„Diejenigen, die sich von einem anderen Modell als der Natur inspirieren lassen,eine Geliebte über allen Herren, arbeiten vergeblich.'
-Leonardo DaVinci
Was DaVinci redete, obwohl es damals nicht so hieß, war Biomimikry. Biomimikry ist die Praxis, Designs aus der natürlichen Welt zu verwenden, um technologische und technische Probleme zu lösen. Wäre er heute am Leben, besteht kein Zweifel, dass Herr DaVinci ein großer Befürworter der Biomimikry wäre.
Die Natur ist umso faszinierender, je tiefer man in sie hineinschaut. Wenn wir tief in die Natur blicken, blicken wir in ein über 3 Milliarden Jahre altes Labor, in dem im Laufe der Evolution Problemlösungen umgesetzt, getestet und überarbeitet wurden. Deshalb ist Biomimikry so elegant: Auf der Erde hat die Natur mehr als 3 Milliarden Jahre um Probleme zu lösen, die gleichen Arten von Problemen, die wir lösen müssen, um in der Weltraumforschung voranzukommen.
Je leistungsfähiger unsere Technologie wird, desto tiefer können wir in die Natur blicken. Je mehr Details bekannt werden, desto verlockendere Lösungen für technische Probleme bieten sich an. Wissenschaftler, die in der Natur nach Lösungen für technische und Designprobleme suchen, ernten die Früchte und machen in mehreren Bereichen der Weltraumforschung Fortschritte.
Schlagflügel-Mikroluftfahrzeuge (MAVs)
MAVs sind klein, normalerweise nicht größer als 15 cm und 100 Gramm schwer. MAVs sind nicht nur klein, sondern auch leise. Ausgestattet mit chemischen Schnüffeln, Kameras oder anderen Geräten könnten sie verwendet werden, um enge Räume zu erkunden, die für einen Menschen zu klein sind, oder um heimlich Gebiete jeder Größe zu erkunden. Zu terrestrischen Nutzungen können Geiselnahmen und die Bewertung von Arbeitsunfällen gehören, z. B. Fukushima , oder militärische Zwecke. Am faszinierendsten ist jedoch ihre potenzielle Verwendung in anderen Welten, die noch erforscht werden müssen.
MAVs sind im Laufe der Jahre in Science-Fiction-Büchern und -Filmen erschienen. Denken Sie an die Jäger-Sucher in Düne , oder die Sonden in Prometheus, die verwendet wurden, um die Kammer vor den Menschen zu kartieren. Diese Designs sind fortschrittlicher als alles, woran derzeit gearbeitet wird, aber Schlagflügel-MAVs werden derzeit erforscht und entwickelt und sind die Vorläufer für fortschrittlichere Designs in der Zukunft.
Hochgeschwindigkeitskameras haben die Entwicklung von Schlagflügel-MAVs vorangetrieben. Die detaillierten Bilder von Hochgeschwindigkeitskameras haben es den Forschern ermöglicht, den Vogel- und Insektenflug detailliert zu untersuchen. Und wie sich herausstellt, ist der Schlagflügelflug viel komplizierter als zunächst angenommen. Aber es ist auch viel vielseitiger und widerstandsfähiger. 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 Delft University of Technology ist ein faszinierendes Design des Schlagflügel-MAV. Sein kleines und leichtes Stereo-Vision-System ermöglicht es ihm, Hindernissen auszuweichen und seine Höhe selbstständig zu halten.
Schlagflügel-MAVs benötigen keine Start- und Landebahn. Sie haben auch den Vorteil, dass sie sich auf kleinem Raum niederlassen können, um Energie zu sparen. Und sie haben das Potenzial, sehr leise zu sein. Dieses Video zeigt ein von Airvironment entwickeltes Schlagflügelfahrzeug.
Schlagflügel-MAVs sind sehr wendig. Da sie ihren Auftrieb eher aus der Flügelbewegung als aus der Vorwärtsbewegung erzeugen, können sie sich sehr langsam bewegen und sogar schweben. Sie können sich sogar von Kollisionen mit Hindernissen auf eine Weise erholen, die Starr- oder Drehflügler-MAVs nicht können. Wenn ein Starrflügler mit etwas kollidiert, verliert es seine Fluggeschwindigkeit und seinen Auftrieb. Wenn ein Drehflügler mit etwas kollidiert, verliert es seine Rotordrehzahl und seinen Auftrieb.
