"Coloro che sono ispirati a un modello diverso dalla natura, un'amante sopra tutti i padroni, lavora invano.”
-Leonardo Da Vinci
Ciò di cui parlava DaVinci, anche se non lo si chiamava al momento, era la biomimetica. Era vivo oggi, non c'è dubbio che Mr. DaVinci sarebbe stato un grande sostenitore della biomimetica.
La natura è più affascinante quanto più ci si guarda dentro. Quando guardiamo in profondità nella natura, stiamo sbirciando in un laboratorio di oltre 3 miliardi di anni, in cui le soluzioni ai problemi sono state implementate, testate e riviste nel corso dell'evoluzione. Ecco perché la biomimetica è così elegante: sulla Terra, la natura ha avuto più di 3 miliardi di anni per risolvere i problemi, gli stessi tipi di problemi che dobbiamo risolvere per avanzare nell'esplorazione dello spazio.
Più potente diventa la nostra tecnologia, più in profondità possiamo vedere nella natura. Man mano che vengono rivelati maggiori dettagli, si presentano soluzioni più allettanti ai problemi di ingegneria. Gli scienziati che ricercano la natura per trovare soluzioni ai problemi di ingegneria e progettazione stanno raccogliendo i frutti e stanno facendo progressi in diverse aree legate all'esplorazione dello spazio.
Veicoli ad aria compressa ad ala battente (MAV)
I MAV sono piccoli, di solito non più grandi di 15 cm di lunghezza e 100 grammi di peso. I MAV non sono solo piccoli, ma silenziosi. Dotati di sniffer chimiche, telecamere o altre attrezzature, potrebbero essere utilizzati per esplorare spazi confinati troppo piccoli per consentire l'accesso a un essere umano o per esplorare furtivamente aree di qualsiasi dimensione. Gli usi terrestri potrebbero includere situazioni di ostaggio, valutare incidenti industriali come Fukushima o usi militari. Ma è il loro potenziale utilizzo su altri mondi ancora da esplorare che sono i più affascinanti.
Nel corso degli anni i MAV sono apparsi in libri e film di fantascienza. Pensa ai cercatori di cacciatori di Dune o alle sonde di Prometeo che venivano usate per mappare la camera davanti agli umani. Questi progetti sono più avanzati di qualsiasi cosa si stia attualmente lavorando, ma i MAV ad ala battente vengono studiati e progettati in questo momento e sono i precursori di progetti più avanzati in futuro.
Le telecamere ad alta velocità hanno stimolato lo sviluppo di MAV ad ala battente. Le immagini dettagliate delle telecamere ad alta velocità hanno permesso ai ricercatori di studiare il volo degli uccelli e degli insetti in modo molto dettagliato. E a quanto pare, il volo ad ala battente è molto più complicato di quanto si pensasse inizialmente. Ma è anche molto più versatile e resistente. Ciò spiega la sua persistenza nella natura e la sua versatilità nel design MAV. Ecco alcuni video di una telecamera ad alta velocità che cattura api in volo.
Il DelFly Explorer della Delft University of Technology è un progetto affascinante del MAV ad ali battenti. Il suo sistema di visione stereo piccolo e leggero gli consente di evitare ostacoli e mantenere la sua altitudine da solo.
I MAV ad ala battente non richiedono una pista. Hanno anche il vantaggio di poter appollaiarsi su piccoli spazi per risparmiare energia. E hanno il potenziale per essere molto silenziosi. Questo video mostra un veicolo ad ali battenti sviluppato da Airvironment.
I MAV ad ala battente sono altamente manovrabili. Poiché generano il loro sollevamento dal movimento delle ali, piuttosto che dal movimento in avanti, possono viaggiare molto lentamente e persino librarsi. Possono persino riprendersi da collisioni con ostacoli in modi che i MAV ad ala fissa o ad ala rotante non riescono. Quando un veicolo ad ala fissa si scontra con qualcosa, perde la sua velocità e il suo sollevamento. Quando un veicolo ad ala rotante si scontra con qualcosa, perde la sua velocità del rotore e il suo sollevamento.
