünde bir metresi boşuna çalışıyor.”
-Leonardo da Vinci
DaVinci'nin bahsettiği şey, o zamanlar adlandırılmasa da biyomimikriydi. Bugün hayatta olsaydı, Bay DaVinci'nin büyük bir biyomimikri savunucusu olacağına şüphe yok.
Doğa, daha derinlere baktığınızda daha büyüleyici. Doğaya derinlemesine baktığımızda, 3 milyar yaşın üzerinde olan, sorunların çözümlerinin evrim boyunca uygulandığı, test edildiği ve revize edildiği bir laboratuvara bakıyoruz. Bu yüzden biyomimikri çok zariftir: Dünya'da, doğanın sorunları çözmek için 3 milyar yıldan fazla süredir, uzay araştırmalarında ilerlemek için çözmemiz gereken aynı tür sorunlar var.
Teknolojimiz ne kadar güçlü olursa, doğaya daha derin görebiliyoruz. Daha fazla ayrıntı ortaya çıktıkça, mühendislik sorunlarına daha fazla cezbedici çözümler ortaya çıkıyor. Mühendislik ve tasarım sorunlarına çözüm arayan doğaya bakan bilim adamları ödülleri topluyor ve uzay araştırmaları ile ilgili çeşitli alanlarda ilerleme kaydediyorlar.
Çırpma Kanatlı Mikro Hava Araçları (MAV)
MAV'lar küçüktür, genellikle 15 cm'den daha uzun ve 100 gram ağırlığında değildir. MAV'ler sadece küçük değil, sessizdirler. Kimyasal koklayıcılar, kameralar veya diğer ekipmanlarla donatılmış olarak, bir insanın erişemeyeceği kadar küçük kapalı alanları keşfetmek veya herhangi bir boyuttaki alanları gizlice keşfetmek için kullanılabilirler. Karasal kullanımlar rehineleri, Fukuşima gibi endüstriyel kazaları veya askeri kullanımları değerlendirebilir. Ama henüz keşfedilmemiş olan diğer dünyalar üzerindeki potansiyel kullanımları en büyüleyici olanıdır.
MAV'ler yıllar içinde bilim kurgu kitaplarında ve filmlerinde yer aldı. Dune'daki avcıları ya da Prometheus'daki insanın önündeki odayı haritalamak için kullanılan probları düşünün. Bu tasarımlar şu anda üzerinde çalışılan her şeyden daha gelişmiş ancak çırpınan kanatlı MAV'lar şu anda araştırılıyor ve tasarlanıyor ve gelecekte daha gelişmiş tasarımların öncüsü.
Yüksek hızlı kameralar, çırpma kanadı MAV'larının geliştirilmesine teşvik etti. Yüksek hızlı kameralardan alınan ayrıntılı görüntüler, araştırmacıların kuş ve böcek uçuşlarını ayrıntılı olarak incelemesine izin verdi. Ve ortaya çıktığı gibi, çırpma kanadı uçuşu başlangıçta düşünülenden çok daha karmaşıktır. Ama aynı zamanda çok daha çok yönlü ve dayanıklı. Bu, doğada kalıcılığını ve MAV tasarımındaki çok yönlülüğünü açıklar. İşte uçuş sırasında arıları yakalayan yüksek hızlı kameradan bir video.
Delft Teknoloji Üniversitesi'nden DelFly Explorer, çırpma kanadı MAV'ın ilgi çekici tasarımlarından biridir. Küçük ve hafif stereo görüş sistemi, engellerden kaçınmasını ve kendi yüksekliğini korumasını sağlar.
Çırpılan kanatlı MAV'lar pist gerektirmez. Ayrıca, enerji tasarrufu için küçük alanlara dalabilme avantajına sahiptirler. Ve çok sessiz olma potansiyeline sahipler. Bu video Airvironment tarafından geliştirilen çırpma kanatlı bir aracı göstermektedir.
Çırpma kanadı MAV'ları yüksek manevra kabiliyetine sahiptir. Kaldırma hareketlerini ileri hareket yerine kanat hareketinden ürettikleri için çok yavaş ve hatta havada süzülebilirler. Hatta sabit kanatlı veya döner kanatlı MAV'lerin yapamayacağı şekilde engelli çarpışmalardan kurtulabilirler. Sabit kanatlı bir araç bir şeyle çarpıştığında hava hızını ve asansörünü kaybeder. Bir döner kanatlı araç bir şeyle çarpıştığında, rotor hızını ve kaldırma kuvvetini kaybeder.
