„Diejenigen, die sich von einem anderen Modell als der Natur inspirieren lassen, Eine Herrin, vor allem Meister, arbeitet vergebens.”
-Leonardo DaVinci
Was DaVinci sprach, obwohl es zu diesem Zeitpunkt noch nicht so genannt wurde, war Biomimikry. Wäre er heute noch am Leben, würde Herr DaVinci zweifellos ein großer Befürworter der Biomimikry sein.
Die Natur ist faszinierender, je tiefer man hineinschaut. Wenn wir tief in die Natur schauen, blicken wir in ein über 3 Milliarden Jahre altes Labor, in dem im Laufe der Evolution Lösungen für Probleme implementiert, getestet und überarbeitet wurden. Deshalb ist die Biomimikry so elegant: Auf der Erde hatte die Natur mehr als 3 Milliarden Jahre Zeit, um Probleme zu lösen, die gleichen Probleme, die wir lösen müssen, um die Weltraumforschung voranzutreiben.
Je leistungsfähiger unsere Technologie wird, desto tiefer können wir in die Natur sehen. Wenn detailliertere Informationen vorliegen, bieten sich verlockendere Lösungen für technische Probleme. Wissenschaftler, die in der Natur nach Lösungen für Konstruktions- und Designprobleme suchen, profitieren davon und machen Fortschritte in verschiedenen Bereichen der Weltraumforschung.
Flat-Wing Micro Air Vehicles (MAVs)
MAVs sind klein, normalerweise nicht größer als 15 cm und 100 Gramm schwer. MAVs sind nicht nur klein, sie sind auch leise. Ausgestattet mit chemischen Schnüfflern, Kameras oder anderen Geräten können sie verwendet werden, um enge Räume zu erkunden, die für einen Menschen zu klein sind, oder um Bereiche jeder Größe heimlich zu erkunden. Terrestrische Verwendungen können Geiselsituationen, die Bewertung von Arbeitsunfällen wie Fukushima oder militärische Verwendungen umfassen. Am faszinierendsten ist jedoch ihre potenzielle Verwendung auf anderen Welten, die noch erforscht werden müssen.
MAVs sind im Laufe der Jahre in Science-Fiction-Büchern und Filmen erschienen. Denken Sie an die Jägersucher in Dune oder an die Sonden in Prometheus, mit denen die Kammer vor den Menschen abgebildet wurde. Diese Designs sind weiter fortgeschritten als alles, woran derzeit gearbeitet wird, aber MAVs mit Schlagflügel werden derzeit erforscht und entworfen und sind die Vorläufer für fortgeschrittenere Designs in der Zukunft.
Hochgeschwindigkeitskameras haben die Entwicklung von MAVs mit Schlagflügeln vorangetrieben. Die detaillierten Bilder von Hochgeschwindigkeitskameras haben es Forschern ermöglicht, den Vogel- und Insektenflug detailliert zu untersuchen. Und wie sich herausstellt, ist der Schlagflügelflug viel komplizierter als ursprünglich angenommen. Es ist aber auch viel vielseitiger und belastbarer. Das erklärt seine Beständigkeit in der Natur und seine Vielseitigkeit im MAV-Design. Hier ist ein Video von einer Hochgeschwindigkeitskamera, die Bienen im Flug aufnimmt.
Der DelFly Explorer von der Technischen Universität Delft ist ein faszinierendes Design des MAV mit Schlagflügel. Dank seines kleinen und leichten Stereo-Vision-Systems kann es Hindernissen ausweichen und seine Höhe selbstständig beibehalten.
Schlagflügel-MAVs benötigen keine Landebahn. Sie haben auch den Vorteil, auf kleinen Plätzen sitzen zu können, um Energie zu sparen. Und sie haben das Potenzial, sehr leise zu sein. Dieses Video zeigt ein Schlagflügelfahrzeug, das von Airvironment entwickelt wird.
Schlagflügel-MAVs sind sehr wendig. Da sie ihren Auftrieb eher durch Flügelbewegung als durch Vorwärtsbewegung erzeugen, können sie sich sehr langsam bewegen und sogar schweben. Sie können sich sogar von Kollisionen mit Hindernissen auf eine Weise erholen, die MAVs mit Starrflügel oder Drehflügel nicht können. Wenn ein Starrflügelfahrzeug mit etwas kollidiert, verliert es seine Fluggeschwindigkeit und seinen Auftrieb. Wenn ein Drehflügelfahrzeug mit etwas kollidiert, verliert es seine Rotordrehzahl und seinen Auftrieb.
