「自然以外のモデルに触発された人々は、 すべてのマスター以上の愛人は、無駄に働いています。”
-レオナルド・ダ・ヴィンチ
DaVinciが話していたのは、当時は呼ばれていませんでしたが、生物模倣でした。今日彼が生きていたら、ダヴィンチ氏が生物模倣の大きな支持者になることは間違いありません。
自然は、深く見れば見るほど魅力的です。自然を深く見ると、30億年以上前の研究室が見えてきます。そこでは、問題の解決策が実装され、テストされ、進化の過程で修正されています。そのため、生物模倣は非常にエレガントです。地球上で、地球の問題を解決するために30億年以上がかかったのは、宇宙探査を進めるために解決しなければならない問題と同じ種類です。
私たちのテクノロジーがより強力になればなるほど、自然をより深く見ることができます。詳細が明らかになると、エンジニアリングの問題に対するより魅力的な解決策が現れます。エンジニアリングと設計の問題の解決策を自然に求めている科学者は、報いを受けており、宇宙探査に関連するいくつかの分野で前進しています。
羽ばたき翼マイクロ航空機（MAV）
MAVは小さく、通常は長さ15 cm以下、重量100グラム以下です。 MAVは小さいだけでなく、静かです。化学スニファー、カメラ、またはその他の機器を装備しているため、人間がアクセスするには小さすぎる限られたスペースを探索したり、あらゆるサイズの領域を密かに探索したりできます。地上での使用には、人質の状況、福島のような労働災害の評価、または軍事的な使用が含まれます。しかし、最も魅力的なのは、まだ調査されていない他の世界でのそれらの潜在的な使用法です。
MAVは、長年にわたってSFの本や映画に登場しています。砂丘でハンターを探す人、または人間の前に部屋をマッピングするために使用されたプロメテウスの探査機について考えてみてください。これらの設計は現在取り組んでいるものよりも進んでいますが、羽ばたき翼のMAVは現在研究および設計されており、将来のより進んだ設計の先駆けです。
高速カメラは、羽ばたき翼MAVの開発に拍車をかけました。高速カメラからの詳細な画像により、研究者は鳥や昆虫の飛行を非常に詳細に研究することができました。そして結局のところ、羽ばたき翼の飛行は当初考えられていたよりもはるかに複雑です。しかし、それはまた、はるかに用途が広く、弾力性があります。これは、その性質の永続性、およびMAV設計におけるその多様性を説明しています。これは、飛行中のミツバチを撮影する高速カメラからのビデオです。
デルフト工科大学のDelFly Explorerは、羽ばたき翼MAVの興味深いデザインの1つです。小型軽量のステレオビジョンシステムにより、障害物を回避し、独自の高度を維持できます。
羽ばたき翼MAVは滑走路を必要としません。彼らはまた、エネルギーを節約するために小さなスペースに止まることができるという利点があります。そして、彼らは非常に静かになる可能性があります。このビデオは、Airvironmentによって開発されている羽ばたき翼の車両を示しています。
羽ばたき翼のMAVは操作性が高い。彼らは前進運動ではなく翼運動から揚力を生成するため、非常にゆっくりと移動でき、ホバリングさえすることができます。固定翼または回転翼のMAVができない方法で、障害物との衝突から回復することもできます。固定翼車両が何かと衝突すると、対気速度と揚力が失われます。回転翼のビークルが何かと衝突すると、ローターの速度と揚力が失われます。
サイズが小さいため、羽ばたき翼のMAVは安価に製造できそうです。彼らは、より大きな車両が運ぶことができるペイロードを運ぶことはできませんが、他の世界の探査において彼らの役割を果たします。
ロボットプローブは、人を送るよりもはるかに安いコストで、他の世界で私たちのためにすべての探査を行いました。羽ばたき翼のMAVは現在、地上での性能を考慮して設計されていますが、それから他の世界や他の条件の設計に十分に簡単に移行できます。大気が薄く重力が弱いように設計された、羽ばたき翼の小さな艦隊が、洞窟やその他の届きにくい場所のマッピング、水や鉱物の位置の特定、その他の機能のマッピングのためにリリースされたと想像してください。
アリのコロニーと集団システム
アリを個別に見ると、アリは無頓着に見えます。しかし、彼らは一緒に素晴らしいことをします。彼らは複雑で効率的なコロニーを構築するだけでなく、彼らの体を使って浮き橋や空中に吊るされた橋を構築します。この動作は自己組織化と呼ばれます。
アリのコロニーとアリの行動は私たちに多くのことを教えてくれます。回路とシステム、通信、計算知能、制御システム、および産業用電子機器に影響を与えるAnt Colony Optimizationと呼ばれる研究分野がすべてあります。