Küçük boyutları nedeniyle, çengel kanatlı MAV'lerin üretimi ucuz olacaktır. Asla daha büyük bir aracın taşıyabileceği yükü taşıyamayacaklar, ancak diğer dünyaları keşfetmedeki rolleri olacak.
Robotik sondalar, bizim için tüm dünyayı insanlara göndermekten çok daha ucuz bir maliyetle yaptılar. Kanatlı MAV'lar şu anda karasal performans göz önünde bulundurularak tasarlanırken, diğer dünyalar ve diğer koşullar için tasarımlara bu kadar kolay bir sıçrama. Daha ince bir atmosfer ve daha zayıf yerçekimi için tasarlanmış, mağaraları veya ulaşılması zor diğer alanları, su veya mineralleri bulmak veya diğer özellikleri haritalamak için serbest bırakılan küçük bir kanatlı araç filosu düşünün.
Karınca Kolonileri ve Kolektif Sistemler
Onlara tek tek baktığınızda karıncalar akılsız görünüyor. Ama birlikte inanılmaz şeyler yapıyorlar. Sadece karmaşık ve verimli koloniler inşa etmekle kalmaz, aynı zamanda vücutlarını yüzen köprüler ve havada asılı köprüler inşa etmek için kullanırlar. Bu davranışa otomatik montaj denir.
Karınca kolonileri ve karınca davranışı bize öğretecek çok şey var. Ant Koloni Optimizasyonu adı verilen, devreler ve sistemler, iletişim, hesaplama zekası, kontrol sistemleri ve endüstriyel elektronikler için çıkarımları olan bir araştırma alanı vardır.
Aşağıda Weaver karıncalarının iki askı çubuğu arasındaki boşluğu kapatmak için bir köprü inşa ettiği bir video var. Anlamaları biraz zaman alıyor. Onları neşelendirmeden izleyip izleyemeyeceğinize bakın.
Karınca kolonileri, kollektif sistemlerin bir örneğidir. Doğadaki kolektif sistemlerin diğer örnekleri arı ve yaban arısı kovanları, termit höyükleri ve hatta balık okullarıdır. Bir sonraki videodaki robotlar doğal kolektif sistemleri taklit etmek için tasarlandı. Bu robotlar tek başına çok az şey yapabilirler ve hata yapmaya eğilimlidirler, ancak birlikte çalıştıklarında karmaşık şekillere kendiliğinden bir araya gelebilirler.
Kendi kendine montaj sistemleri değişen koşullara daha uyumlu olabilir. Diğer dünyaları keşfetmeye gelince, kendi kendine bir araya gelebilen robotlar, çevrelerinde ve diğer dünyaların ortamlarında beklenmedik değişikliklere cevap verebilecek. Kolektif sistemlerle kendi kendine bir araya gelmenin, gelecekteki robot kaşiflerimizin çevreleri aşmasına ve bunları önceden tasarlayamayacağımız durumlardan kurtulmasına izin vereceği kesin görünüyor. Bu robotlar sadece problemlerle yollarını düşünmek için yapay zekaya sahip olmayacak, aynı zamanda engellerin üstesinden gelmek için kendilerini farklı şekillerde monte edebilecekler.
Hayvanlardan Modellenen Robotlar
Mars'ı robotik gezicilerle keşfetmek şaşırtıcı bir başarı. Merak Mars'a indiğinde omurgamda titreme vardı. Ancak mevcut gezicilerimiz kırılgan ve zayıf görünüyor ve Mars yüzeyinde yavaş ve beceriksizce hareket etmelerini izlemek, gelecekte ne kadar iyi olabileceklerini merak ediyor. Biyomimikriyi hayvanlar üzerindeki robotik roversleri modellemek için kullanarak, şu anda sahip olduğumuzdan çok daha iyi roversler geliştirebilmeliyiz.
Tekerlekler insanlığın en eski ve en büyük teknolojilerinden biridir. Ama Mars'ta tekerleklere bile ihtiyacımız var mı? Tekerlekler takılıyor, yükseklikteki ani değişimleri geçemiyor ve başka sorunları var. Doğada tekerlek yoktur.
Yılanlar hareket problemine kendi benzersiz çözümlerine sahiptir. Karada, engellerin üstünde ve üstünde hareket etme, dar yerlerden geçme ve hatta yüzme yetenekleri onları çok verimli yırtıcı yapar. Ve daha önce kırık izinli ya da bozuk bir aksa sahip bir yılan görmedim. Gelecekteki gezginler karasal yılanlarda modellenebilir mi?
