"أولئك المستوحاة من نموذج آخر غير الطبيعة ، عشيقة قبل كل شيء سادة ، تعمل عبثا.”
-ليوناردو دافنشي
ما كان دافينشي يتحدث عنه ، على الرغم من أنه لم يكن يطلق عليه في ذلك الوقت ، كان تقليدًا حيويًا. لو كان على قيد الحياة اليوم ، ليس هناك شك في أن السيد دافينشي سيكون مؤيدًا كبيرًا للتقليد الحيوي.
الطبيعة أكثر روعة كلما نظرت إليها بعمق. عندما ننظر إلى الطبيعة بعمق ، فإننا ننظر إلى مختبر عمره أكثر من 3 مليار عام ، حيث تم تنفيذ حلول للمشاكل واختبارها ومراجعتها على مدار التطور. هذا هو السبب في أن المحاكاة الحيوية أنيقة للغاية: على الأرض ، كان لدى الطبيعة أكثر من 3 مليارات سنة لحل المشاكل ، نفس أنواع المشاكل التي نحتاج إلى حلها للتقدم في استكشاف الفضاء.
كلما زادت تقنيتنا ، كلما رأينا أعمق في الطبيعة. كلما تم الكشف عن مزيد من التفاصيل ، فإن الحلول الأكثر إثارة للمشكلات الهندسية تظهر نفسها. يجني العلماء الذين يتطلعون إلى الطبيعة بحثًا عن حلول لمشكلات الهندسة والتصميم المكافآت ، ويحرزون تقدمًا في العديد من المجالات المتعلقة باستكشاف الفضاء.
ترفرف المركبات الجوية الصغيرة الجناحين (MAVs)
MAVs صغيرة ، وعادة لا يزيد طولها عن 15 سم ووزنها 100 جرام. مركبات MAV ليست صغيرة فحسب ، ولكنها هادئة. يمكن تركيبها بالشمع الكيميائي أو الكاميرات أو غيرها من المعدات ، ويمكن استخدامها لاستكشاف المساحات الضيقة التي يصعب على الإنسان الوصول إليها ، أو لاستكشاف مناطق من أي حجم خلسة. يمكن أن تشمل الاستخدامات الأرضية حالات الرهائن ، وتقييم الحوادث الصناعية مثل فوكوشيما ، أو الاستخدامات العسكرية. لكن استخدامها المحتمل في عوالم أخرى لم يتم استكشافه بعد هو الأكثر روعة.
ظهرت MAVs في كتب وأفلام الخيال العلمي على مر السنين. فكر في الباحثين عن الصيادين في الكثيب ، أو المسابر في بروميثيوس التي تم استخدامها لرسم خريطة الغرفة أمام البشر. هذه التصميمات أكثر تقدمًا من أي شيء يتم العمل عليه حاليًا ، ولكن يتم بحث وتصميم MAVs ذات الأجنحة المترفعة في الوقت الحالي ، وهي مقدمة لتصميمات أكثر تقدمًا في المستقبل.
حفزت الكاميرات عالية السرعة على تطوير MAVs ذات الأجنحة الخفاقة. سمحت الصور التفصيلية من الكاميرات عالية السرعة للباحثين بدراسة رحلة الطيور والحشرات بتفصيل كبير. وكما اتضح ، فإن رحلة الجناح المترف معقدة أكثر بكثير مما كان يعتقد في البداية. لكنها أيضًا أكثر تنوعًا ومرونة. وهذا يفسر ثباتها في الطبيعة وتنوعها في تصميم MAV. إليك بعض مقاطع الفيديو من كاميرا عالية السرعة تلتقط النحل أثناء الطيران.
يعد DelFly Explorer من جامعة دلفت للتكنولوجيا تصميمًا مثيرًا للاهتمام من MAV ذات الأجنحة المترفحة. يتيح نظام الرؤية الاستريو الصغير والخفيف الوزن تجنب العوائق والحفاظ على ارتفاعه من تلقاء نفسه.
