'أولئك المستوحون من نموذج آخر غير الطبيعة ،عشيقة فوق كل سادة ، تعمل عبثا.'
-ليوناردو دافنشي
ماذا او ما دا فينشي كان يتحدث عنه ، على الرغم من أنه لم يتم تسميته في ذلك الوقت ، كان التقليد الحيوي. تقليد الطبيعة هو ممارسة استخدام تصميمات من العالم الطبيعي لحل المشكلات التكنولوجية والهندسية. لو كان على قيد الحياة اليوم ، ليس هناك شك في أن السيد دافينشي سيكون مؤيدًا كبيرًا لمحاكاة الطبيعة.
الطبيعة أكثر روعة كلما نظرت إليها بعمق. عندما ننظر بعمق في الطبيعة ، فإننا نتطلع إلى مختبر يزيد عمره عن 3 مليارات سنة ، حيث تم تنفيذ حلول المشكلات 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 قوة تقنيتنا ، زاد عمق رؤيتنا في الطبيعة. كلما تم الكشف عن مزيد من التفاصيل ، تظهر حلول أكثر إثارة للمشاكل الهندسية نفسها. العلماء الذين يتطلعون إلى الطبيعة بحثًا عن حلول لمشاكل الهندسة والتصميم يجنون الثمار ، ويحرزون تقدمًا في العديد من المجالات المتعلقة باستكشاف الفضاء.
المركبات الهوائية الصغيرة ذات الجناح الخافق (MAVs)
إن المركبات الجوية الصغرى والصغيرة صغيرة الحجم ، وعادة لا يزيد طولها عن 15 سم ووزنها 100 جرام. عربات الصعود من المريخ ليست صغيرة فقط ، إنها هادئة. مزودة بأجهزة شم كيميائية أو كاميرات أو معدات أخرى ، يمكن استخدامها لاستكشاف المساحات الضيقة التي لا يمكن للإنسان الوصول إليها ، أو لاستكشاف مناطق من أي حجم خلسة. يمكن أن تشمل الاستخدامات الأرضية حالات الرهائن ، وتقييم الحوادث الصناعية مثل فوكوشيما ، أو الاستخدامات العسكرية. ولكن استخدامهم المحتمل في عوالم أخرى لم يتم استكشافها بعد هو الأكثر روعة.
ظهرت مركبة الصعود من المريخ في كتب وأفلام الخيال العلمي على مر السنين. فكر في الصيادين الباحثين في الكثيب ، أو المجسات في بروميثيوس التي استخدمت لرسم خريطة للغرفة أمام البشر. هذه التصميمات أكثر تقدمًا من أي شيء يتم العمل عليه حاليًا ، ولكن يتم حاليًا البحث عن مركبات الصعود من المريخ ذات الأجنحة المرفرفة وتصميمها ، وهي مقدمة لتصميمات أكثر تقدمًا في المستقبل.
حفزت الكاميرات عالية السرعة على تطوير مركبة الصعود من المريخ ذات الأجنحة المرفرفة. سمحت الصور التفصيلية من الكاميرات عالية السرعة للباحثين بدراسة تحليق الطيور والحشرات بتفصيل كبير. وكما اتضح ، فإن رحلة الجناح المرفرف أكثر تعقيدًا مما كان يعتقد في البداية. لكنها أيضًا أكثر تنوعًا ومرونة. وهذا ما يفسر ثباتها في الطبيعة وتعدد استخداماتها في تصميم مركبة الصعود من المريخ. هَا هُوَ بَعْضُ الْفِيدْيُو مِنْ كَامِيرَة عَالِيَةِ السَّرعَةِ تَلتَقَطُ نَحْلًا أَحْلَاقًا.
يعد DelFly Explorer من جامعة ديلفت للتكنولوجيا أحد التصميمات المثيرة للاهتمام لمركبة الصعود من المريخ ذات الأجنحة المرفرفة. يسمح نظام الرؤية المجسمة الصغير والخفيف الوزن الخاص به بتجنب العقبات والحفاظ على ارتفاعه من تلقاء نفسه.