Aufgrund ihrer geringen Größe sind MAVs mit Schlagflügel wahrscheinlich billig in der Herstellung. Sie werden niemals die Nutzlast tragen können, die ein größeres Fahrzeug kann, aber sie werden ihre Rolle bei der Erforschung anderer Welten spielen.
Robotersonden haben alle Erkundungen für uns auf anderen Welten durchgeführt, zu einem viel günstigeren Preis als das Senden von Personen. Während MAVs mit flatternden Flügeln derzeit mit Blick auf die terrestrische Leistung entwickelt werden, ist es ein einfacher Sprung von diesem zu Entwürfen für andere Welten und andere Bedingungen. Stellen Sie sich eine kleine Flotte von Schlagflügelfahrzeugen vor, die für eine dünnere Atmosphäre und eine schwächere Schwerkraft ausgelegt sind und zur Kartierung von Höhlen oder anderen schwer erreichbaren Gebieten, zur Lokalisierung von Wasser oder Mineralien oder zur Kartierung anderer Merkmale freigegeben werden.
Ameisenkolonien und kollektive Systeme
Ameisen scheinen sinnlos, wenn man sie einzeln betrachtet. Aber sie machen erstaunliche Dinge zusammen. Sie bauen nicht nur komplizierte und effiziente Kolonien, sondern bauen mit ihren Körpern auch schwimmende Brücken und in der Luft schwebende Brücken. Dieses Verhalten wird als Selbstorganisation bezeichnet.
Ameisenkolonien und Ameisenverhalten haben uns viel zu lehren. Es gibt ein ganzes Forschungsgebiet namens Ant Colony Optimization, das Auswirkungen auf Schaltkreise und Systeme, Kommunikation, Computerintelligenz, Steuerungssysteme und Industrieelektronik hat.
Hier ist ein Video von Weberameisen, die eine Brücke bauen, um die Lücke zwischen zwei hängenden Stöcken zu überspannen. Sie brauchen eine Weile, um es zu bekommen. Sehen Sie, ob Sie zuschauen können, ohne sie anzufeuern.
Ameisenkolonien sind ein Beispiel für sogenannte kollektive Systeme. Andere Beispiele für kollektive Systeme in der Natur sind Bienen- und Wespenstöcke, Termitenhügel und sogar Fischschwärme. Die Roboter im nächsten Video wurden entwickelt, um natürliche kollektive Systeme nachzuahmen. Diese Roboter können sehr wenig alleine und sind fehleranfällig. Wenn sie jedoch zusammenarbeiten, können sie sich selbst zu komplexen Formen zusammensetzen.
Selbstorganisierende Systeme können an sich ändernde Bedingungen anpassungsfähiger sein. Wenn es darum geht, andere Welten zu erkunden, können Roboter, die sich selbst zusammensetzen können, auf unerwartete Veränderungen in ihrer Umgebung und in Umgebungen anderer Welten reagieren. Es scheint sicher, dass die Selbstorganisation durch kollektive Systeme es unseren zukünftigen Roboterforschern ermöglichen wird, Umgebungen zu durchqueren und Situationen zu überleben, für die wir sie nicht im Voraus speziell entwerfen können. Diese Roboter verfügen nicht nur über künstliche Intelligenz, um Probleme zu durchdenken, sondern können sich auch auf unterschiedliche Weise selbst zusammensetzen, um Hindernisse zu überwinden.
An Tieren modellierte Roboter
Die Erkundung des Mars mit Roboterrovern ist eine erstaunliche Leistung. Als Curiosity auf dem Mars landete, lief mir Schüttelfrost über den Rücken. Aber unsere derzeitigen Rover wirken brüchig und zerbrechlich. Wenn Sie beobachten, wie sie sich langsam und ungeschickt auf der Marsoberfläche bewegen, fragen Sie sich, wie viel besser sie in Zukunft sein könnten. Durch die Verwendung von Biomimikry zur Modellierung von Roboterrovern an Tieren sollten wir in der Lage sein, viel bessere Rover als derzeit zu bauen.
Räder sind eine der frühesten und größten Technologien der Menschheit. Aber brauchen wir überhaupt Räder auf dem Mars? Räder bleiben hängen, können abrupte Höhenänderungen nicht überwinden und haben andere Probleme. In der Natur gibt es keine Räder.
Schlangen haben ihre eigene einzigartige Lösung für das Problem der Fortbewegung. Ihre Fähigkeit, sich über Land und über Hindernisse zu bewegen, sich durch enge Stellen zu quetschen und sogar zu schwimmen, macht sie zu sehr effizienten Raubtieren. Und ich habe noch nie eine Schlange mit einem kaputten Let oder einer kaputten Achse gesehen. Könnten zukünftige Rover terrestrischen Schlangen nachempfunden sein?