لا تتطلب مركبات MAVs ذات الأجنحة المدرج مدرجًا. لديهم أيضًا ميزة القدرة على الجثم على المساحات الصغيرة للحفاظ على الطاقة. ولديهم القدرة على الهدوء الشديد. يُظهر هذا الفيديو مركبة ذات أجنحة متعرجة تم تطويرها بواسطة Airvironment.
رفرفة MAVs ذات قدرة عالية على المناورة. لأنهم يولدون رفعهم من حركة الجناح ، بدلاً من الحركة إلى الأمام ، يمكنهم السفر ببطء شديد ، وحتى التحليق. يمكنهم حتى التعافي من التصادمات مع العوائق بطرق لا يمكن للطائرات ذات الأجنحة الثابتة أو الأجنحة الدوارة أن تستغلها. عندما تصطدم مركبة ذات أجنحة ثابتة بشيء ما ، تفقد سرعتها الهوائية ورفعها. عندما تصطدم مركبة ذات أجنحة دوارة بشيء ما ، فإنها تفقد سرعتها ورفعها.
نظرًا لصغر حجمها ، من المرجح أن تكون إنتاج MAV ذات الأجنحة الرخوة رخيصة الثمن. لن يتمكنوا أبدًا من حمل الحمولة التي يمكن لمركبة أكبر ، ولكن سيكون لهم دورهم في استكشاف عوالم أخرى.
قامت المجسات الروبوتية بجميع الاستكشافات لنا في عوالم أخرى ، بتكلفة أرخص بكثير من إرسال الأشخاص. بينما يتم تصميم MAVs الجناح المتخبط حاليًا مع مراعاة الأداء الأرضي ، فإنه يعد قفزة سهلة بما يكفي من ذلك إلى التصميمات للعوالم الأخرى والظروف الأخرى. تخيل أسطولًا صغيرًا من المركبات ذات الأجنحة المتدحرجة ، المصممة لجو أرق وجاذبية أضعف ، تم إطلاقها لرسم خرائط الكهوف أو غيرها من المناطق التي يصعب الوصول إليها ، لتحديد موقع المياه أو المعادن ، أو لرسم معالم أخرى.
مستعمرات النمل والأنظمة الجماعية
يبدو النمل بلا عقل عندما تنظر إليها بشكل فردي. لكنهم يفعلون أشياء مذهلة معا. فهي لا تبني مستعمرات معقدة وفعالة فحسب ، بل تستخدم أيضًا أجسادها لبناء الجسور العائمة والجسور المعلقة في الهواء. هذا السلوك يسمى التجميع الذاتي.
لدى مستعمرات النمل وسلوك النمل الكثير لتعلمنا إياه. هناك مجال بحث كامل يسمى Ant Colony Optimization له آثار على الدوائر والأنظمة والاتصالات والذكاء الحسابي وأنظمة التحكم والإلكترونيات الصناعية.
إليك مقطع فيديو للنمل ويفر يبني جسراً يمتد الفجوة بين العصي المعلقة. يستغرق الأمر بعض الوقت للحصول عليه. تحقق مما إذا كان بإمكانك مشاهدتها دون تشجيعهم.
مستعمرات النمل هي أحد الأمثلة على ما يسمى النظم الجماعية. أمثلة أخرى للأنظمة الجماعية في الطبيعة هي خلايا النحل والدبابير ، وتلال النمل الأبيض ، وحتى مدارس الأسماك. تم تصميم الروبوتات في الفيديو التالي لتقليد الأنظمة الجماعية الطبيعية. يمكن لهذه الروبوتات أن تفعل القليل بمفردها ، وتكون عرضة للخطأ ، ولكن عندما تعمل معًا ، فهي قادرة على التجميع الذاتي في أشكال معقدة.
