"Degenen die zijn geïnspireerd door een ander model dan de natuur, een meesteres boven alle meesters, tevergeefs.”
-Leonardo DaVinci
Waar DaVinci het over had, hoewel het dat destijds niet heette, was biomimicry. Als hij vandaag leefde, lijdt het geen twijfel dat Mr. DaVinci een grote voorstander zou zijn van biomimicry.
De natuur is fascinerender naarmate je er dieper in kijkt. Als we diep in de natuur kijken, kijken we naar een laboratorium dat meer dan 3 miljard jaar oud is, waar oplossingen voor problemen in de loop van de evolutie zijn geïmplementeerd, getest en herzien. Daarom is biomimicry zo elegant: op aarde heeft de natuur meer dan 3 miljard jaar de tijd gehad om problemen op te lossen, dezelfde soorten problemen die we moeten oplossen om vooruitgang te boeken in de ruimteverkenning.
Hoe krachtiger onze technologie wordt, hoe dieper we in de natuur kunnen kijken. Naarmate er meer details worden onthuld, doen zich meer verleidelijke oplossingen voor technische problemen voor. Wetenschappers die naar de natuur op zoek zijn naar oplossingen voor technische en ontwerpproblemen, plukken de vruchten en boeken vooruitgang op verschillende gebieden die verband houden met ruimteverkenning.
Flapping-Wing Micro Air Vehicles (MAV's)
MAV's zijn klein, meestal niet groter dan 15 cm lang en 100 gram zwaar. MAV's zijn niet alleen klein, ze zijn ook stil. Uitgerust met chemische sniffers, camera's of andere apparatuur, kunnen ze worden gebruikt om besloten ruimtes te verkennen die te klein zijn voor een mens om toegang toe te krijgen, of om heimelijk gebieden van elke omvang te verkennen. Terrestrisch gebruik kan onder meer bestaan uit gijzeling, beoordeling van industriële ongevallen zoals Fukushima of militair gebruik. Maar het is hun potentieel gebruik op andere werelden die nog moeten worden onderzocht, die het meest fascinerend zijn.
MAV's zijn in de loop der jaren in sciencefictionboeken en films verschenen. Denk aan de jagerszoekers in Dune, of de sondes in Prometheus die werden gebruikt om de kamer voor de mensen in kaart te brengen. Die ontwerpen zijn geavanceerder dan alles waar momenteel aan wordt gewerkt, maar flapperende MAV's worden momenteel onderzocht en ontworpen en zijn de voorlopers van geavanceerdere ontwerpen in de toekomst.
Hoge snelheidscamera's hebben de ontwikkeling van MAV's met flapperende vleugels gestimuleerd. Dankzij de gedetailleerde beelden van hoge snelheidscamera's konden onderzoekers de vlucht van vogels en insecten tot in detail bestuderen. En het blijkt dat een vlucht met een klappende vleugel veel ingewikkelder is dan aanvankelijk werd gedacht. Maar het is ook veel veelzijdiger en veerkrachtiger. Dat verklaart de persistentie in de natuur en de veelzijdigheid in MAV-ontwerp. Hier is een video van een snelle camera die bijen vastlegt tijdens de vlucht.
De DelFly Explorer van de TU Delft is een intrigerend ontwerp van klapperende MAV. Het kleine en lichtgewicht stereovisiesysteem maakt het mogelijk om obstakels te vermijden en de hoogte zelfstandig te behouden.
MAV's met fladderende vleugels hebben geen landingsbaan nodig. Ze hebben ook het voordeel dat ze op kleine ruimtes kunnen zitten om energie te besparen. En ze kunnen heel stil zijn. Deze video toont een voertuig met klapvleugel dat wordt ontwikkeld door Airvironment.
MAV's met klapvleugels zijn zeer wendbaar. Omdat ze hun lift genereren door vleugelbeweging, in plaats van voorwaartse beweging, kunnen ze heel langzaam reizen en zelfs zweven. Ze kunnen zelfs herstellen van botsingen met obstakels op een manier die MAV's met vaste vleugels of roterende vleugels niet kunnen. Wanneer een voertuig met vaste vleugels ergens tegenaan botst, verliest het zijn luchtsnelheid en lift. Wanneer een voertuig met een draaivleugel ergens tegenaan botst, verliest het zijn rotorsnelheid en lift.
