Những người được truyền cảm hứng từ một mô hình khác ngoài Tự nhiên, một tình nhân trên tất cả các bậc thầy, đang lao động vô ích.”
-Leonardo DaVinci
Điều mà DaVinci đang nói đến, mặc dù lúc đó nó được gọi là nó, là sinh học. Hôm nay anh ta còn sống, có rất nhiều nghi ngờ rằng ông DaVinci sẽ là một người ủng hộ lớn cho ngành sinh học.
Thiên nhiên càng hấp dẫn khi bạn nhìn sâu hơn vào nó. Khi chúng ta nhìn sâu vào thiên nhiên, chúng ta đã nhìn vào một phòng thí nghiệm hơn 3 tỷ năm tuổi, nơi các giải pháp cho các vấn đề đã được thực hiện, thử nghiệm và sửa đổi trong quá trình tiến hóa. Đó là lý do tại sao công nghệ sinh học rất thanh lịch: trên Trái đất, thiên nhiên đã có hơn 3 tỷ năm để giải quyết các vấn đề, cùng loại vấn đề chúng ta cần giải quyết để tiến lên trong thám hiểm không gian.
Công nghệ của chúng ta càng mạnh mẽ, chúng ta càng nhìn sâu vào thiên nhiên. Khi chi tiết lớn hơn được tiết lộ, các giải pháp trêu ngươi hơn cho các vấn đề kỹ thuật tự trình bày. Các nhà khoa học tìm đến các giải pháp cho các vấn đề kỹ thuật và thiết kế đang gặt hái những phần thưởng, và đang tiến xa trong một số lĩnh vực liên quan đến thám hiểm không gian.
Máy bay cánh không cánh (MAV)
MAV nhỏ, thường không dài hơn 15 cm và nặng 100 gram. MAV không chỉ nhỏ, chúng còn yên tĩnh. Được trang bị máy đánh hơi hóa học, máy ảnh hoặc thiết bị khác, chúng có thể được sử dụng để khám phá những không gian hạn chế quá nhỏ để con người có thể truy cập hoặc khám phá một cách lén lút các khu vực có kích thước bất kỳ. Việc sử dụng trên mặt đất có thể bao gồm các tình huống bắt giữ con tin, đánh giá các vụ tai nạn công nghiệp như Fukushima hoặc sử dụng quân sự. Nhưng nó đã sử dụng tiềm năng của họ trên các thế giới khác chưa được khám phá là hấp dẫn nhất.
MAV đã xuất hiện trong sách khoa học viễn tưởng và phim ảnh trong những năm qua. Hãy nghĩ về những người tìm kiếm thợ săn ở Dune, hoặc các tàu thăm dò ở Prometheus được sử dụng để lập bản đồ buồng phía trước con người. Những thiết kế đó tiên tiến hơn bất cứ thứ gì hiện đang được thực hiện, nhưng các MAV cánh đang được nghiên cứu và thiết kế ngay bây giờ, và là tiền thân của các thiết kế tiên tiến hơn trong tương lai.
Máy ảnh tốc độ cao đã thúc đẩy sự phát triển của MAV cánh vỗ. Những hình ảnh chi tiết từ máy ảnh tốc độ cao đã cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu chuyến bay của chim và côn trùng rất chi tiết. Và hóa ra, chuyến bay vỗ cánh phức tạp hơn nhiều so với suy nghĩ ban đầu. Nhưng nó cũng linh hoạt và linh hoạt hơn nhiều. Điều đó giải thích sự bền bỉ của nó trong tự nhiên và tính linh hoạt của nó trong thiết kế MAV. Tại đây, một số video từ camera tốc độ cao đang bắt những con ong đang bay.
DelFly Explorer từ Đại học Công nghệ Delft là một thiết kế hấp dẫn của MAV cánh vỗ. Hệ thống quan sát âm thanh nổi nhỏ và nhẹ của nó cho phép nó tránh chướng ngại vật và tự duy trì độ cao.