يمكن أن تكون أنظمة التجميع الذاتي أكثر قابلية للتكيف مع الظروف المتغيرة. عندما يتعلق الأمر باستكشاف عوالم أخرى ، فإن الروبوتات التي يمكنها التجميع الذاتي ستكون قادرة على الاستجابة للتغيرات غير المتوقعة في محيطها وفي بيئات العوالم الأخرى. يبدو من المؤكد أن التجميع الذاتي من خلال الأنظمة الجماعية سيسمح للمستكشفين الآليين المستقبليين لدينا باجتياز البيئات والبقاء على قيد الحياة ولا يمكننا تصميمها خصيصًا مسبقًا. لن تمتلك هذه الروبوتات ذكاءً اصطناعيًا فقط لتفكر في طريقها من خلال المشكلات ، ولكنها ستكون أيضًا قادرة على التجميع الذاتي بطرق مختلفة للتغلب على العقبات.
الروبوتات على غرار الحيوانات
إن استكشاف كوكب المريخ مع المركبات الآلية هو إنجاز مذهل. كان لدي قشعريرة تجري في العمود الفقري عندما هبط الفضول على كوكب المريخ. لكن سياراتنا الحالية تبدو هشة واهية ، ومشاهدتها تتحرك ببطء وبطريقة خرقاء حول سطح المريخ تجعلك تتساءل إلى أي مدى يمكن أن تكون أفضل في المستقبل. باستخدام محاكاة الطبيعة لنمذجة المركبات الآلية الروبوتية على الحيوانات ، يجب أن نكون قادرين على بناء مركبات روفر أفضل بكثير مما لدينا حاليًا.
العجلات هي واحدة من أقدم وأكبر التقنيات البشرية. ولكن هل نحتاج حتى عجلات على المريخ؟ تتعطل العجلات ، ولا يمكنها اجتياز التغيرات المفاجئة في الارتفاع ، ولها مشاكل أخرى. لا توجد عجلات في الطبيعة.
الأفاعي لها حلها الفريد لمشكلة الحركة. قدرتهم على التحرك فوق الأرض ، فوق العوائق ، والضغط عبر الأماكن الضيقة ، وحتى السباحة ، تجعلهم مفترسين فعالين للغاية. ولم يسبق لي أن رأيت ثعبانًا مع كسر أو محور مكسور. هل يمكن تصميم المركبات المستقبلية في نموذج الثعابين الأرضية؟
يتحرك هذا الروبوت عبر الأرضية بنفس الطريقة التي تتحرك بها الثعابين.
إليك روبوت آخر يعتمد على الثعابين ، مع القدرة الإضافية على التواجد في المنزل في الماء. هذا يبدو وكأنه يستمتع بنفسه.
لا يعتمد هذا الروبوت على الثعابين فحسب ، بل يعتمد أيضًا على الديدان الإنشائية والحشرات. حتى أنه يحتوي على عناصر التجميع الذاتي. العجلات ستعيقها فقط. من المؤكد أن بعض الأجزاء يمكن أن تحمل أجهزة استشعار ، ويمكنها أيضًا استرداد عينات لتحليلها. شاهد بينما يعيد تجميع نفسه للتغلب على العقبات.
من السهل التفكير في الاستخدامات المتعددة لروبوتات الثعبان. تخيل منصة أكبر ، مشابهة لـ MSL Curiosity. تخيل الآن ما إذا كانت ساقها في الواقع عبارة عن العديد من روبوتات الأفعى المستقلة التي يمكن أن تنفصل عن نفسها ، وتؤدي مهامًا مثل استكشاف المناطق التي يصعب الوصول إليها واستعادة العينة ، ثم العودة إلى النظام الأساسي الأكبر. ثم يقومون بإيداع عينات وتنزيل البيانات وإعادة إرفاق أنفسهم. ثم يمكن أن تنتقل السيارة بأكملها إلى موقع مختلف ، مع روبوتات الثعبان التي تحمل المنصة.
إذا كان هذا يبدو وكأنه خيال علمي ، فماذا؟ نحن نحب الخيال العلمي.
الطاقة الشمسية: عباد الشمس في الفضاء
يتم تخفيف تدفق الطاقة من الشمس إلى قطرات أبعد في النظام الشمسي الذي نذهب إليه. بينما نستمر في الحصول على المزيد والمزيد من الكفاءة في جمع طاقة الشمس ، يقدم التقليد الحيوي وعدًا بتخفيض 20٪ من مساحة الألواح الشمسية المطلوبة ، فقط عن طريق محاكاة عباد الشمس.
