"Mereka yang terinspirasi oleh model selain Alam, perempuan simpanan di atas semua tuan, bekerja sia-sia.”
-Leonardo DaVinci
Apa yang dibincangkan oleh DaVinci, walaupun pada waktu itu tidak disebut, adalah biomimikri. Sekiranya dia masih hidup hari ini, tidak ada keraguan bahawa Mr. DaVinci akan menjadi penyokong biomimikri.
Alam semula jadi lebih menarik apabila anda melihatnya. Ketika kita melihat ke dalam alam, kita mengintip sebuah makmal yang berusia lebih dari 3 miliar tahun, di mana penyelesaian untuk masalah telah dilaksanakan, diuji, dan direvisi selama evolusi. Itulah sebabnya biomimikri begitu elegan: di Bumi, alam mempunyai lebih dari 3 bilion tahun untuk menyelesaikan masalah, masalah yang sama yang perlu kita selesaikan untuk maju dalam penerokaan angkasa lepas.
Semakin kuat teknologi kita, semakin kita dapat melihat ke alam semula jadi. Apabila perincian yang lebih besar dinyatakan, penyelesaian yang lebih menggembirakan untuk masalah kejuruteraan muncul dengan sendirinya. Para saintis yang mencari jalan keluar untuk menyelesaikan masalah kejuruteraan dan reka bentuk memperoleh hasilnya, dan membuat kemajuan dalam beberapa bidang yang berkaitan dengan penerokaan ruang angkasa.
Kenderaan Udara Mikro Flapping-Wing (MAV)
MAV kecil, biasanya panjangnya tidak lebih besar dari 15 cm dan berat 100 gram. MAV bukan sahaja kecil, tetapi juga tenang. Dilengkapi dengan snifer kimia, kamera, atau peralatan lain, mereka dapat digunakan untuk menjelajahi ruang terbatas yang terlalu kecil untuk diakses oleh manusia, atau untuk menjelajahi kawasan dengan ukuran apa pun dengan diam-diam. Penggunaan terestrial boleh merangkumi situasi tebusan, menilai kemalangan industri seperti Fukushima, atau penggunaan tentera. Tetapi kemungkinan penggunaannya di dunia lain masih belum dapat diterokai yang paling menarik.
MAV telah muncul dalam buku dan filem fiksyen sains selama bertahun-tahun. Fikirkan pencari pemburu di Dune, atau penyelidikan di Prometheus yang digunakan untuk memetakan ruang di depan manusia. Reka bentuk itu lebih maju daripada apa pun yang sedang dikerjakan, tetapi MAV sayap sayap sedang diteliti dan dirancang sekarang, dan merupakan pendahulu kepada reka bentuk yang lebih maju di masa depan.
Kamera berkelajuan tinggi telah mendorong pengembangan MAV sayap sayap. Gambar terperinci dari kamera berkelajuan tinggi telah membolehkan para penyelidik mengkaji penerbangan burung dan serangga dengan terperinci. Dan ternyata, penerbangan sayap sayap jauh lebih rumit daripada yang difikirkan pada mulanya. Tetapi ia juga jauh lebih serba boleh dan tahan lasak. Itu menjelaskan kegigihannya dan sifatnya yang serba boleh dalam reka bentuk MAV. Berikut adalah beberapa video dari kamera berkelajuan tinggi yang menangkap lebah dalam penerbangan.
Penjelajah DelFly dari Universiti Teknologi Delft adalah salah satu reka bentuk menarik MAV sayap sayap. Sistem penglihatan stereo yang kecil dan ringan memungkinkan untuk mengelakkan halangan dan mengekalkan ketinggiannya sendiri.
MAV sayap sayap tidak memerlukan landasan. Mereka juga mempunyai kelebihan untuk bertengger di ruang kecil untuk menjimatkan tenaga. Dan mereka berpotensi untuk menjadi pendiam. Video ini menunjukkan kenderaan sayap mengepak sedang dikembangkan oleh Airvironment.
MAV sayap sayap sangat boleh dikendalikan. Kerana mereka menghasilkan daya angkat dari pergerakan sayap, dan bukannya gerakan ke depan, mereka dapat bergerak dengan sangat perlahan, dan bahkan berlegar. Mereka bahkan dapat pulih dari perlanggaran dengan rintangan dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh MAV sayap tetap atau sayap putar. Apabila kenderaan sayap tetap bertabrakan dengan sesuatu, ia kehilangan kelajuan udara dan angkatnya. Apabila kenderaan sayap putar bertabrakan dengan sesuatu, ia kehilangan kelajuan pemutar dan angkatnya.