A causa delle loro dimensioni ridotte, è probabile che i MAV ad ala battente siano economici da produrre. Non saranno mai in grado di trasportare il carico utile di un veicolo più grande, ma avranno il loro ruolo nell'esplorazione di altri mondi.
Le sonde robotiche hanno fatto tutte le esplorazioni per noi su altri mondi, a un costo molto più economico rispetto all'invio di persone. Mentre i MAV ad ala battenti vengono attualmente progettati pensando alle prestazioni terrestri, è un salto abbastanza facile da quello ai progetti per altri mondi e altre condizioni. Immagina una piccola flotta di veicoli ad ala battente, progettati per un'atmosfera più sottile e gravità più debole, rilasciati per mappare grotte o altre aree difficili da raggiungere, per localizzare acqua o minerali o per mappare altre caratteristiche.
Colonie di formiche e sistemi collettivi
Le formiche sembrano insensate quando le guardi individualmente. Ma fanno cose straordinarie insieme. Non solo costruiscono colonie complesse ed efficienti, ma usano anche i loro corpi per costruire ponti galleggianti e ponti sospesi a mezz'aria. Questo comportamento si chiama autoassemblaggio.
Le colonie di formiche e il comportamento delle formiche hanno molto da insegnarci. C'è un intero campo di ricerca chiamato Ant Colony Optimization che ha implicazioni per circuiti e sistemi, comunicazioni, intelligenza computazionale, sistemi di controllo ed elettronica industriale.
Ecco un video delle formiche di Weaver che costruiscono un ponte per superare lo spazio tra due bastoni sospesi. Ci vuole un po 'per ottenerlo. Vedi se riesci a guardare senza tifarli.
Le colonie di formiche sono un esempio di quelli che vengono chiamati sistemi collettivi. Altri esempi di sistemi collettivi in natura sono alveari di api e vespe, tumuli di termiti e persino banchi di pesci. I robot nel prossimo video sono stati progettati per imitare i sistemi collettivi naturali. Questi robot possono fare molto poco da soli e sono soggetti a errori, ma quando lavorano insieme sono in grado di autoassemblarsi in forme complesse.
I sistemi autoassemblanti possono essere più adattabili alle mutevoli condizioni. Quando si tratta di esplorare altri mondi, i robot in grado di autoassemblarsi saranno in grado di rispondere a cambiamenti inaspettati nei loro dintorni e negli ambienti di altri mondi. Sembra certo che l'autoassemblaggio da parte di sistemi collettivi consentirà ai nostri futuri esploratori robotici di attraversare ambienti e sopravvivere a situazioni per le quali non possiamo progettarli in anticipo. Questi robot non solo avranno un'intelligenza artificiale per farsi strada attraverso i problemi, ma saranno anche in grado di autoassemblarsi in modi diversi per superare gli ostacoli.
Robot modellati su animali
Esplorare Marte con robot robot è un risultato sorprendente. Ho avuto brividi che mi scorrevano lungo la schiena quando Curiosity è atterrato su Marte. Ma i nostri attuali rover sembrano fragili e fragili e guardarli muoversi lentamente e goffamente sulla superficie di Marte ti fa chiedere quanto potrebbero essere migliori in futuro. Usando la biomimetica per modellare rover robotici sugli animali, dovremmo essere in grado di costruire rover molto migliori di quelli che abbiamo attualmente.
Le ruote sono una delle più antiche e grandi tecnologie dell'umanità. Ma abbiamo bisogno di ruote su Marte? Le ruote si bloccano, non possono attraversare bruschi cambi di altezza e hanno altri problemi. Non ci sono ruote in natura.
I serpenti hanno la loro soluzione unica al problema della locomozione. La loro capacità di spostarsi sulla terra, su e sopra gli ostacoli, schiacciare attraverso luoghi stretti e persino nuotare, li rende predatori molto efficienti. E non ho mai visto un serpente con un let rotto o un asse rotto. I futuri rover potrebbero essere modellati su serpenti terrestri?