لا تتطلب مركبة الصعود من المريخ ذات الأجنحة المرفرفة مدرجًا. لديهم أيضًا ميزة القدرة على الجلوس في مساحات صغيرة للحفاظ على الطاقة. ولديهم القدرة على أن يكونوا هادئين للغاية. يُظهر هذا الفيديو مركبة رفرفة الجناح يتم تطويرها بواسطة Airvironment.
إن مركبة الصعود من المريخ ذات الأجنحة المفلطحة سهلة المناورة للغاية. نظرًا لأنهم يولدون قوة الرفع من حركة الجناح ، بدلاً من الحركة الأمامية ، فيمكنهم السفر ببطء شديد ، وحتى التحليق. يمكنهم حتى التعافي من الاصطدامات مع العوائق بطرق لا تستطيع بها مركبة الصعود من المريخ ذات الجناح الثابت أو الأجنحة الدوارة. عندما تصطدم مركبة ذات جناح ثابت بشيء ما ، فإنها تفقد سرعتها الجوية ورفعها. عندما تصطدم مركبة ذات جناح دوار بشيء ما ، فإنها تفقد سرعة دوارها ورفعها.
نظرًا لصغر حجمها ، من المرجح أن تكون مركبات الصعود من المريخ ذات الأجنحة المرفرفة رخيصة الإنتاج. لن يتمكنوا أبدًا من حمل الحمولة التي يمكن لمركبة أكبر حجمها ، ولكن سيكون لهم دورهم في استكشاف عوالم أخرى.
لقد قامت المجسات الروبوتية بجميع عمليات الاستكشاف بالنسبة لنا في عوالم أخرى ، بتكلفة أرخص بكثير من إرسال الأشخاص. بينما يتم حاليًا تصميم مركبات الصعود من المريخ ذات الأجنحة المرفرفة مع وضع الأداء الأرضي في الاعتبار ، فإنها قفزة سهلة بما يكفي من ذلك إلى تصميمات لعوالم أخرى وظروف أخرى. تخيل أسطولًا صغيرًا من المركبات ذات الأجنحة المرفرفة ، المصممة لجو أرق وأضعف الجاذبية ، تم إطلاقها لرسم خرائط للكهوف أو مناطق أخرى يصعب الوصول إليها ، أو لتحديد مواقع المياه أو المعادن ، أو لرسم خريطة للمعالم الأخرى.
مستعمرات النمل والأنظمة الجماعية
العمل الجماعي النمل: نظام جماعي في العمل. (صورة الائتمان: Budzlife ، الصورة دون تغيير ، CC2.0 )
يبدو النمل بلا عقل عندما تنظر إليه بشكل فردي. لكنهم يفعلون أشياء مدهشة معًا. فهم لا يبنون مستعمرات معقدة وفعالة فحسب ، بل يستخدمون أجسادهم أيضًا لبناء الجسور العائمة والجسور المعلقة في الهواء. يسمى هذا السلوك التجميع الذاتي.
لدى مستعمرات النمل وسلوك النمل الكثير ليعلمنا إياه. هناك مجال بحث كامل يسمى Ant Colony Optimization والذي له آثار على الدوائر والأنظمة والاتصالات والذكاء الحسابي وأنظمة التحكم والإلكترونيات الصناعية.
إليك مقطع فيديو لنمل ويفر يبني جسرًا لسد الفجوة بين عصي معلقين. يستغرق الأمر منهم بعض الوقت للحصول عليه. معرفة ما إذا كان يمكنك المشاهدة دون تشجيعهم.
مستعمرات النمل هي مثال واحد لما يسمى بالنظم الجماعية. ومن الأمثلة الأخرى للنظم الجماعية في الطبيعة خلايا النحل والدبابير ، وتلال النمل الأبيض ، وحتى أسراب الأسماك. تم تصميم الروبوتات في الفيديو التالي لتقليد الأنظمة الجماعية الطبيعية. يمكن لهذه الروبوتات أن تفعل القليل جدًا بمفردها ، وتكون عرضة للخطأ ، ولكن عندما تعمل معًا ، فإنها تكون 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 عوالم أخرى. يبدو من المؤكد أن التجميع الذاتي بواسطة الأنظمة الجماعية سيسمح للمستكشفين الآليين المستقبليين لدينا باجتياز البيئات والبقاء على قيد الحياة في المواقف التي لا يمكننا تصميمها لها مسبقًا. لن تمتلك هذه الروبوتات ذكاءً اصطناعيًا فقط للتفكير في طريقها من خلال المشكلات ، ولكنها ستكون أيضًا قادرة على تجميع نفسها بطرق مختلفة للتغلب على العقبات.