これは、2つの吊り下げられた棒の間の隙間に橋を架けるウィーバーアリのビデオです。取得するまでに時間がかかります。あなたがそれらを応援せずに見ることができるかどうかを確認してください。
アリのコロニーは、いわゆる集団システムの一例です。自然の集団システムの他の例は、ハチとハチの巣箱、シロアリの塚、さらには魚の群れです。次のビデオのロボットは、自然な集団システムを模倣するように設計されています。これらのロボットは単独ではほとんど機能せず、エラーが発生しやすくなりますが、一緒に動作すると、複雑な形状に自己組み立てすることができます。
自己組織化システムは、変化する条件にさらに適応できます。他の世界を探索することになると、自己組立可能なロボットは、周囲や他の世界の環境における予期しない変化に対応することができます。集団システムによる自己組織化により、将来のロボット探検家が環境を横断し、事前に具体的に設計できない状況を生き残ることが確実になるようです。これらのロボットは、問題を解決するための人工知能を備えているだけでなく、さまざまな方法で自己集合して障害を克服することもできます。
動物をモデルにしたロボット
ロボット探査機で火星を探索することは、驚くべき成果です。好奇心が火星に上陸したとき、私は背筋を冷やしていました。しかし、私たちの現在のローバーはもろくてもろく見え、火星の表面の周りをゆっくりと不器用に動くのを見ると、それらが将来どのくらい良くなるのか不思議に思うでしょう。生物模倣を使用して動物のロボットローバーをモデル化することにより、現在よりもはるかに優れたローバーを構築できるはずです。
ホイールは、人類の最も早くて最高のテクノロジーの1つです。しかし、火星の車輪さえ必要ですか？ホイールが動かなくなり、急激な高さの変化を通過できなくなり、その他の問題が発生します。自然界には車輪はありません。
ヘビには、移動の問題に対する独自の解決策があります。土地の上や障害物の上を移動したり、狭い場所をしぼったり、泳いだりする能力は、非常に効率的な捕食者になります。そして、レットが壊れているヘビや、バストがつぶれたヘビを見たことがない。将来の探査車は陸生ヘビをモデルにできるでしょうか？
このロボットはヘビと同じように床を移動します。
これがヘビをベースにした別のロボットです。水中で家にいる機能が追加されています。これは楽しんでいるようです。
このロボットは、蛇だけでなく、シャクトリムシや昆虫にも基づいています。自己組織化の要素さえ持っています。ホイールはそれを抑えるだけです。一部のセグメントは確実にセンサーを保持でき、分析用のサンプルを取得することもできます。障害を克服するために再構築される様子をご覧ください。
ヘビボットの複数の使用法を考えるのは簡単です。 MSL好奇心に似た、より大きなプラットフォームを想像してみてください。今度は、その脚が実際に分離し、アクセスが困難な領域を探索してサンプルを取得し、より大きなプラットフォームに戻るようなタスクを実行する独立したスネークボットである場合を想像してください。次に、サンプルをデポジットし、データをダウンロードして、自分自身を再アタッチします。その後、車両全体が別の場所に移動し、ヘビボットがプラットフォームを運ぶ可能性があります。
これが空想科学小説のように聞こえるとしたら、何ですか私たちはSFが大好きです。
太陽光発電：宇宙のひまわり
太陽からのエネルギーの流れは、私たちが行く太陽系のさらに遠くに少しずつ流れるように希釈されます。太陽のエネルギーを収集する効率がますます高まる一方で、バイオミミクリーは、ヒマワリを模倣するだけで、必要なソーラーパネルのスペースを20％削減できると約束しています。
集中太陽植物（CSP）は、ヘリオスタットと呼ばれる一連のミラーで構成され、地球が回転するときに太陽を追跡します。ヘリオスタットは同心円状に配置されており、太陽光を取り込んで中央タワーに向けて反射し、そこで熱が電気に変換されます。
MITの研究者がCSPをより詳細に研究したところ、ヘリオスタットのそれぞれが日陰になっている時間の一部を費やし、効果が低下していることがわかりました。彼らは問題を解決するためにコンピューターモデルを使用していたとき、可能な解決策が自然に見られるらせん状のパターンに似ていることに気付きました。そこからひまわりを見てインスピレーションを得ました。
ひまわりは一輪の花ではありません。これは、小花と呼ばれる小さな花のコレクションであり、CSPの個々の鏡によく似ています。これらの小花は、各小花が互いに137度の方向を向くように、らせん状に配置されています。これは「ゴールデンアングル」と呼ばれ、小花がこのように配置されると、フィボナッチ数列に適合する相互に接続されたらせんの配列を形成します。 MITの研究者は、CSPでミラーを個別に構成すると、必要なスペースを20％削減できると述べています。