Bu robot zeminde yılanların yaptığı gibi hareket eder.
İşte yılanlara dayanan başka bir robot, ek olarak suda evde olma yeteneği. Bu kendinden hoşlanıyor gibi görünüyor.
Bu robot sadece yılanlara değil, aynı zamanda inç solucanlarına ve böceklere de dayanmaktadır. Kendi kendine montaj unsurları bile var. Tekerlekler sadece onu tutacaktı. Bazı segmentler kesinlikle sensörleri tutabilir ve hatta analiz için örnekleri alabilir. Engellerin üstesinden gelmek için kendini yeniden birleştirirken izleyin.
Yılan botlarının çoklu kullanımlarını düşünmek yeterince kolaydır. MSL Merakına benzer daha büyük bir platform düşünün. Şimdi, bacaklarının aslında kendilerini ayırabilecek, erişilmesi zor alanları keşfetme ve örnek alma, ardından daha büyük platforma geri dönme gibi görevleri gerçekleştirebilecek birkaç bağımsız yılan botu olup olmadığını hayal edin. Daha sonra örnekleri depolayacak, veri indirecek ve kendilerini yeniden ekleyeceklerdi. Sonra tüm araç, yılan botları platformu taşıyarak farklı bir yere gidebilir.
Bu bilim kurgu gibi geliyorsa, ne olacak? Bilim kurgu severiz.
Güneş Enerjisi: Uzayda Ayçiçekleri
Güneşten gelen enerji akışı, gittiğimiz güneş sisteminde daha ilerideki bir damlamaya kadar seyreltilir. Güneş enerjisini toplama konusunda gittikçe daha verimli olmaya devam ederken, biyomimikri, sadece ayçiçeği taklit ederek gerekli olan güneş paneli alanında% 20'lik bir azalma vaat ediyor.
Konsantre Güneş Santralleri (CSP'ler), Dünya dönerken güneşi takip eden heliostat adı verilen bir dizi aynadan oluşur. Heliostatlar eşmerkezli daireler halinde düzenlenir ve güneş ışığını yakalar ve ısının elektriğe dönüştürüldüğü merkezi bir kuleye doğru yansıtırlar.
MIT'deki araştırmacılar CSP'leri daha ayrıntılı incelediklerinde, heliostatların her birinin gölgeli zamanın bir kısmını harcadıklarını ve daha az etkili olduklarını keşfettiler. Sorunu çözmek için bilgisayar modelleriyle çalışırken olası çözümlerin doğada bulunan spiral kalıplara benzer olduğunu fark ettiler. Oradan ilham almak için ayçiçeğine baktılar.
Ayçiçeği tek bir çiçek değildir. Bu, bir CSP'deki aynalar gibi, çiçek adı verilen küçük bir çiçek koleksiyonudur. Bu çiçekçikler spiral şeklinde düzenlenmiştir ve her çiçekçülerin birbirine 137 derecelik bir yönü vardır. Buna 'altın açı' denir ve çiçekçikler bu şekilde düzenlendiğinde, Fibonacci dizisine uyan bir dizi birbirine bağlı spiral oluştururlar. MIT araştırmacıları, bir aynanın bir CSP'de aynı şekilde organize edilmesinin ihtiyaç duyulan alanı% 20 oranında azaltacağını söylüyor.
Dünya'nın yerçekiminden muazzam, pahalı roketlere bağlanmış yerçekiminden fırlatarak uzay araştırmaları için ihtiyaç duyduğumuz her şeyi hâlâ uzaya koyduğumuz için, toplanan aynı miktarda güneş enerjisi için alandaki% 20'lik bir azalma önemli bir gelişmedir.
Ekstremofiller ve Biyomimikri
Ekstremofiller, aşırı çevre koşullarında gelişmek için uyarlanmış organizmalardır. 2013 yılı itibariyle 865 ekstremofilik mikroorganizma tanımlanmıştır. Onların tanınması, diğer dünyalardaki aşırı ortamlarda yaşam bulmaya yeni bir umut verdi. Fakat bundan da öte, aşırılık yanlılarını taklit etmek bu ortamları keşfetmemize yardımcı olabilir.
Açıkça söylemek gerekirse, Tardigrades tam olarak ekstremofiller değildir, çünkü aşırı uçlarda hayatta kalabilmelerine rağmen, içlerinde gelişmeye adapte edilmemişlerdir. Ancak, çevresel aşırılıklara dayanma yetenekleri bize öğretecek çok şeyleri olduğu anlamına gelir. Yaklaşık 1.150 Tardigrades türü vardır ve insanları öldürecek ve aşırı ortamlara gönderebileceğimiz herhangi bir robot probunun işleyişini hızla bozabilecek koşullarda hayatta kalma yeteneğine sahiptirler.