Questo robot si muove sul pavimento come fanno i serpenti.
Ecco un altro robot basato sui serpenti, con la possibilità aggiuntiva di essere a casa in acqua. Sembra che si stia divertendo.
Questo robot non si basa solo su serpenti, ma anche su vermi e insetti. Ha anche elementi di autoassemblaggio. Le ruote lo trattengono solo. Alcuni segmenti potrebbero sicuramente contenere sensori e persino recuperare campioni per l'analisi. Guarda come si ricompone per superare gli ostacoli.
È abbastanza facile pensare a molteplici usi dei bot dei serpenti. Immagina una piattaforma più grande, simile alla MSL Curiosity. Ora immagina se le sue gambe fossero in realtà diversi robot indipendenti che potevano staccarsi, svolgere compiti come esplorare aree di difficile accesso e recuperare campioni, quindi tornare alla piattaforma più grande. Quindi depositare campioni, scaricare dati e ricollegarsi. Quindi l'intero veicolo potrebbe spostarsi in una posizione diversa, con i robot del serpente che trasportano la piattaforma.
Se questo sembra fantascienza, e allora? Adoriamo la fantascienza.
Energia solare: girasoli nello spazio
Il flusso di energia dal sole viene diluito in un gocciolamento più lontano nel sistema solare che andiamo. Mentre continuiamo a diventare sempre più efficienti nel raccogliere l'energia del sole, la biomimetica offre la promessa di una riduzione del 20% dello spazio del pannello solare richiesto, semplicemente imitando il girasole.
Gli impianti solari concentrati (CSP) sono costituiti da una serie di specchi, chiamati eliostati, che tracciano il sole mentre ruota la Terra. Gli eliostati sono disposti in cerchi concentrici e catturano la luce solare e la riflettono verso una torre centrale, dove il calore viene convertito in elettricità.
Quando i ricercatori del MIT hanno studiato i CSP in modo più dettagliato, hanno scoperto che ciascuno degli eliostati ha trascorso parte del tempo all'ombra, rendendoli meno efficaci. Mentre lavoravano con i modelli di computer per risolvere il problema, notarono che le possibili soluzioni erano simili ai modelli a spirale trovati in natura. Da lì, guardarono l'ispirazione per il girasole.
Il girasole non è un singolo fiore. È una raccolta di piccoli fiori chiamati ornamenti, proprio come i singoli specchi in un CSP. Queste cimette sono disposte a spirale con ciascuna cimasa orientata a 137 gradi l'una rispetto all'altra. Questo è chiamato "angolo d'oro", e quando gli ornamenti sono disposti in questo modo, formano una schiera di spirali interconnesse conforme alla sequenza di Fibonacci. I ricercatori del MIT affermano che l'organizzazione di specchi individuali allo stesso modo in un CSP ridurrà lo spazio necessario del 20%.
Dato che stiamo ancora mettendo tutto ciò di cui abbiamo bisogno per l'esplorazione dello spazio nello spazio espellendolo dalla gravità terrestre ben legata a enormi e costosi razzi, una riduzione del 20% nello spazio per la stessa quantità di energia solare raccolta è un miglioramento significativo.
Estremofili e biomimetica
Gli estremofili sono organismi adattati per prosperare in condizioni ambientali estreme. A partire dal 2013, sono stati identificati 865 microrganismi estremofili. Il loro riconoscimento ha dato nuove speranze di trovare la vita in ambienti estremi su altri mondi. Ma soprattutto, imitare gli estremofili può aiutarci a esplorare questi ambienti.
A rigor di termini, i tardigradi non sono esattamente estremofili, perché sebbene possano sopravvivere agli estremi, non sono adatti a prosperare in essi. Tuttavia, la loro capacità di resistere agli estremi ambientali significa che hanno molto da insegnarci. Esistono circa 1.150 specie di tardigradi e hanno la capacità di sopravvivere in condizioni che ucciderebbero gli esseri umani e degraderebbero rapidamente il funzionamento di eventuali sonde robotiche che potremmo inviare in ambienti estremi.