تتكون النباتات الشمسية المركزة (CSPs) من مجموعة من المرايا ، تسمى heliostats ، التي تتبع الشمس أثناء دوران الأرض. يتم ترتيب أجهزة التحكم عن بعد في دوائر متحدة المركز ، وهي تلتقط ضوء الشمس وتعكسه نحو البرج المركزي ، حيث يتم تحويل الحرارة إلى كهرباء.
عندما درس الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا CSPs بمزيد من التفصيل ، اكتشفوا أن كل واحد من الهليوستاتس أمضى جزءًا من الوقت مظللاً ، مما جعلها أقل فعالية. أثناء عملهم مع نماذج الكمبيوتر لحل المشكلة ، لاحظوا أن الحلول الممكنة كانت مشابهة للأنماط اللولبية الموجودة في الطبيعة. من هناك ، نظروا إلى عباد الشمس للإلهام.
عباد الشمس ليست زهرة واحدة. إنها مجموعة من الزهور الصغيرة تسمى florets ، تشبه إلى حد كبير المرايا الفردية في CSP. يتم ترتيب هذه الزهيرات في شكل حلزوني مع توجيه كل زهر عند 137 درجة لبعضها البعض. وهذا ما يسمى "الزاوية الذهبية" ، وعندما يتم ترتيب الزهيرات على هذا النحو ، فإنها تشكل مجموعة من اللوالب المترابطة التي تتوافق مع تسلسل فيبوناتشي. يقول باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) إن تنظيم المرايا الفردية بنفس الطريقة في CSP سيقلل المساحة المطلوبة بنسبة 20٪.
نظرًا لأننا ما زلنا نضع كل ما نحتاجه لاستكشاف الفضاء إلى الفضاء عن طريق طرده من جاذبية الأرض المربوطة جيدًا إلى صواريخ هائلة ومكلفة ، فإن انخفاض المساحة بنسبة 20 ٪ لنفس الكمية من الطاقة الشمسية المجمعة يعد تحسنًا كبيرًا.
المتطرفون والمحاكاة الحيوية
المتطرفون هم كائنات تتكيف مع الازدهار في الظروف البيئية القاسية. اعتبارًا من عام 2013 ، تم تحديد 865 من الكائنات الحية الدقيقة المتطرفة. لقد أعطى اعترافهم أملًا جديدًا في العثور على الحياة في بيئات قاسية في عوالم أخرى. ولكن أكثر من ذلك ، قد يساعدنا محاكاة المتطرفين على استكشاف هذه البيئات.
بالمعنى الدقيق للكلمة ، فإن Tardigrades ليسوا متطرفين تمامًا ، لأنه على الرغم من قدرتهم على الصمود في وجه التطرف ، إلا أنهم غير متكيفين للازدهار فيها. ومع ذلك ، فإن قدرتهم على تحمل التطرف البيئي تعني أن لديهم الكثير ليعلمونا إياه. هناك حوالي 1150 نوعًا من Tardigrades ، ولديهم القدرة على البقاء في ظروف من شأنها أن تقتل البشر ، وستؤدي إلى تدهور عمل أي مجسات روبوتية قد نرسلها إلى البيئات القاسية بسرعة.
Tardigrades هي في الواقع حيوانات صغيرة مائية ، وثمانية أرجل. يمكنهم تحمل درجات الحرارة من أعلى بقليل من الصفر المطلق إلى حد أعلى من درجة غليان الماء. يمكنهم تحمل الضغوط أكبر بنحو ستة أضعاف من الضغط في قاع أعمق خنادق المحيط على الأرض. يمكن أن يستمر Tardigrades أيضًا لمدة عشر سنوات بدون طعام أو ماء ، ويمكن أن يجف إلى أقل من 3 ٪ من الماء.
هم في الأساس الأبطال الخارقين في الأرض.