Vanwege hun kleine formaat zijn MAV's met een flapvleugel waarschijnlijk goedkoop te produceren. Ze zullen nooit het laadvermogen van een groter voertuig kunnen dragen, maar ze zullen hun rol spelen bij het verkennen van andere werelden.
Robotische sondes hebben het onderzoek voor ons op andere werelden gedaan, tegen een veel lagere prijs dan het sturen van mensen. Terwijl MAV's met flapperende vleugels momenteel worden ontworpen met het oog op terrestrische prestaties, is het een makkelijke sprong van dat naar ontwerpen voor andere werelden en andere omstandigheden. Stel je een kleine vloot voertuigen met slagvleugels voor, ontworpen voor een dunnere atmosfeer en zwakkere zwaartekracht, vrijgegeven om grotten of andere moeilijk te bereiken gebieden in kaart te brengen, water of mineralen te lokaliseren of andere kenmerken in kaart te brengen.
Mierenkolonies en collectieve systemen
Mieren lijken zinloos als je ze individueel bekijkt. Maar ze doen samen geweldige dingen. Ze bouwen niet alleen ingewikkelde en efficiënte kolonies, ze gebruiken hun lichaam ook om drijvende bruggen te bouwen en bruggen die in de lucht hangen. Dit gedrag wordt zelfassemblage genoemd.
Mierenkolonies en mierengedrag kunnen ons veel leren. Er is een heel onderzoeksgebied genaamd Ant Colony Optimization dat implicaties heeft voor circuits en systemen, communicatie, computationele intelligentie, besturingssystemen en industriële elektronica.
Hier is een video van Weaver-mieren die een brug bouwen om de opening tussen twee opgehangen stokken te overbruggen. Het duurt even voordat ze het hebben. Kijk of je kunt kijken zonder ze aan te moedigen.
Mierenkolonies zijn een voorbeeld van zogenaamde collectieve systemen. Andere voorbeelden van collectieve systemen in de natuur zijn bijen- en wespenkorven, termietenheuvels en zelfs scholen vissen. De robots in de volgende video zijn ontworpen om natuurlijke collectieve systemen na te bootsen. Deze robots kunnen heel weinig alleen doen en zijn foutgevoelig, maar als ze samenwerken, zijn ze in staat zichzelf te assembleren tot complexe vormen.
Zelfassemblerende systemen kunnen beter worden aangepast aan veranderende omstandigheden. Als het gaat om het verkennen van andere werelden, zullen robots die zichzelf kunnen assembleren, kunnen reageren op onverwachte veranderingen in hun omgeving en in omgevingen van andere werelden. Het lijkt zeker dat zelfassemblage door collectieve systemen onze toekomstige robotverkenners in staat zal stellen omgevingen te doorkruisen en situaties te overleven waarvoor we ze niet vooraf specifiek kunnen ontwerpen. Deze robots zullen niet alleen kunstmatige intelligentie hebben om hun weg te vinden door problemen, maar zullen zichzelf ook op verschillende manieren kunnen assembleren om obstakels te overwinnen.
Robots gebaseerd op dieren
Mars verkennen met robotrovers is een verbazingwekkende prestatie. Ik kreeg koude rillingen over mijn rug toen Curiosity op Mars landde. Maar onze huidige rovers zien er broos en kwetsbaar uit en als je ze langzaam en onhandig over het oppervlak van Mars ziet bewegen, vraag je je af hoeveel beter ze in de toekomst zouden kunnen zijn. Door biomimicry te gebruiken om robotrovers op dieren te modelleren, zouden we veel betere rovers moeten kunnen bouwen dan we nu hebben.
Wielen zijn een van de eerste en beste technologieën van de mensheid. Maar hebben we zelfs wielen op Mars nodig? Wielen lopen vast, kunnen abrupte hoogteverschillen niet doorlopen en hebben andere problemen. Er zijn geen wielen in de natuur.
Slangen hebben hun eigen unieke oplossing voor het voortbewegingsprobleem. Hun vermogen om over land, over obstakels heen en weer te bewegen, door krappe plaatsen te persen en zelfs te zwemmen, maakt ze zeer efficiënte roofdieren. En ik heb nog nooit een slang met een gebroken let of een kapotte as gezien. Kunnen toekomstige rovers worden gemodelleerd naar terrestrische slangen?