Kerana saiznya yang kecil, MAV sayap sayap cenderung murah untuk dihasilkan. Mereka tidak akan pernah dapat membawa muatan yang dapat dilakukan oleh kenderaan yang lebih besar, tetapi mereka akan berperanan dalam penerokaan dunia lain.
Penyelidikan robot telah melakukan semua penjelajahan untuk kita di dunia lain, dengan kos yang jauh lebih murah daripada menghantar orang. Walaupun MAV sayap sayap sedang dirancang dengan mempertimbangkan prestasi terestrial, ini adalah langkah yang cukup mudah dari reka bentuk untuk dunia lain dan keadaan lain. Bayangkan armada kecil kenderaan sayap berkepala, yang dirancang untuk suasana yang lebih tipis dan graviti yang lebih lemah, dilepaskan untuk memetakan gua atau kawasan lain yang sukar dijangkau, untuk mencari air atau mineral, atau untuk memetakan ciri lain.
Koloni Semut dan Sistem Kolektif
Semut kelihatan tidak waras ketika anda melihatnya secara individu. Tetapi mereka melakukan perkara yang menakjubkan bersama-sama. Mereka bukan sahaja membina jajahan yang rumit dan cekap, mereka juga menggunakan badan mereka untuk membina jambatan terapung, dan jambatan yang digantung di udara. Tingkah laku ini disebut pemasangan diri.
Koloni semut dan tingkah laku semut banyak memberi pengajaran kepada kita. Terdapat seluruh bidang penyelidikan yang disebut Ant Colony Optimization yang mempunyai implikasi untuk litar dan sistem, komunikasi, kecerdasan komputasi, sistem kawalan, dan elektronik industri.
Berikut adalah video semut Weaver yang membina jambatan untuk menjarakkan jurang antara dua tongkat yang digantung. Mereka memerlukan sedikit masa untuk mendapatkannya. Lihat jika anda boleh menonton tanpa bersorak mereka.
Koloni semut adalah salah satu contoh dari apa yang disebut sistem kolektif. Contoh lain sistem kolektif di alam semula jadi adalah lebah dan tawon, gundukan anai-anai, dan juga sekolah ikan. Robot dalam video seterusnya telah dirancang untuk meniru sistem kolektif semula jadi. Robot-robot ini hanya dapat melakukan sendiri, dan terdedah kepada kesalahan, tetapi ketika mereka bekerjasama, mereka mampu memasang diri menjadi bentuk yang kompleks.
Sistem pemasangan sendiri dapat lebih disesuaikan dengan keadaan yang berubah. Ketika menjelajah dunia lain, robot yang dapat berkumpul sendiri akan dapat bertindak balas terhadap perubahan yang tidak dijangka di persekitaran mereka dan di persekitaran dunia lain. Tampaknya bahawa pemasangan sendiri oleh sistem kolektif akan membolehkan penjelajah robot masa depan kita untuk melintasi persekitaran dan bertahan dalam situasi yang tidak dapat kita reka bentuknya terlebih dahulu. Robot-robot ini bukan sahaja mempunyai kecerdasan buatan untuk memikirkan jalan keluarnya masalah, tetapi juga dapat mengumpulkan diri mereka dengan cara yang berbeza untuk mengatasi halangan.
Robot yang Dimodelkan pada Haiwan
Meneroka Mars dengan penemu robot adalah pencapaian yang menakjubkan. Saya mengalami kegelisahan di tulang belakang saya ketika Curiosity mendarat di Marikh. Tetapi penelusur kami sekarang kelihatan rapuh dan rapuh, dan menyaksikan mereka bergerak perlahan dan kekok di sekitar permukaan Marikh membuat anda tertanya-tanya betapa lebih baik mereka di masa depan. Dengan menggunakan biomimikri untuk memodelkan penemu robot pada haiwan, kita seharusnya dapat membangun penemu yang lebih baik daripada yang kita miliki sekarang.
Roda adalah salah satu teknologi terawal dan terhebat manusia. Tetapi adakah kita memerlukan roda di Marikh? Roda tersekat, tidak dapat melintasi perubahan ketinggian secara tiba-tiba, dan mempunyai masalah lain. Tidak ada roda di alam semula jadi.
Ular mempunyai penyelesaian unik mereka sendiri untuk masalah pergerakan. Keupayaan mereka bergerak di darat, ke atas dan melewati rintangan, menerobos tempat yang ketat, dan bahkan berenang, menjadikan mereka pemangsa yang sangat cekap. Dan saya tidak pernah melihat ular dengan patah, atau gandar yang patah. Mungkinkah penemu masa depan dimodelkan pada ular daratan?