ولكن فيما يتعلق باستكشاف الفضاء ، فإن قدرتهم على تحمل الإشعاع المؤين أعلى آلاف المرات مما يستطيع البشر تحمله ، وهذا ما يهمنا أكثر. يطلق على Tardigrades أصعب مخلوقات الطبيعة ، ومن السهل معرفة السبب.
ربما يكون في عالم الخيال العلمي أن نتخيل مستقبلاً حيث يتم هندسة البشر وراثيًا بجينات متأخرة لتحمل الإشعاع في عوالم أخرى. ولكن إذا بقينا على قيد الحياة لفترة كافية ، فلا يوجد أي شك في ذهني أننا سنقترض جينات من حياة أرضية أخرى لمساعدتنا على التوسع في عوالم أخرى. هذا منطقي فقط. ولكن هذا بعيد جدًا ، وقد يتم تفعيل آليات البقاء على قيد الحياة في وقت أبكر بكثير.
إن عوالم مثل الأرض محظوظة لأن الغلاف المغناطيسي يحمي المحيط الحيوي من الإشعاع. لكن العديد من العوالم ، وجميع أقمار الكواكب الأخرى في نظامنا الشمسي - بخلاف Ganymede - تفتقر إلى الغلاف المغناطيسي. المريخ نفسه غير محمي تمامًا. إن وجود الإشعاع في الفضاء ، وعلى عوالم لا تحتوي على غلاف مغناطيسي وقائي ، لا يقتصر على قتل الكائنات الحية فحسب ، بل يمكن أن يؤثر على الأجهزة الإلكترونية من خلال إضعاف أدائها أو تقصير عمرها أو التسبب في فشل كامل.
بعض الأجهزة الموجودة في مسبار جونو ، والتي هي في طريقها إلى المشتري حاليًا ، لا يُتوقع أن تستمر طوال فترة المهمة بسبب الإشعاع الشديد حول كوكب الغاز العملاق. تعتبر الألواح الشمسية نفسها ، التي يجب أن تتعرض لأشعة الشمس حتى تعمل ، عرضة بشكل خاص للإشعاع المؤين ، مما يؤدي إلى تآكل أدائها بمرور الوقت. تعد حماية الإلكترونيات من الإشعاع المؤين جزءًا أساسيًا من تصميم المركبات الفضائية والمسبارات.
عادة ، يتم حماية الإلكترونيات الحساسة في المركبات الفضائية والمجسات من الألومنيوم أو النحاس أو غيرها من المواد. يستخدم مسبار جونو قبوًا مبتكرًا من التيتانيوم لحماية أكثر الأجهزة الإلكترونية حساسية. يضيف هذا الحجم والوزن إلى المسبار ، ولا يزال لا يوفر حماية كاملة. لدى Tardigrades طريقة أخرى لحماية أنفسهم والتي ربما تكون أكثر أناقة من هذا. من السابق لأوانه أن نقول بالضبط كيف يفعل المدربون المتأخرون ذلك ، ولكن إذا كان لدرع تصبغ ما علاقة به ، ويمكننا اكتشافه ، فإن محاكاة Tardigrades سيغير طريقة تصميم المركبات الفضائية والتحقيقات ، ويطيل عمرهم في البيئات الإشعاعية القاسية.
فكيف ذلك؟ هل ستشتمل مهام الاستكشاف المستقبلية على روبوتات ثعبان يمكنها التجميع الذاتي في سلاسل طويلة لاستكشاف المناطق التي يصعب الوصول إليها؟ هل سنطلق العنان لأسراب من سيارات الدفع الرباعي ذات الأجنحة المتدحرجة التي تعمل معًا لإنشاء خرائط أو استطلاعات تفصيلية؟ هل ستكون مجساتنا قادرة على استكشاف البيئات القاسية لفترات أطول بكثير ، بفضل الحماية الشبيهة بـ Tardigrade من الإشعاع؟ هل سيتم تشغيل قواعدنا الأولى على القمر أو عوالم أخرى بواسطة محطات شمسية مركزة مستوحاة من عباد الشمس؟
إذا كان ليوناردو دافينشي ذكياً كما أعتقد ، فإن الإجابة على كل هذه الأسئلة هي نعم.