Dieser Roboter bewegt sich genauso über den Boden wie Schlangen.
Hier ist ein weiterer Roboter, der auf Schlangen basiert und zusätzlich die Möglichkeit bietet, im Wasser zu Hause zu sein. Dieser sieht aus, als würde er sich amüsieren.
Dieser Roboter basiert nicht nur auf Schlangen, sondern auch auf Inchworms und Insekten. Es hat sogar Elemente der Selbstorganisation. Räder würden es nur zurückhalten. Einige Segmente könnten sicherlich Sensoren enthalten und sogar Proben zur Analyse abrufen. Beobachten Sie, wie es sich wieder zusammensetzt, um Hindernisse zu überwinden.
Es ist leicht genug, an die mehrfache Verwendung von Schlangenbots zu denken. Stellen Sie sich eine größere Plattform vor, ähnlich der MSL Curiosity. Stellen Sie sich nun vor, die Beine wären tatsächlich mehrere unabhängige Schlangenbots, die sich ablösen, Aufgaben wie das Erkunden schwer zugänglicher Bereiche und das Abrufen von Proben ausführen und dann zur größeren Plattform zurückkehren könnten. Sie würden dann Proben hinterlegen, Daten herunterladen und sich wieder anhängen. Dann könnte sich das gesamte Fahrzeug an einen anderen Ort bewegen, wobei die Schlangenbots die Plattform tragen.
Wenn das nach Science Fiction klingt, was dann? Wir lieben Science Fiction.
Solarenergie: Sonnenblumen im Weltraum
Der Energiefluss der Sonne wird umso weiter verdünnt, je weiter wir im Sonnensystem entfernt sind. Während wir die Sonnenenergie immer effizienter sammeln, verspricht die Biomimikry eine Reduzierung des Platzbedarfs für Solarmodule um 20%, indem wir nur die Sonnenblume nachahmen.
Konzentrierte Solarpflanzen (CSPs) bestehen aus einer Reihe von Spiegeln, sogenannten Heliostaten, die die Sonne verfolgen, während sich die Erde dreht. Die Heliostaten sind in konzentrischen Kreisen angeordnet und fangen das Sonnenlicht ein und reflektieren es zu einem zentralen Turm, wo die Wärme in Elektrizität umgewandelt wird.
Als Forscher am MIT CSPs genauer untersuchten, stellten sie fest, dass jeder der Heliostaten einen Teil der Zeit im Schatten verbrachte, was sie weniger effektiv machte. Als sie mit Computermodellen arbeiteten, um das Problem zu lösen, stellten sie fest, dass mögliche Lösungen den in der Natur vorkommenden Spiralmustern ähnlich waren. Von dort aus betrachteten sie die Sonnenblume als Inspiration.
Die Sonnenblume ist keine einzelne Blume. Es handelt sich um eine Sammlung kleiner Blumen, die als Blütchen bezeichnet werden, ähnlich wie die einzelnen Spiegel in einem CSP. Diese Blütchen sind spiralförmig angeordnet, wobei jeder Blümchen in einem Winkel von 137 Grad zueinander ausgerichtet ist. Dies wird als "goldener Winkel" bezeichnet. Wenn die Blütchen so angeordnet sind, bilden sie eine Reihe miteinander verbundener Spiralen, die der Fibonacci-Sequenz entsprechen. MIT-Forscher sagen, dass die Organisation einzelner Spiegel in einem CSP auf die gleiche Weise den Platzbedarf um 20% reduzieren wird.
Da wir immer noch alles, was wir für die Erforschung des Weltraums benötigen, in den Weltraum bringen, indem wir es aus der Schwerkraft der Erde sprengen, die an riesigen, teuren Raketen befestigt ist, ist eine Reduzierung des Weltraums um 20% bei gleicher Menge gesammelter Sonnenenergie eine signifikante Verbesserung.
Extremophile und Biomimikry
Extremophile sind Organismen, die unter extremen Umweltbedingungen gedeihen können. Bis 2013 wurden 865 extremophile Mikroorganismen identifiziert. Ihre Anerkennung hat neue Hoffnung gegeben, Leben in extremen Umgebungen auf anderen Welten zu finden. Darüber hinaus kann uns die Nachahmung von Extremophilen helfen, diese Umgebungen zu erkunden.
Genau genommen sind Tardigraden nicht gerade Extremophile, denn obwohl sie Extreme überleben können, sind sie nicht dafür geeignet, in ihnen zu gedeihen. Ihre Fähigkeit, extremen Umwelteinflüssen standzuhalten, bedeutet jedoch, dass sie uns viel beibringen müssen. Es gibt ungefähr 1.150 Arten von Tardigraden, und sie haben die Fähigkeit, unter Bedingungen zu überleben, die Menschen töten und die Funktion von Robotersonden, die wir möglicherweise an extreme Umgebungen senden, schnell beeinträchtigen würden.