Deze robot beweegt over de vloer op dezelfde manier als slangen.
Hier is nog een robot op basis van slangen, met de extra mogelijkheid om thuis in het water te zijn. Deze ziet eruit alsof hij het naar zijn zin heeft.
Deze robot is niet alleen gebaseerd op slangen, maar ook op inchwormen en insecten. Het bevat zelfs elementen van zelfassemblage. Wielen hielden het alleen maar tegen. Sommige segmenten kunnen zeker sensoren bevatten en het kan zelfs monsters ophalen voor analyse. Kijk hoe het zichzelf weer in elkaar zet om obstakels te overwinnen.
Het is gemakkelijk genoeg om meerdere toepassingen van snake bots te bedenken. Stel je een groter platform voor, vergelijkbaar met de MSL Curiosity. Stel je nu voor dat zijn poten in feite verschillende onafhankelijke slangenbots waren die zichzelf konden losmaken, taken uitvoeren zoals het verkennen van moeilijk toegankelijke gebieden en het ophalen van monsters en vervolgens terugkeren naar het grotere platform. Ze zouden dan monsters deponeren, gegevens downloaden en zichzelf opnieuw toevoegen. Vervolgens kon het hele voertuig naar een andere locatie verhuizen, waarbij de slangenbots het platform droegen.
Als dit klinkt als sciencefiction, wat dan? We houden van sciencefiction.
Zonne-energie: zonnebloemen in de ruimte
De energiestroom van de zon wordt verdund tot een straaltje hoe verder we in het zonnestelsel gaan. Terwijl we steeds efficiënter worden in het verzamelen van de energie van de zon, biedt biomimicry de belofte van een vermindering van 20% van de benodigde ruimte voor zonnepanelen, gewoon door de zonnebloem na te bootsen.
Concentrated Solar Plants (CSP's) bestaan uit een reeks spiegels, heliostaten genaamd, die de zon volgen terwijl de aarde draait. De heliostaten zijn in concentrische cirkels opgesteld en vangen het zonlicht op en reflecteren het naar een centrale toren, waar de warmte wordt omgezet in elektriciteit.
Toen onderzoekers van MIT CSP's meer in detail bestudeerden, ontdekten ze dat elk van de heliostaten een deel van de tijd in de schaduw zat, waardoor ze minder effectief waren. Terwijl ze met computermodellen werkten om het probleem op te lossen, merkten ze dat mogelijke oplossingen vergelijkbaar waren met spiraalpatronen in de natuur. Van daaruit keken ze ter inspiratie naar de zonnebloem.
De zonnebloem is geen enkele bloem. Het is een verzameling kleine bloemen die roosjes worden genoemd, net zoals de individuele spiegels in een CSP. Deze roosjes zijn gerangschikt in een spiraalpatroon waarbij elke roos 137 graden naar elkaar is gericht. Dit wordt de 'gouden hoek' genoemd en wanneer de roosjes zo zijn gerangschikt, vormen ze een reeks onderling verbonden spiralen die zich conformeert aan de Fibonacci-reeks. MIT-onderzoekers zeggen dat het op dezelfde manier organiseren van individuele spiegels in een CSP de benodigde ruimte met 20% zal verminderen.
Omdat we nog steeds alles wat we nodig hebben voor verkenning van de ruimte in de ruimte stoppen door het uit de zwaartekracht van de aarde te schieten, goed vastgebonden aan enorme, dure raketten, is een vermindering van 20% in de ruimte voor dezelfde hoeveelheid verzamelde zonne-energie een aanzienlijke verbetering.
Extremofielen en biomimicry
Extremofielen zijn organismen die zijn aangepast om te gedijen in extreme omgevingsomstandigheden. Vanaf 2013 zijn er 865 extremofiele micro-organismen geïdentificeerd. Hun erkenning heeft nieuwe hoop gegeven aan het vinden van leven in extreme omgevingen op andere werelden. Maar meer dan dat, het nabootsen van extremofielen kan ons helpen deze omgevingen te verkennen.