Robot ini bergerak melintasi lantai seperti ular.
Inilah robot lain berdasarkan ular, dengan kemampuan tambahan berada di rumah di dalam air. Yang ini kelihatan seperti sedang menikmatinya.
Robot ini tidak hanya berdasarkan ular, tetapi juga cacing dan serangga. Bahkan mempunyai unsur-unsur pemasangan diri. Roda hanya akan menahannya. Beberapa segmen tentu dapat menahan sensor, dan bahkan dapat mengambil sampel untuk analisis. Tonton ketika menyusun semula dirinya untuk mengatasi rintangan.
Cukup mudah untuk memikirkan banyak penggunaan bot ular. Bayangkan platform yang lebih besar, serupa dengan Curiosity MSL. Sekarang bayangkan jika kakinya sebenarnya adalah beberapa bot ular bebas yang dapat melepaskan diri, melakukan tugas seperti menjelajah kawasan yang sukar diakses dan mengambil sampel, kemudian kembali ke platform yang lebih besar. Mereka kemudian akan menyimpan sampel, memuat turun data, dan melampirkannya semula. Kemudian seluruh kenderaan dapat bergerak ke lokasi yang berbeda, dengan bot ular membawa platform.
Sekiranya ini terdengar seperti fiksyen sains, jadi apa? Kami suka fiksyen sains.
Tenaga Suria: Bunga Matahari di Angkasa
Aliran tenaga dari matahari dicairkan menjadi sedikit lebih jauh dari sistem suria yang kita lalui. Walaupun kita terus menjadi lebih cekap dalam mengumpulkan tenaga matahari, biomimikri menawarkan janji pengurangan 20% ruang panel suria yang diperlukan, hanya dengan meniru bunga matahari.
Tumbuhan Suria Berkonsentrasi (CSP) terdiri dari serangkaian cermin, yang disebut heliostat, yang mengesan matahari ketika Bumi berputar. Heliostat disusun dalam bulatan sepusat, dan mereka menangkap cahaya matahari dan memantulkannya ke arah menara pusat, di mana haba diubah menjadi elektrik.
Ketika para penyelidik di MIT mempelajari CSP dengan lebih terperinci, mereka mendapati bahawa setiap heliostat menghabiskan sebahagian masa yang berlorek, menjadikannya kurang berkesan. Ketika mereka bekerja dengan model komputer untuk menyelesaikan masalah, mereka melihat kemungkinan penyelesaian serupa dengan corak lingkaran yang terdapat di alam semula jadi. Dari sana, mereka melihat bunga matahari untuk mendapatkan inspirasi.
Bunga matahari bukan bunga tunggal. Ini adalah koleksi bunga kecil yang disebut floret, seperti cermin individu dalam CSP. Floret ini disusun dalam corak spiral dengan setiap floret berorientasi pada jarak 137 darjah antara satu sama lain. Ini disebut 'sudut emas', dan apabila floret disusun seperti ini, mereka membentuk susunan lingkaran yang saling berkaitan yang sesuai dengan urutan Fibonacci. Penyelidik MIT mengatakan bahawa mengatur cermin individu dengan cara yang sama dalam CSP akan mengurangkan ruang yang diperlukan sebanyak 20%.
Oleh kerana kita masih meletakkan semua yang kita perlukan untuk penerokaan angkasa ke angkasa dengan meledakkannya dari graviti Bumi yang terikat dengan roket yang sangat besar dan mahal, pengurangan ruang sebanyak 20% untuk jumlah tenaga suria yang dikumpulkan adalah peningkatan yang ketara.
Ekstremofil dan Biomimikri
Extremophiles adalah organisma yang disesuaikan untuk berkembang dalam keadaan persekitaran yang melampau. Sehingga tahun 2013, terdapat 865 mikroorganisma ekstremofilik yang dikenal pasti. Pengiktirafan mereka telah memberikan harapan baru untuk mencari kehidupan di lingkungan yang melampau di dunia lain. Tetapi lebih daripada itu, meniru ekstremofil dapat membantu kita meneroka persekitaran ini.
Tegasnya, Tardigrades bukanlah ekstremofil, kerana walaupun mereka dapat bertahan dalam keadaan ekstrem, mereka tidak dapat menyesuaikan diri untuk berkembang di dalamnya. Namun, kemampuan mereka untuk menahan keadaan persekitaran yang melampau bermakna mereka banyak mengajar kita. Terdapat kira-kira 1,150 spesies Tardigrades, dan mereka memiliki kemampuan untuk bertahan dalam keadaan yang dapat membunuh manusia, dan dengan cepat akan menurunkan fungsi siasatan robot yang mungkin kita kirim ke lingkungan yang melampau.