MAV cánh vỗ cánh don đòi hỏi một đường băng. Chúng cũng có lợi thế là có thể đậu trên những không gian nhỏ để tiết kiệm năng lượng. Và họ có khả năng rất im lặng. Video này cho thấy một chiếc xe cánh đang được phát triển bởi Air Môi trường.
MAV cánh vỗ rất dễ điều khiển. Bởi vì chúng tạo ra lực nâng từ chuyển động của cánh, thay vì chuyển động về phía trước, chúng có thể di chuyển rất chậm và thậm chí bay lượn. Chúng thậm chí có thể phục hồi sau các va chạm với chướng ngại vật theo cách mà các MAV cánh cố định hoặc cánh quay có thể. Khi một chiếc xe cánh cố định va chạm với một cái gì đó, nó sẽ mất tốc độ không khí và lực nâng của nó. Khi một chiếc xe cánh quay va chạm với một cái gì đó, nó sẽ mất tốc độ cánh quạt và lực nâng của nó.
Do kích thước nhỏ, các MAV cánh vỗ có khả năng rẻ tiền để sản xuất. Họ không bao giờ có thể mang trọng tải mà một chiếc xe lớn hơn có thể, nhưng họ sẽ có vai trò trong việc khám phá các thế giới khác.
Các tàu thăm dò robot đã thực hiện tất cả các chuyến thám hiểm cho chúng tôi ở các thế giới khác, với chi phí rẻ hơn nhiều so với việc gửi người. Các MAV cánh trong khi hiện đang được thiết kế với hiệu suất trên mặt đất, nó có một bước nhảy vọt đủ dễ dàng để thiết kế cho các thế giới khác và các điều kiện khác. Hãy tưởng tượng một đội xe cánh nhỏ, được thiết kế cho bầu không khí mỏng hơn và trọng lực yếu hơn, được giải phóng vào các hang động bản đồ hoặc các khu vực khó tiếp cận khác, để xác định vị trí nước hoặc khoáng chất hoặc lập bản đồ các tính năng khác.
Kiến và hệ thống tập thể
Kiến có vẻ vô tâm khi bạn nhìn chúng riêng lẻ. Nhưng họ làm những điều tuyệt vời cùng nhau. Họ không chỉ xây dựng các thuộc địa phức tạp và hiệu quả, họ còn sử dụng cơ thể của mình để xây dựng những cây cầu nổi, và những cây cầu lơ lửng giữa không trung. Hành vi này được gọi là tự lắp ráp.
Kiến và hành vi kiến có rất nhiều điều để dạy chúng ta. Có một toàn bộ lĩnh vực nghiên cứu được gọi là Ant Colony Optimization có ý nghĩa đối với các mạch và hệ thống, thông tin liên lạc, trí thông minh tính toán, hệ thống điều khiển và thiết bị điện tử công nghiệp.
Dưới đây, một video về những con kiến Weaver đang xây dựng một cây cầu để thu hẹp khoảng cách giữa hai cây gậy treo. Phải mất một thời gian để có được nó. Xem nếu bạn có thể xem mà không cổ vũ họ.
Các đàn kiến là một ví dụ về những gì được gọi là hệ thống tập thể. Các ví dụ khác về hệ thống tập thể trong tự nhiên là tổ ong và ong bắp cày, gò mối và thậm chí cả đàn cá. Các robot trong video tiếp theo đã được thiết kế để bắt chước các hệ thống tập thể tự nhiên. Những robot này có thể làm rất ít một mình và dễ bị lỗi, nhưng khi chúng hoạt động cùng nhau, chúng có khả năng tự lắp ráp thành các hình dạng phức tạp.
Hệ thống tự lắp ráp có thể thích ứng hơn với các điều kiện thay đổi. Khi nói đến việc khám phá các thế giới khác, robot có thể tự lắp ráp sẽ có thể đáp ứng với những thay đổi bất ngờ trong môi trường xung quanh và trong môi trường của các thế giới khác. Dường như chắc chắn rằng việc tự lắp ráp bởi các hệ thống tập thể sẽ cho phép các nhà thám hiểm robot trong tương lai của chúng ta vượt qua các môi trường và tồn tại trong các tình huống mà chúng ta có thể thiết kế trước cho chúng. Những robot này sẽ không chỉ có trí thông minh nhân tạo để suy nghĩ vượt qua các vấn đề mà còn có thể tự lắp ráp theo những cách khác nhau để vượt qua các chướng ngại vật.