الروبوتات على غرار الحيوانات
يعد استكشاف المريخ باستخدام المركبات الآلية إنجازًا مذهلاً. أصبت بقشعريرة في العمود الفقري عندما هبطت كيوريوسيتي على المريخ. لكن مركباتنا الجوالة الحالية تبدو هشة وضعيفة ، ومشاهدتها تتحرك ببطء وبطريقة خرقاء حول سطح المريخ تجعلك تتساءل إلى أي مدى يمكن أن تكون أفضل في المستقبل. باستخدام المحاكاة الحيوية لنمذجة مركبات روبوتية على الحيوانات ، يجب أن نكون قادرين على بناء مركبات جوالة أفضل بكثير مما لدينا حاليًا.
تعتبر العجلات واحدة من أقدم وأعظم التقنيات التي ابتكرتها البشرية. لكن هل نحتاج حتى إلى عجلات على المريخ؟ تتعطل العجلات ، ولا يمكنها اجتياز التغيرات المفاجئة في الارتفاع ، وتواجه مشكلات أخرى. لا توجد عجلات في الطبيعة.
للثعابين حلها الفريد لمشكلة الحركة. إن قدرتهم على التحرك فوق الأرض ، والصعود فوق العقبات ، والضغط في الأماكن الضيقة ، وحتى السباحة ، تجعلهم مفترسين فعالين للغاية. وأنا لم أر قط ثعبانًا بكسره ، أو محور مكسور. هل يمكن تصميم مركبات المستقبل على غرار الثعابين الأرضية؟
يتحرك هذا الروبوت على الأرض بنفس الطريقة التي تتحرك بها الثعابين.
هذا روبوت آخر يعتمد على الثعابين ، مع إمكانية إضافية للبقاء في المنزل في الماء. هذا يبدو أنه يستمتع بنفسه.
لا يعتمد هذا الروبوت على الثعابين فحسب ، بل يعتمد أيضًا على الديدان الصغيرة والحشرات. حتى أنه يحتوي على عناصر التجميع الذاتي. العجلات ستعيقها فقط. يمكن بالتأكيد أن تحتوي بعض الأجزاء على أجهزة استشعار ، ويمكنها أيضًا استرداد عينات لتحليلها. شاهده وهو يعيد تجميع نفسه للتغلب على العقبات.
من السهل التفكير في استخدامات متعددة لروبوتات الثعابين. تخيل منصة أكبر ، على غرار MSL Curiosity. تخيل الآن ما إذا كانت أرجلها عبارة عن عدة روبوتات ثعبان مستقلة يمكنها فصل نفسها ، وتنفيذ مهام مثل استكشاف المناطق التي يصعب الوصول إليها واستعادة العينة ، ثم العودة إلى النظام الأساسي الأكبر. ثم يقومون بعد ذلك بإيداع العينات وتنزيل البيانات وإعادة إرفاق أنفسهم. ثم يمكن للمركبة بأكملها الانتقال إلى موقع مختلف ، حيث تحمل الروبوتات الأفعى المنصة.
إذا كان هذا يبدو مثل الخيال العلمي ، فماذا في ذلك؟ نحن نحب الخيال العلمي.
الطاقة الشمسية: عباد الشمس في الفضاء
يتم تخفيف تدفق الطاقة من الشمس إلى القليل في أي مجال أبعد في النظام الشمسي نذهب. بينما نستمر في الحصول على المزيد والمزيد من الكفاءة في جمع طاقة الشمس ، تقدم المحاكاة الحيوية وعدًا بتخفيض 20٪ في مساحة الألواح الشمسية المطلوبة ، فقط عن طريق محاكاة عباد الشمس.
محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSPs) تتكون من مجموعة من المرايا ، تسمى heliostats ، التي تتعقب الشمس أثناء دوران الأرض. يتم ترتيب المروحيات في دوائر متحدة المركز ، وهي تلتقط ضوء الشمس وتعكسه باتجاه برج مركزي ، حيث يتم تحويل الحرارة إلى كهرباء.