Aufgrund ihrer geringen Größe sind MAVs mit Schlagflügeln wahrscheinlich billig in der Herstellung. Sie werden nie in der Lage sein, die Nutzlast eines größeren Fahrzeugs zu tragen, aber sie werden ihre Rolle bei der Erforschung anderer Welten spielen.
Robotersonden haben für uns alle Erkundungen auf anderen Welten erledigt, und das zu viel günstigeren Kosten als das Senden von Menschen. Während Schlagflügel-MAVs derzeit mit Blick auf die terrestrische Leistung entwickelt werden, ist es ein einfacher Sprung von diesem zu Designs für andere Welten und andere Bedingungen. Stellen Sie sich eine kleine Flotte von Schlagflügelfahrzeugen vor, die für eine dünnere Atmosphäre und schwächere Schwerkraft ausgelegt sind, um Höhlen oder andere schwer zugängliche Gebiete zu kartieren, um Wasser oder Mineralien zu lokalisieren oder andere Merkmale zu kartieren.
Ameisenkolonien und kollektive Systeme
Ameisen-Teamwork: ein kollektives System in Aktion. (Bildquelle: Budzlife, Bild unverändert, CC2.0 )
Ameisen wirken geistlos, wenn man sie einzeln betrachtet. Aber sie tun erstaunliche Dinge zusammen. Sie bauen nicht nur komplizierte und effiziente Kolonien, sondern verwenden ihren Körper auch, um schwimmende Brücken zu bauen und Brücken in der Luft zu hängen. Dieses Verhalten wird als Selbstorganisation bezeichnet.
Ameisenkolonien und das Verhalten von Ameisen können uns viel beibringen. 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 aufgehängten Stöcken zu überbrücken. Es dauert eine Weile, bis sie es 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 alleine sehr wenig tun und sind fehleranfällig, aber wenn sie zusammenarbeiten, können sie sich selbst zu komplexen Formen zusammenfügen.
Selbstaufbauende Systeme können an sich ändernde Bedingungen besser angepasst werden. Wenn es darum geht, andere Welten zu erkunden, werden Roboter, die sich selbst zusammenbauen können, in der Lage sein, auf unerwartete Veränderungen in ihrer Umgebung und in Umgebungen anderer Welten zu reagieren. Es scheint sicher, dass die Selbstorganisation durch kollektive Systeme unseren zukünftigen Roboterforschern ermöglichen wird, Umgebungen zu durchqueren und Situationen zu überleben, für die wir sie nicht im Voraus speziell entwickeln können. Diese Roboter werden nicht nur über eine künstliche Intelligenz verfügen, um Probleme zu durchdenken, sondern auch in der Lage sein, sich auf verschiedene Weise selbst zusammenzustellen, um Hindernisse zu überwinden.
Robotern nach dem Vorbild von Tieren
Die Erforschung des Mars mit Rover-Robotern ist eine erstaunliche Leistung. Mir lief es kalt über den Rücken, als Curiosity auf dem Mars landete. Aber unsere aktuellen Rover wirken brüchig und zerbrechlich, und wenn Sie zu sehen, wie sie sich langsam und unbeholfen über die Marsoberfläche bewegen, fragen Sie sich, wie viel besser sie in Zukunft sein könnten. Indem wir Biomimicry verwenden, um Roboter-Rover an Tieren zu modellieren, sollten wir in der Lage sein, viel bessere Rover zu bauen, als wir es derzeit haben.
Räder sind eine der frühesten und größten Technologien der Menschheit. Aber brauchen wir auf dem Mars überhaupt Räder? Räder bleiben stecken, 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, Hindernisse und Hindernisse zu überwinden, sich durch enge Stellen zu quetschen und sogar zu schwimmen, macht sie zu sehr effizienten Raubtieren. Und ich habe noch nie eine Schlange mit einer kaputten oder einer kaputten Achse gesehen. Könnten zukünftige Rover terrestrischen Schlangen nachempfunden sein?
Dieser Roboter bewegt sich wie Schlangen über den Boden.