Strikt genomen zijn Tardigrades niet bepaald extremofielen, want hoewel ze extremen kunnen overleven, zijn ze niet aangepast om erin te gedijen. Maar hun vermogen om uitersten te weerstaan, betekent dat ze ons veel te leren hebben. Er zijn ongeveer 1150 soorten Tardigrades, en ze hebben het vermogen om te overleven in omstandigheden die mensen zouden doden, en zouden de werking van alle robotische sondes die we naar extreme omgevingen sturen, snel zouden verslechteren.
Tardigrades zijn eigenlijk kleine, aquatische achtpotige microdieren. Ze zijn bestand tegen temperaturen van net boven het absolute nulpunt tot ruim boven het kookpunt van water. Ze kunnen drukken overleven die ongeveer zes keer groter zijn dan de druk op de bodem van de diepste oceaantroggen op aarde. Tardigrades kunnen ook tien jaar zonder voedsel of water gaan en kunnen uitdrogen tot minder dan 3% water.
Ze zijn in feite de superkleine superhelden van de aarde.
Maar wat ruimteonderzoek betreft, het is hun vermogen om ioniserende straling duizenden keren hoger te weerstaan dan mensen kunnen weerstaan, dat interesseert ons het meest. Tardigrades worden de sterkste wezens van de natuur genoemd en het is gemakkelijk in te zien waarom.
Het is waarschijnlijk in de wereld van sciencefiction om je een toekomst voor te stellen waarin mensen genetisch gemanipuleerd zijn met tardigrade-genen om straling op andere werelden te weerstaan. Maar als we lang genoeg overleven, lijdt het geen twijfel dat we genen van ander aardse leven zullen lenen om ons te helpen uitbreiden naar andere werelden. Logisch. Maar dat is nog ver weg, en tardigrade overlevingsmechanismen kunnen veel eerder een rol spelen.
Werelden zoals de aarde hebben het geluk te worden gehuld in een magnetosfeer, die de biosfeer beschermt tegen straling. Maar in veel werelden en alle manen van de andere planeten in ons zonnestelsel - behalve Ganymedes - ontbreekt een magnetosfeer. Mars zelf is volkomen onbeschermd. De aanwezigheid van straling in de ruimte en op werelden zonder beschermende magnetosfeer, doodt niet alleen levende wezens, maar kan elektronische apparaten beïnvloeden door hun prestaties te verminderen, hun levensduur te verkorten of volledig falen te veroorzaken.
Sommige instrumenten op de Juno-sonde, die nu op weg is naar Jupiter, zullen naar verwachting niet overleven tijdens de missie vanwege de extreme straling rond de gigantische gasplaneet. De zonnepanelen zelf, die moeten worden blootgesteld aan de zon om te kunnen functioneren, zijn bijzonder gevoelig voor ioniserende straling, wat hun prestaties in de loop van de tijd aantast. Het beschermen van elektronica tegen ioniserende straling is een essentieel onderdeel van het ontwerp van ruimtevaartuigen en sondes.
Meestal wordt de gevoelige elektronica in ruimtevaartuigen en sondes afgeschermd door aluminium, koper of andere materialen. De Juno-sonde gebruikt een innovatieve titanium kluis om de meest gevoelige elektronica te beschermen. Dit voegt massa en gewicht toe aan de sonde en biedt nog steeds geen volledige bescherming. De Tardigrades hebben een andere manier om zichzelf af te schermen, die waarschijnlijk eleganter is dan dit. Het is te vroeg om precies te zeggen hoe tardigrades het doen, maar als pigmentafscherming er iets mee te maken heeft, en we kunnen erachter komen, zal het nabootsen van Tardigrades de manier veranderen waarop we ruimtevaartuigen en sondes ontwerpen, en hun levensduur in extreme stralingsomgevingen verlengen.
Dus hoe zit het? Zullen onze toekomstige verkenningsmissies betrekking hebben op slangenbots die zichzelf kunnen samenstellen in lange ketens om moeilijk te bereiken gebieden te verkennen? Zullen we zwermen MAV's met fladderende vleugels loslaten die samenwerken om gedetailleerde kaarten of enquêtes te maken? Zullen onze sondes in staat zijn extreme omgevingen veel langer te verkennen, dankzij Tardigrade-achtige bescherming tegen straling? Zullen onze eerste bases op de maan of andere werelden worden aangedreven door op zonnebloemen geïnspireerde geconcentreerde zonne-planten?
Als Leonardo DaVinci net zo slim was als ik denk dat hij was, dan is het antwoord op al die vragen ja.