متي باحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا درسوا CSPs بمزيد من التفصيل ، واكتشفوا أن كل من heliostats قضى جزءًا من الوقت مظللًا ، مما يجعلها أقل فعالية. أثناء عملهم مع نماذج الكمبيوتر لحل المشكلة ، لاحظوا أن الحلول الممكنة كانت مشابهة للأنماط الحلزونية الموجودة في الطبيعة. ومن هناك نظروا إلى عباد الشمس من أجل الإلهام.
لقطة مقرّبة للنمط الحلزوني في عباد الشمس. (مصدر الصورة: Vishwas Krishna ، بدون تغيير ، CC2.0 )
عباد الشمس ليس زهرة واحدة. إنها مجموعة من الزهور الصغيرة تسمى الأزهار ، تشبه إلى حد كبير المرايا الفردية في CSP. هذه الزهيرات مرتبة في نمط حلزوني مع توجيه كل زهيرة عند 137 درجة لبعضها البعض. وهذا ما يسمى 'الزاوية الذهبية' ، وعندما يتم ترتيب الزهيرات على هذا النحو ، فإنها تشكل مجموعة من الحلزونات المترابطة التي تتوافق مع تسلسل فيبوناتشي. يقول باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إن تنظيم المرايا الفردية بنفس الطريقة في CSP سيقلل من المساحة المطلوبة بنسبة 20٪.
نظرًا لأننا ما زلنا نضع كل ما نحتاجه لاستكشاف الفضاء في الفضاء عن طريق تفجيره بعيدًا عن جاذبية الأرض المربوطة جيدًا بصواريخ هائلة ومكلفة ، فإن تخفيض المساحة بنسبة 20٪ لنفس الكمية من الطاقة الشمسية المجمعة يعد تحسنًا كبيرًا.
محبي المتطرفين والمحاكاة الحيوية
الكائنات المتطرفة هي كائنات حية تكيفت لتزدهر في الظروف البيئية القاسية. اعتبارًا من عام 2013 ، تم تحديد 865 من الكائنات الحية الدقيقة شديدة الحساسية. أعطى الاعتراف بهم أملاً جديدًا في العثور على الحياة في بيئات قاسية في عوالم أخرى. ولكن أكثر من ذلك ، قد يساعدنا محاكاة المتطرفين في استكشاف هذه البيئات.
Tardigrade الصغير: أصعب مخلوق في الطبيعة؟ (مصدر الصورة: منشورات Katexic ، بدون تغيير ، CC2.0 )
بالمعنى الدقيق للكلمة، بطيئات المشية ليسوا متطرفين تمامًا ، لأنه على الرغم من قدرتهم على البقاء على قيد الحياة ، إلا أنهم غير مهيئين لتزدهر فيها. ومع ذلك ، فإن قدرتهم على تحمل الظروف البيئية المتطرفة تعني أن لديهم الكثير ليعلمونا إياه. هناك حوالي 1150 نوعًا من بطيئات المشية ، ولديها القدرة على البقاء في ظروف قد تقتل البشر ، وستؤدي بسرعة إلى تدهور أداء أي مجسات روبوتية قد نرسلها إلى البيئات القاسية.
بطيئات المشية هي في الواقع حيوانات دقيقة ، مائية ، ثمانية أرجل. يمكنهم تحمل درجات الحرارة من أعلى بقليل من الصفر المطلق إلى درجة غليان الماء. يمكنهم تحمل ضغوط أكبر بستة أضعاف من الضغط في قاع أعمق خنادق المحيط على الأرض. يمكن أن تستمر بطيئات المشية أيضًا عشر سنوات بدون طعام أو ماء ، ويمكن أن تجف إلى أقل من 3٪ ماء.
تارديغراد: أبطال الأرض الخارقون للغاية. (مصدر الصورة: ESA / Dr. Ralph O. Schill)
إنهم في الأساس أبطال خارقون للأرض.
ولكن فيما يتعلق باستكشاف الفضاء ، فإن قدرتها على تحمل الإشعاع المؤين أعلى بآلاف المرات مما يستطيع البشر تحمله ، وهو ما يثير اهتمامنا أكثر. تسمى بطيئات المشية أصعب مخلوقات الطبيعة ، ومن السهل معرفة السبب.