Hier ist ein weiterer Roboter, der auf Schlangen basiert, mit der zusätzlichen Fähigkeit, 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 Selbstmontage. Räder würden es nur zurückhalten. Einige Segmente könnten sicherlich Sensoren enthalten, und es könnte sogar Proben zur Analyse abrufen. Beobachten Sie, wie es sich wieder zusammensetzt, um Hindernisse zu überwinden.
Es ist leicht genug, sich mehrere Verwendungszwecke von Schlangen-Bots vorzustellen. Stellen Sie sich eine größere Plattform vor, ähnlich der MSL Curiosity. Stellen Sie sich nun vor, seine Beine wären tatsächlich mehrere unabhängige Schlangen-Bots, 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 Muster hinterlegen, Daten herunterladen und sich wieder anbringen. Dann konnte sich das ganze Fahrzeug an einen anderen Ort bewegen, wobei die Schlangenbots die Plattform trugen.
Wenn das nach Science-Fiction klingt, was dann? Wir lieben Science-Fiction.
Solarenergie: Sonnenblumen im All
Der Energiefluss der Sonne wird zu einem Rinnsal verdünnt, je weiter wir uns im Sonnensystem entfernen. Während wir beim Sammeln der Sonnenenergie immer effizienter werden, verspricht die Bionik eine Reduzierung des Platzbedarfs für Solarpaneele um 20 % allein durch die Nachahmung der Sonnenblume.
Konzentrierte Solaranlagen (CSPs) bestehen aus einer Reihe von Spiegeln, sogenannten Heliostaten, die der Sonne folgen, während sich die Erde dreht. Die Heliostaten sind in konzentrischen Kreisen angeordnet, sie fangen das Sonnenlicht ein und reflektieren es zu einem zentralen Turm, wo die Wärme in Strom umgewandelt wird.
Wann Forscher am MIT untersuchten CSPs genauer und stellten 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 spiralförmigen Mustern in der Natur ähnelten. Von dort aus schauten sie sich die Sonnenblume an, um sich inspirieren zu lassen.
Eine Nahaufnahme des Spiralmusters in einer Sonnenblume. (Bildquelle: Vishwas Krishna, unverändert, CC2.0 )
Die Sonnenblume ist keine einzelne Blume. Es handelt sich um eine Sammlung kleiner Blumen, die als Röschen bezeichnet werden, ähnlich wie die einzelnen Spiegel in einem CSP. Diese Röschen sind in einem spiralförmigen Muster angeordnet, wobei jedes Röschen in einem Winkel von 137 Grad zueinander ausgerichtet ist. Dies wird als „goldener Winkel“ bezeichnet, und wenn die Röschen so angeordnet sind, bilden sie eine Anordnung miteinander verbundener Spiralen, die der Fibonacci-Folge entspricht. MIT-Forscher sagen, dass durch die gleiche Organisation einzelner Spiegel in einem CSP der benötigte Platz um 20 % reduziert wird.
Da wir immer noch alles, was wir für die Erforschung des Weltraums brauchen, in den Weltraum bringen, indem wir es gut an riesige, teure Raketen geschnallt aus der Schwerkraft der Erde sprengen, ist eine Reduzierung des Weltraums um 20 % für die gleiche Menge an gesammelter Sonnenenergie eine erhebliche Verbesserung.
Extremophile und Biomimikry
Extremophile sind Organismen, die an extreme Umweltbedingungen angepasst sind. Bis 2013 wurden 865 extremophile Mikroorganismen identifiziert. Ihre Anerkennung hat neue Hoffnung gegeben, Leben in extremen Umgebungen auf anderen Welten zu finden. Aber darüber hinaus kann uns die Nachahmung von Extremophilen helfen, diese Umgebungen zu erkunden.
Das kleine Bärtierchen: Das härteste Geschöpf der Natur? (Bildquelle: Katexic Publications, unverändert, CC2.0 )
Genau genommen, Bärtierchen sind nicht gerade Extremophile, denn obwohl sie Extreme überleben können, sind sie nicht dafür geeignet, darin zu gedeihen. Ihre Fähigkeit, extremen Umwelteinflüssen standzuhalten, bedeutet jedoch, dass sie uns viel beibringen können. Es gibt ungefähr 1.150 Arten von Bärtierchen, und sie haben die Fähigkeit, unter Bedingungen zu überleben, die Menschen töten würden, und würden schnell die Funktion von Robotersonden beeinträchtigen, die wir in extreme Umgebungen schicken könnten.