Tardigradlar aslında küçük, suda yaşayan, sekiz ayaklı mikro hayvanlardır. Suyun kaynama noktası üzerindeki mutlak sıfırın hemen üzerindeki sıcaklıklara dayanabilirler. Dünyadaki en derin okyanus siperlerinin altındaki basınçtan yaklaşık altı kat daha fazla basınçta hayatta kalabilirler. Tardigrades ayrıca yiyecek veya su olmadan on yıl sürebilir ve% 3'ten daha az suya kurur.
Onlar temelde Dünya'nın süper minik süper kahramanları.
Ancak uzay araştırmaları ilerledikçe, bizi en çok ilgilendiren, insanların dayanabileceğinden binlerce kat daha yüksek iyonlaştırıcı radyasyona dayanma yetenekleri. Tardigradlar doğanın en sert yaratıkları olarak adlandırılır ve nedenini görmek kolaydır.
Muhtemelen bilim kurgu alanında, insanların diğer dünyalardaki radyasyona dayanmak için genetik olarak geçme genlerle tasarlandığı bir geleceği hayal etmek. Fakat yeterince uzun süre hayatta kalırsak, aklımda şüphe yok ki, diğer dünyalara genişlememize yardımcı olmak için diğer karasal yaşamlardan genler ödünç alacağız. Sadece mantıklı. Ancak bu uzun bir yol ve yavaş yavaş hayatta kalma mekanizmaları çok daha erken devreye girebilir.
Dünya gibi dünyalar, biyosferi radyasyondan koruyan bir manyetosfer tarafından örtülü olduğu için şanslı. Ancak birçok dünya ve güneş sistemimizdeki Ganymede dışındaki diğer gezegenlerin tüm uyduları manyetosferden yoksundur. Mars'ın kendisi tamamen korumasız. Uzayda ve koruyucu manyetosfer olmayan dünyalarda radyasyonun varlığı, sadece canlıları öldürmekle kalmaz, aynı zamanda performanslarını düşürerek, ömrünü kısaltarak veya tam bir başarısızlığa neden olarak elektronik cihazları etkileyebilir.
Juno probunda şu anda Jüpiter'e giden bazı enstrümanların dev gaz gezegeni etrafındaki aşırı radyasyon nedeniyle görev süresi boyunca hayatta kalması beklenmiyor. Çalışması için güneşe maruz kalması gereken güneş panelleri, zaman içinde performanslarını aşındıran iyonlaştırıcı radyasyona özellikle duyarlıdır. Elektroniği iyonlaştırıcı radyasyondan korumak uzay aracı ve prob tasarımının önemli bir parçasıdır.
Tipik olarak, uzay aracı ve problardaki hassas elektronikler alüminyum, bakır veya diğer malzemelerle korunur. Juno probu, en hassas elektronik cihazlarını korumak için yenilikçi bir titanyum kasa kullanıyor. Bu, sondaya hacim ve ağırlık katar ve yine de tam koruma sağlamaz. Tardigradların kendilerini korumanın başka bir yolu var, ki bu muhtemelen bundan daha zarif. Tardigrades'in tam olarak nasıl yaptığını söylemek için henüz çok erken, ancak pigmentasyon kalkanı bununla bir ilgisi varsa ve bunu anlayabiliriz, Tardigrades'i taklit etmek uzay aracını ve probları tasarlama şeklimizi değiştirecek ve ömrünü aşırı radyasyon ortamlarında uzatacaktır.
Peki buna ne dersiniz? Gelecekteki keşif misyonlarımız, ulaşılması zor alanları keşfetmek için uzun zincirlere kendi kendine toplanabilen yılan botlarını içerecek mi? Ayrıntılı haritalar veya anketler oluşturmak için birlikte çalışan çırpma kanatlı MAV sürüleri ortaya çıkaracak mı? Problarımız radyasyona karşı Tardigrade benzeri koruma sayesinde aşırı ortamları çok daha uzun süre keşfedebilecek mi? Aydaki veya diğer dünyalardaki ilk üslerimiz ayçiçeği esintili Konsantre Güneş Santralleri ile mi güçlendirilecek?
Leonardo DaVinci sandığım kadar akıllı olsaydı, tüm bu soruların cevabı evet.