宇宙探査に必要なすべてのものを地球の重力から爆破することで宇宙に投入しているため、莫大な高価なロケットに縛り付けられているため、収集された同じ量の太陽エネルギーで宇宙を20％削減することは、大幅な改善です。
極限環境生物と生物模倣
極限環境微生物は、極端な環境条件で繁殖するように適応された生物です。 2013年現在、865の極限環境微生物が特定されている。彼らの認識は、他の世界の極端な環境での生活を見つけることへの新しい希望を与えました。しかし、それ以上に、極限環境菌を模倣することは、これらの環境を探索するのに役立ちます。
厳密に言えば、ターディグラードは極限環境微生物とは異なります。なぜなら、それらは極端に生き残ることはできますが、それらで繁栄するように適応されていないからです。しかし、環境の極限に耐える彼らの能力は、彼らが私たちに教えるべき多くのものがあることを意味します。 Tardigradeには約1,150種があり、それらは人間を殺すような状況で生き残る能力があり、極端な環境に送る可能性のあるロボットプローブの機能をすぐに低下させます。
クマムシは実際には小さな水生の8本足のマイクロ動物です。それらは、絶対零度のすぐ上から水の沸点をはるかに超える温度まで耐えることができます。彼らは地球で最も深い海溝の底での圧力より約6倍高い圧力に耐えることができます。クマムシはまた、食物や水なしで10年間生きることができ、3％未満の水に乾燥する可能性があります。
彼らは基本的には地球の超小さなスーパーヒーローです。
しかし、宇宙探査に関する限り、私たちが最も興味を持っているのは、人間が耐えられるよりも何千倍も高い電離放射線に耐える能力です。クマムシは自然界で最もタフな生き物と呼ばれ、その理由は簡単にわかります。
人間が他の世界の放射線に耐えるようにクマムシ遺伝子で遺伝子操作される未来を想像するのは、おそらくサイエンスフィクションの領域です。しかし、私たちが十分に長く生き残ることができれば、他の地上の生命から遺伝子を借りて、私たちが他の世界に拡大するのを助けることは間違いありません。それは論理的です。しかし、それは長い道のりであり、クマムシの生存メカニズムがはるかに早く機能するようになるかもしれません。
地球のような世界は、生物圏を放射線から保護する磁気圏に包まれて幸運です。しかし、多くの世界、およびガニメデ以外の太陽系の他のすべての惑星の衛星には、磁気圏がありません。火星自体は完全に無防備です。宇宙、および保護磁気圏のない世界での放射線の存在は、生命体を殺すだけでなく、電子デバイスのパフォーマンスを低下させたり、寿命を縮めたり、完全な故障を引き起こしたりして、電子デバイスに影響を与える可能性があります。
現在木星に向かっているJunoプローブのいくつかの器具は、巨大なガス惑星の周りの極端な放射のために、ミッションの期間中生き残ることが期待されていません。機能するために太陽にさらさなければならないソーラーパネル自体は、電離放射線の影響を特に受けやすく、時間の経過とともに性能が低下します。電離放射線から電子機器を保護することは、宇宙船とプローブの設計に不可欠な部分です。
通常、宇宙船やプローブの敏感な電子機器は、アルミニウム、銅、またはその他の材料でシールドされています。 Junoプローブは、最も敏感な電子機器を保護するために革新的なチタン製のボールトを使用しています。これは、プローブにかさおよび重量を追加しますが、完全な保護を提供しません。 Tardigradesは、おそらくこれよりエレガントな他の方法でシールドします。ターディグラードがそれをどのように行うかを正確に述べるのは時期尚早ですが、色素沈着のシールドがそれと何らかの関係があり、それを理解できる場合、ターディグラードを模倣することで、宇宙船とプローブの設計方法が変わり、極端な放射線環境での寿命が延びます。
それではどうですか？私たちの今後の探査ミッションには、長い鎖に自己集合して到達困難なエリアを探査できるヘビボットが含まれますか？一緒に働いて詳細な地図や調査を作成する羽ばたき翼のMAVの群れを解き放ちますか？ターディグラードのような放射線からの保護のおかげで、私たちのプローブは極端な環境をはるかに長い時間探査することができますか？月や他の世界にある私たちの最初の拠点は、ヒマワリに触発された集中型太陽光発電所によって駆動されますか？
レオナルド・ダヴィンチが私が思っていたほど賢かった場合、これらすべての質問に対する答えはイエスです。