Bärtierchen sind eigentlich winzige, aquatische, achtbeinige Mikrotiere. Sie halten Temperaturen von knapp über dem absoluten Nullpunkt bis weit über dem Siedepunkt von Wasser stand. Sie können einem Druck standhalten, der etwa sechsmal höher ist als der Druck am Boden der tiefsten Meeresgräben der Erde. Bärtierchen können auch zehn Jahre ohne Nahrung oder Wasser auskommen und auf weniger als 3% Wasser austrocknen.
Das Bärtierchen: Die superkleinen Superhelden der Erde. (Bildquelle: ESA/Dr. Ralph O. Schill)
Sie sind im Grunde die superkleinen Superhelden der Erde.
Aber was die Weltraumforschung angeht, interessiert uns ihre Fähigkeit, ionisierender Strahlung tausendmal höher als der Mensch standzuhalten, die uns am meisten interessiert. Bärtierchen werden als die härtesten Kreaturen der Natur bezeichnet, und es ist leicht zu verstehen, warum.
Es liegt wahrscheinlich im Bereich der Science-Fiction, sich eine Zukunft vorzustellen, in der Menschen mit Bärtierchen-Genen gentechnisch verändert werden, um der Strahlung auf anderen Welten zu widerstehen. Aber wenn wir lange genug überleben, werden wir uns zweifellos Gene von anderen irdischen Leben leihen, um uns in andere Welten zu expandieren. Es ist nur logisch. Aber das ist noch ein langer Weg, und die Überlebensmechanismen der Bärtierchen könnten viel früher ins Spiel kommen.
Der Schutzmantel der Erde: die Magnetosphäre. (Bildnachweis: NASA)
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 – mit Ausnahme von 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, sondern kann auch elektronische Geräte beeinträchtigen, indem es ihre Leistung beeinträchtigt, ihre Lebensdauer verkürzt oder einen vollständigen Ausfall verursacht.
Einige der Instrumente auf dem Juno Sonde, die gerade auf dem Weg zum Jupiter ist, wird aufgrund der extremen Strahlung um den riesigen Gasplaneten voraussichtlich nicht für die Dauer der Mission überleben. Solarmodule selbst, die für ihre Funktion der Sonne ausgesetzt werden müssen, sind besonders anfällig für ionisierende Strahlung, die ihre Leistung mit der Zeit untergräbt. Der Schutz der Elektronik vor ionisierender Strahlung ist ein wesentlicher Bestandteil des Designs von Raumfahrzeugen und Sonden.
Typischerweise wird die empfindliche Elektronik in Raumfahrzeugen und Sonden durch Aluminium, Kupfer oder andere Materialien abgeschirmt. Die Juno-Sonde verwendet ein innovatives Titan-Gewölbe, um ihre empfindlichste Elektronik zu schützen. Dies erhöht die Masse und das Gewicht der Sonde und bietet dennoch keinen vollständigen Schutz. Die Bärtierchen haben eine andere Möglichkeit, sich abzuschirmen, die wahrscheinlich eleganter ist. Es ist noch zu früh, um genau zu sagen, wie Bärtierchen das tun, aber wenn die Pigmentierungsabschirmung etwas damit zu tun hat und wir es herausfinden können, wird die Nachahmung von Bärtierchen die Art und Weise verändern, wie wir Raumfahrzeuge und Sonden entwerfen und ihre Lebensdauer in extremen Strahlungsumgebungen verlängern.
Wie wäre es also damit? Werden unsere zukünftigen Erkundungsmissionen Schlangen-Bots beinhalten, die sich selbst zu langen Ketten zusammenfügen können, um schwer zugängliche Gebiete zu erkunden? Werden wir Schwärme von Schlagflügel-MAVs entfesseln, 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 über viel längere Zeiträume zu erkunden? Werden unsere ersten Basen auf dem Mond oder anderen Welten von Sonnenblumen-inspirierten konzentrierten Solaranlagen angetrieben?
Wenn Leonardo DaVinci so schlau war, wie ich denke, dann lautet die Antwort auf all diese Fragen ja.