Robot mô hình trên động vật
Khám phá sao Hỏa với các rovers robot là một thành tựu đáng kinh ngạc. Tôi bị ớn lạnh chạy dọc sống lưng khi Curiosity đáp xuống Sao Hỏa. Nhưng các rovers hiện tại của chúng ta có vẻ giòn và yếu, và nhìn chúng di chuyển chậm chạp và vụng về quanh bề mặt Sao Hỏa khiến bạn tự hỏi rằng chúng có thể tốt hơn như thế nào trong tương lai. Bằng cách sử dụng công nghệ sinh học để mô hình các động cơ robot trên động vật, chúng ta sẽ có thể xây dựng các động cơ tốt hơn nhiều so với hiện tại.
Bánh xe là một trong những công nghệ sớm nhất và vĩ đại nhất của loài người. Nhưng chúng ta thậm chí có cần bánh xe trên sao Hỏa không? Bánh xe bị kẹt, có thể vượt qua những thay đổi đột ngột về chiều cao và có những vấn đề khác. Không có bánh xe trong tự nhiên.
Rắn có giải pháp độc đáo của riêng chúng cho vấn đề vận động. Khả năng di chuyển trên mặt đất, lên và vượt chướng ngại vật, vắt qua những nơi chật hẹp và thậm chí bơi, khiến chúng trở thành những kẻ săn mồi rất hiệu quả. Và tôi không bao giờ nhìn thấy một con rắn bị gãy, hoặc trục bị gãy. Rovers trong tương lai có thể được mô hình hóa trên rắn trên cạn?
Robot này di chuyển trên sàn giống như cách rắn làm.
Ở đây, một robot khác dựa trên rắn, với khả năng ở nhà dưới nước. Cái này có vẻ như nó thích thú.
Robot này không chỉ dựa trên rắn, mà còn cả giun inch và côn trùng. Nó thậm chí có các yếu tố tự lắp ráp. Bánh xe sẽ chỉ giữ nó lại. Một số phân khúc chắc chắn có thể chứa cảm biến và thậm chí nó có thể lấy mẫu để phân tích. Xem khi nó tập hợp lại để vượt qua trở ngại.
Nó đủ dễ để nghĩ ra nhiều cách sử dụng bot rắn. Hãy tưởng tượng một nền tảng lớn hơn, tương tự như sự tò mò của MSL. Bây giờ hãy tưởng tượng nếu chân của nó thực sự là một số bot rắn độc lập có thể tự tách ra, thực hiện các nhiệm vụ như khám phá các khu vực khó tiếp cận và lấy mẫu, sau đó quay lại nền tảng lớn hơn. Sau đó, họ sẽ gửi mẫu, tải xuống dữ liệu và tự đính kèm lại. Sau đó, toàn bộ chiếc xe có thể di chuyển đến một địa điểm khác, với những con rắn rắn mang bục.
Nếu điều này nghe giống như khoa học viễn tưởng, vậy thì sao? Chúng tôi yêu thích khoa học viễn tưởng.
Năng lượng mặt trời: Hoa hướng dương trong không gian
Dòng năng lượng từ mặt trời bị pha loãng đến mức nhỏ giọt hơn nữa trong hệ mặt trời mà chúng ta đi. Mặc dù chúng ta tiếp tục ngày càng hiệu quả hơn trong việc thu thập năng lượng mặt trời, nhưng công nghệ sinh học hứa hẹn sẽ giảm 20% không gian bảng điều khiển năng lượng mặt trời, chỉ bằng cách bắt chước hoa hướng dương.