من المحتمل أن يكون في عالم الخيال العلمي تخيل مستقبل حيث يتم هندسة البشر وراثيًا باستخدام جينات بطيئات المشية لتحمل الإشعاع في العوالم الأخرى. ولكن إذا بقينا على قيد الحياة لفترة كافية ، فلا شك في ذهني أننا سنستعير جينات من الحياة الأرضية الأخرى لمساعدتنا على التوسع في عوالم أخرى. إنه منطقي فقط. لكن هذا بعيد المنال ، وقد يتم تفعيل آليات بقاء بطيئات المشية في وقت أقرب بكثير.
عباءة الأرض الواقية: الغلاف المغناطيسي. (رصيد الصورة: ناسا)
عوالم مثل الأرض محظوظة لأنها محاطة بغلاف مغناطيسي يحمي المحيط الحيوي من الإشعاع. لكن العديد من العوالم وجميع أقمار الكواكب الأخرى في نظامنا الشمسي - بخلاف جانيميد - تفتقر إلى الغلاف المغناطيسي. المريخ نفسه غير محمي تمامًا. إن وجود الإشعاع في الفضاء ، وفي عوالم لا يوجد بها غلاف مغناطيسي واقٍ ، لا يقتل الكائنات الحية فحسب ، بل يمكن أن يؤثر على الأجهزة الإلكترونية عن طريق إضعاف أدائها ، أو تقصير عمرها ، أو التسبب في فشل كامل.
بعض الأدوات الموجودة على جونو من غير المتوقع أن يبقى المسبار ، الذي هو في طريقه إلى كوكب المشتري في الوقت الحالي ، على قيد الحياة طوال مدة المهمة بسبب الإشعاع الشديد حول كوكب الغاز العملاق. الألواح الشمسية نفسها ، التي يجب أن تتعرض لأشعة الشمس لتعمل ، معرضة بشكل خاص للإشعاع المؤين ، مما يؤدي إلى تآكل أدائها بمرور الوقت. تعد حماية الإلكترونيات من الإشعاع المؤين جزءًا أساسيًا من تصميم المركبات الفضائية والمسبار.
عادةً ما تكون الإلكترونيات الحساسة في المركبات الفضائية والمجسات محمية بألمنيوم أو نحاس أو مواد أخرى. يستخدم مسبار Juno قبوًا مبتكرًا من التيتانيوم لحماية أجهزته الإلكترونية الأكثر حساسية. هذا يضيف حجمًا ووزنًا إلى المسبار ، ولا يوفر حماية كاملة. تمتلك بطيئات المشية طريقة أخرى لحماية نفسها والتي ربما تكون أكثر أناقة من هذه. من السابق لأوانه أن نقول بالضبط كيف تفعل بطيئات المشية ذلك ، ولكن إذا كان للوقاية من التصبغ علاقة بها ، ويمكننا اكتشاف ذلك ، فإن محاكاة بطيئات المشية ستغير الطريقة التي نصمم بها المركبات الفضائية والمجسات ، وتطيل عمرها في بيئات الإشعاع الشديدة.
فكيف عن ذلك؟ هل ستشمل مهام الاستكشاف المستقبلية لدينا روبوتات ثعبان يمكنها التجميع الذاتي في سلاسل طويلة لاستكشاف المناطق التي يصعب الوصول إليها؟ هل سنطلق العنان لأسراب من مركبة الصعود من المريخ ذات الأجنحة المرفرفة التي تعمل معًا لإنشاء خرائط أو مسوحات تفصيلية؟ هل ستكون مجساتنا قادرة على استكشاف البيئات القاسية لفترات أطول بكثير ، بفضل الحماية الشبيهة بطبقة Tardigrade من الإشعاع؟ هل سيتم تشغيل قواعدنا الأولى على القمر أو عوالم أخرى بواسطة محطات الطاقة الشمسية المركزة المستوحاة من عباد الشمس؟
إذا كان ليوناردو دافينشي ذكيًا كما أعتقد ، فإن الإجابة على كل هذه الأسئلة هي نعم.