I tardigradi sono in realtà piccoli micro-animali acquatici a otto zampe. Sono in grado di resistere a temperature da poco sopra lo zero assoluto a ben oltre il punto di ebollizione dell'acqua. Possono sopravvivere a pressioni circa sei volte maggiori della pressione sul fondo delle trincee oceaniche più profonde sulla Terra. I tardigradi possono anche passare dieci anni senza cibo o acqua e possono seccarsi a meno del 3% di acqua.
Sono fondamentalmente i supereroi super-piccoli della Terra.
Ma per quanto riguarda l'esplorazione dello spazio, è la loro capacità di resistere alle radiazioni ionizzanti migliaia di volte più alte di quelle che gli umani possono sopportare, ciò che ci interessa di più. I tardigradi sono chiamati le creature più difficili della natura ed è facile capire perché.
Probabilmente è nel regno della fantascienza immaginare un futuro in cui gli esseri umani sono geneticamente modificati con geni tardigradi per resistere alle radiazioni su altri mondi. Ma se sopravviviamo abbastanza a lungo, non c'è dubbio nella mia mente che prenderemo in prestito geni da altre vite terrestri per aiutarci ad espanderci in altri mondi. È solo logico. Ma è molto lontano e i meccanismi di sopravvivenza tardigrado potrebbero entrare in gioco molto prima.
Mondi come la Terra sono fortunati ad essere avvolti da una magnetosfera, che protegge la biosfera dalle radiazioni. Ma molti mondi e tutte le lune degli altri pianeti del nostro sistema solare - a parte Ganimede - mancano di magnetosfera. Marte stesso è completamente non protetto. La presenza di radiazioni nello spazio e su mondi privi di magnetosfera protettiva, non solo uccide gli esseri viventi, ma può influire sui dispositivi elettronici degradandone le prestazioni, accorciando la loro durata o causando un completo fallimento.
Alcuni strumenti sulla sonda Juno, che si sta dirigendo verso Giove in questo momento, non dovrebbero sopravvivere per tutta la durata della missione a causa dell'estrema radiazione attorno al gigantesco pianeta gassoso. I pannelli solari stessi, che devono essere esposti al sole per funzionare, sono particolarmente sensibili alle radiazioni ionizzanti, che erodono le loro prestazioni nel tempo. La protezione dell'elettronica dalle radiazioni ionizzanti è una parte essenziale della progettazione di veicoli spaziali e sonde.
Tipicamente, l'elettronica sensibile nei veicoli spaziali e nelle sonde è schermata da alluminio, rame o altri materiali. La sonda Juno utilizza un innovativo caveau in titanio per proteggere i suoi componenti elettronici più sensibili. Ciò aggiunge ingombro e peso alla sonda e non fornisce ancora protezione completa. I Tardigradi hanno qualche altro modo di proteggersi, che è probabilmente più elegante di così. È troppo presto per dire esattamente come lo fanno i tardigradi, ma se la schermatura della pigmentazione ha qualcosa a che fare con esso, e possiamo capirlo, imitare i tardigradi cambierà il modo in cui progettiamo veicoli spaziali e sonde, e prolungherà la durata della loro vita in ambienti con radiazioni estreme.
E allora? Le nostre future missioni esplorative coinvolgeranno robot serpenti che possono auto-assemblarsi in lunghe catene per esplorare aree difficili da raggiungere? Scateneremo sciami di MAV ad ala battente che lavorano insieme per creare mappe dettagliate o sondaggi? Le nostre sonde saranno in grado di esplorare ambienti estremi per periodi molto più lunghi, grazie alla protezione simile alle Tardigrade dalle radiazioni? Le nostre prime basi sulla luna o su altri mondi saranno alimentate da piante solari concentrate ispirate ai girasoli?
Se Leonardo Da Vinci era intelligente come penso, la risposta a tutte quelle domande è sì.