Các nhà máy năng lượng mặt trời tập trung (CSP) được tạo thành từ một loạt các gương, được gọi là heliostats, theo dõi mặt trời khi Trái đất quay. Các heliostats được sắp xếp theo vòng tròn đồng tâm, và chúng bắt ánh sáng mặt trời và phản chiếu nó về phía một tòa tháp trung tâm, nơi nhiệt được chuyển thành điện.
Khi các nhà nghiên cứu tại MIT nghiên cứu CSP chi tiết hơn, họ phát hiện ra rằng mỗi chiếc máy bay trực thăng đã dành một phần thời gian để làm mờ, khiến chúng kém hiệu quả hơn. Khi họ làm việc với các mô hình máy tính để giải quyết vấn đề, họ nhận thấy rằng các giải pháp khả thi tương tự như các mô hình xoắn ốc được tìm thấy trong tự nhiên. Từ đó, họ nhìn hoa hướng dương để tìm cảm hứng.
Hoa hướng dương là một bông hoa duy nhất. Nó có một bộ sưu tập các loài hoa nhỏ gọi là hoa, giống như các gương riêng lẻ trong CSP. Những bông hoa này được sắp xếp theo mô hình xoắn ốc với mỗi bông hoa được định hướng ở góc 137 độ với nhau. Đây được gọi là góc góc vàng, và khi các bông hoa được sắp xếp như thế này, chúng tạo thành một chuỗi các hình xoắn ốc liên kết với nhau theo chuỗi Fibonacci. Các nhà nghiên cứu của MIT nói rằng việc tổ chức các gương riêng lẻ theo cùng một cách trong CSP sẽ giảm 20% không gian cần thiết.
Vì chúng ta vẫn đưa mọi thứ chúng ta cần vào việc thám hiểm không gian vào vũ trụ bằng cách làm nổ tung nó ra khỏi trọng lực Trái đất, bị buộc chặt vào các tên lửa khổng lồ, đắt tiền, giảm 20% không gian cho cùng một lượng năng lượng mặt trời thu được là một sự cải thiện đáng kể.
Cực đoan và Biomimicry
Cực đoan là những sinh vật thích nghi để phát triển mạnh trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Tính đến năm 2013, đã có 865 vi sinh vật cực trị được xác định. Sự công nhận của họ đã mang lại hy vọng mới để tìm thấy sự sống trong môi trường khắc nghiệt trên thế giới khác. Nhưng hơn thế nữa, việc bắt chước các cực đoan có thể giúp chúng ta khám phá những môi trường này.
Nói một cách chính xác, Tardigrades không chính xác là cực đoan, bởi vì mặc dù chúng có thể sống sót cực đoan, chúng không thích nghi để phát triển mạnh trong chúng. Tuy nhiên, khả năng chịu đựng cực đoan của môi trường có nghĩa là họ có rất nhiều điều để dạy chúng ta. Có khoảng 1.150 loài Tardigrades và chúng có khả năng sống sót trong điều kiện giết chết con người, và sẽ nhanh chóng làm suy giảm chức năng của bất kỳ tàu thăm dò robot nào mà chúng ta có thể gửi đến môi trường khắc nghiệt.
Tardigrades thực sự là những động vật siêu nhỏ, thủy sinh, tám chân. Chúng có thể chịu được nhiệt độ từ ngay trên độ không tuyệt đối đến nhiệt độ sôi của nước. Chúng có thể sống sót với áp lực lớn hơn khoảng sáu lần so với áp lực ở đáy của rãnh đại dương sâu nhất trên Trái đất. Tardigrades cũng có thể đi mười năm mà không cần thức ăn hoặc nước, và có thể làm khô đến dưới 3% nước.
Họ cơ bản là những siêu anh hùng siêu nhỏ của Trái đất.
Nhưng khi thám hiểm không gian, nó có khả năng chịu được bức xạ ion hóa cao gấp hàng nghìn lần so với con người có thể chịu được, điều đó khiến chúng ta quan tâm nhất. Tardigrades được gọi là sinh vật khó khăn nhất trong tự nhiên, và nó dễ dàng hiểu được tại sao.