Tardigrades sebenarnya adalah haiwan mikro kecil, akuatik, berkaki lapan. Mereka dapat menahan suhu dari tepat di atas sifar mutlak hingga lebih dari titik didih air. Mereka dapat bertahan dari tekanan sekitar enam kali lebih besar daripada tekanan di dasar parit laut terdalam di Bumi. Tardigrades juga boleh berlangsung selama sepuluh tahun tanpa makanan atau air, dan boleh kering hingga kurang dari 3% air.
Mereka pada dasarnya adalah pahlawan super super kecil Bumi.
Tetapi sejauh mana penerokaan angkasa lepas, kemampuan mereka untuk menahan radiasi pengion beribu-ribu kali lebih tinggi daripada yang dapat ditanggung oleh manusia, yang paling menarik bagi kita. Tardigrades dipanggil makhluk paling sukar di alam semula jadi, dan mudah untuk mengetahui sebabnya.
Mungkin dalam fiksyen sains untuk membayangkan masa depan di mana manusia direkayasa secara genetik dengan gen tardigrade untuk menahan sinaran di dunia lain. Tetapi jika kita bertahan cukup lama, tidak ada keraguan dalam fikiran saya kita akan meminjam gen dari kehidupan terestrial lain untuk membantu kita berkembang ke dunia lain. Itu hanya logik. Tetapi ini sudah lama berlalu, dan mekanisme kelangsungan hidup tardigrade mungkin akan dimainkan lebih awal.
Dunia seperti Bumi beruntung diselimuti oleh magnetosfera, yang melindungi biosfer dari sinaran. Tetapi banyak dunia, dan semua bulan dari planet lain dalam sistem suria kita - selain Ganymede - kekurangan magnetosfera. Marikh sendiri sama sekali tidak dilindungi. Kehadiran radiasi di ruang angkasa, dan di dunia tanpa magnetosfera pelindung, tidak hanya membunuh makhluk hidup, tetapi dapat mempengaruhi alat elektronik dengan menurunkan prestasi mereka, memendekkan jangka hayatnya, atau menyebabkan kegagalan sepenuhnya.
Sebilangan instrumen pada siasatan Juno, yang sedang dalam perjalanan ke Musytari sekarang, tidak diharapkan dapat bertahan selama misi tersebut kerana radiasi yang melampau di sekitar planet gas raksasa. Panel suria sendiri, yang mesti terkena sinar matahari agar dapat berfungsi, sangat rentan terhadap sinaran pengion, yang mengikis prestasinya dari masa ke masa. Melindungi elektronik dari sinaran pengion adalah bahagian penting dalam reka bentuk kapal angkasa dan probe.
Biasanya, elektronik sensitif dalam kapal angkasa dan probe dilindungi oleh aluminium, tembaga, atau bahan lain. Probe Juno menggunakan peti besi titanium yang inovatif untuk melindungi elektroniknya yang paling sensitif. Ini menambahkan sebahagian besar dan berat pada siasatan, dan masih tidak akan memberikan perlindungan sepenuhnya. Tardigrades mempunyai cara lain untuk melindungi diri mereka yang mungkin lebih elegan daripada ini. Terlalu cepat untuk mengatakan dengan tepat bagaimana tardigrades melakukannya, tetapi jika pelindung pigmentasi ada kaitan dengannya, dan kita dapat mengetahuinya, meniru Tardigrades akan mengubah cara kita merancang kapal angkasa dan probe, dan memperpanjang jangka hayat mereka di persekitaran radiasi yang melampau.
Jadi bagaimana dengannya? Adakah misi penerokaan masa depan kita akan melibatkan bot ular yang dapat dipasang sendiri menjadi rantai panjang untuk menerokai kawasan yang sukar dijangkau? Adakah kita akan melepaskan sekumpulan MAV sayap sayap yang bekerjasama untuk membuat peta atau tinjauan terperinci? Adakah siasatan kita dapat meneroka persekitaran yang ekstrem untuk jangka masa yang lebih lama, berkat perlindungan seperti Tardigrade dari radiasi? Adakah pangkalan pertama kita di bulan atau dunia lain akan dikuasakan oleh Tumbuhan Suria Berkonsentrasi bunga matahari?
Sekiranya Leonardo DaVinci pintar seperti yang saya kira, maka jawapan untuk semua soalan itu adalah ya.