Tardigraden sind eigentlich winzige, aquatische, achtbeinige Mikrotiere. Sie können Temperaturen von knapp über dem absoluten Nullpunkt bis weit über den Siedepunkt von Wasser standhalten. Sie können Drücke überstehen, die etwa sechsmal höher sind als der Druck am Boden der tiefsten Ozeangräben der Erde. Tardigraden können auch zehn Jahre ohne Nahrung oder Wasser auskommen und auf weniger als 3% Wasser austrocknen.
Sie sind im Grunde die winzigen Superhelden der Erde.
Was die Erforschung des Weltraums angeht, interessiert uns am meisten die Fähigkeit, ionisierender Strahlung zu widerstehen, die tausendmal höher ist als die des Menschen. Tardigraden werden als die härtesten Kreaturen der Natur bezeichnet, und es ist leicht zu verstehen, warum.
Es ist wahrscheinlich im Bereich der Science-Fiction, sich eine Zukunft vorzustellen, in der Menschen mit Tardigrade-Genen gentechnisch verändert werden, um der Strahlung auf anderen Welten standzuhalten. Aber wenn wir lange genug überleben, werden wir zweifellos Gene aus anderen irdischen Leben ausleihen, um uns zu helfen, in andere Welten zu expandieren. Es ist nur logisch. Aber das ist noch ein langer Weg, und Tardigrade-Überlebensmechanismen könnten viel früher ins Spiel kommen.
Welten wie die Erde haben das Glück, von einer Magnetosphäre umgeben zu sein, die die Biosphäre vor Strahlung schützt. Aber vielen Welten und allen Monden der anderen Planeten in unserem Sonnensystem - außer Ganymed - fehlt eine Magnetosphäre. Der Mars selbst ist völlig ungeschützt. Das Vorhandensein von Strahlung im Weltraum und auf Welten ohne schützende Magnetosphäre tötet nicht nur Lebewesen ab, sondern kann auch elektronische Geräte beeinträchtigen, indem sie ihre Leistung verschlechtern, ihre Lebensdauer verkürzen oder einen vollständigen Ausfall verursachen.
Einige der Instrumente der Juno-Sonde, die sich gerade auf dem Weg zum Jupiter befindet, werden aufgrund der extremen Strahlung um den riesigen Gasplaneten voraussichtlich nicht für die Dauer der Mission überleben. Sonnenkollektoren selbst, die der Sonne ausgesetzt sein müssen, um zu funktionieren, sind besonders anfällig für ionisierende Strahlung, die ihre Leistung im Laufe der Zeit beeinträchtigt. Der Schutz der Elektronik vor ionisierender Strahlung ist ein wesentlicher Bestandteil des Entwurfs von Raumfahrzeugen und Sonden.
Typischerweise ist die empfindliche Elektronik in Raumfahrzeugen und Sonden durch Aluminium, Kupfer oder andere Materialien abgeschirmt. Die Juno-Sonde verwendet ein innovatives Titangewölbe, um ihre empfindlichste Elektronik zu schützen. Dies erhöht die Masse und das Gewicht der Sonde und bietet dennoch keinen vollständigen Schutz. Die Tardigraden haben eine andere Art, sich abzuschirmen, die wahrscheinlich eleganter ist als diese. Es ist noch zu früh, um genau zu sagen, wie Tardigraden dies tun, aber wenn die Pigmentabschirmung etwas damit zu tun hat und wir es herausfinden können, wird die Nachahmung von Tardigraden die Art und Weise verändern, wie wir Raumfahrzeuge und Sonden konstruieren, und ihre Lebensdauer in extremen Strahlungsumgebungen verlängern.
Wie wäre es damit? Werden unsere zukünftigen Erkundungsmissionen Schlangenbots beinhalten, die sich zu langen Ketten zusammensetzen können, um schwer erreichbare Gebiete zu erkunden? Werden wir Schwärme von MAVs mit Schlagflügeln freisetzen, die zusammenarbeiten, um detaillierte Karten oder Vermessungen zu erstellen? Werden unsere Sonden dank des Tardigrade-ähnlichen Schutzes vor Strahlung in der Lage sein, extreme Umgebungen für viel längere Zeiträume zu erkunden? Werden unsere ersten Stützpunkte auf dem Mond oder anderen Welten von sonnenblumeninspirierten konzentrierten Solarpflanzen angetrieben?
Wenn Leonardo DaVinci so schlau war wie ich denke, dann lautet die Antwort auf all diese Fragen ja.