Nó có lẽ trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng để tưởng tượng ra một tương lai nơi con người được biến đổi gen với các gen tardigrade để chống lại bức xạ ở các thế giới khác. Nhưng nếu chúng ta tồn tại đủ lâu, trong tâm trí tôi không còn nghi ngờ gì nữa, chúng ta sẽ mượn gen từ các sinh vật sống trên cạn khác để giúp chúng ta mở rộng sang các thế giới khác. Nó chỉ hợp lý. Nhưng đó là một chặng đường dài và các cơ chế sinh tồn có thể phát huy tác dụng sớm hơn nhiều.
Những thế giới như Trái đất may mắn được bao phủ bởi một từ quyển, bảo vệ sinh quyển khỏi bức xạ. Nhưng nhiều thế giới, và tất cả các mặt trăng của các hành tinh khác trong hệ mặt trời của chúng ta, ngoài Ganymede, đều thiếu một từ quyển. Bản thân sao Hỏa hoàn toàn không được bảo vệ. Sự hiện diện của bức xạ trong không gian và trên các thế giới không có từ trường bảo vệ, không chỉ giết chết sinh vật, mà còn có thể ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử bằng cách làm giảm hiệu suất của chúng, rút ngắn tuổi thọ hoặc gây ra sự thất bại hoàn toàn.
Một số thiết bị trên tàu thăm dò Juno, hiện đang trên đường đến Sao Mộc, dự kiến sẽ không tồn tại trong suốt thời gian thực hiện nhiệm vụ vì bức xạ cực lớn xung quanh hành tinh khí khổng lồ. Bản thân các tấm pin mặt trời, phải tiếp xúc với ánh nắng mặt trời để hoạt động, đặc biệt dễ bị bức xạ ion hóa, làm xói mòn hiệu suất của chúng theo thời gian. Bảo vệ thiết bị điện tử khỏi bức xạ ion hóa là một phần thiết yếu của thiết kế tàu vũ trụ và tàu thăm dò.
Thông thường, các thiết bị điện tử nhạy cảm trong tàu vũ trụ và tàu thăm dò được che chắn bằng nhôm, đồng hoặc các vật liệu khác. Đầu dò Juno sử dụng một hầm titan sáng tạo để bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm nhất của nó. Điều này bổ sung số lượng lớn và trọng lượng cho đầu dò, và vẫn giành được sự bảo vệ hoàn toàn. Tardigrades có một số cách khác để che chắn bản thân mà có lẽ thanh lịch hơn thế này. Nó quá sớm để nói chính xác cách thức tardigrades làm điều đó, nhưng nếu che chắn sắc tố có liên quan đến nó, và chúng ta có thể tìm ra nó, bắt chước Tardigrades sẽ thay đổi cách chúng ta thiết kế tàu vũ trụ và tàu thăm dò, và kéo dài tuổi thọ của chúng trong môi trường bức xạ khắc nghiệt.
Vậy làm thế nào về nó? Các nhiệm vụ thám hiểm trong tương lai của chúng ta sẽ liên quan đến các bot rắn có thể tự lắp ráp thành các chuỗi dài để khám phá các khu vực khó tiếp cận? Chúng ta sẽ giải phóng một loạt các MAV cánh vỗ hoạt động cùng nhau để tạo ra các bản đồ hoặc khảo sát chi tiết chứ? Các tàu thăm dò của chúng ta sẽ có thể khám phá các môi trường khắc nghiệt trong thời gian dài hơn nhiều, nhờ vào sự bảo vệ giống như Tardigrade khỏi bức xạ? Các căn cứ đầu tiên của chúng ta trên mặt trăng hoặc các thế giới khác sẽ được cung cấp năng lượng từ các nhà máy năng lượng mặt trời tập trung lấy cảm hứng từ hoa hướng dương?
Nếu Leonardo DaVinci thông minh như tôi nghĩ, thì câu trả lời cho tất cả những câu hỏi đó là có.
