“자연 이외의 모델에서 영감을 얻은 사람들은 모든 주인들보다 여주인이 헛된 일을하고있다.”
-레오나르도 다빈치
DaVinci가 말한 것은 아니지만 당시에 언급 된 것은 생체 모방이었습니다. 그는 오늘 살아 있었지만, DaVinci 씨가 생체 모방의 큰 지지자가 될 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다.
자연은 더 깊이 들여다 보면 더욱 매력적입니다. 우리는 자연을 깊이 들여다 볼 때, 30 억 년이 넘는 실험실에서 진화 과정에서 문제에 대한 해결책이 구현, 테스트 및 수정 된 실험실을 들여다보고 있습니다. 그렇기 때문에 생체 모방은 매우 우아합니다. 지구상에서 자연은 우주 탐사를 진행하기 위해 해결해야하는 것과 같은 종류의 문제를 해결하기 위해 30 억 년이 넘었습니다.
기술이 강력할수록 자연을 더 깊이 볼 수 있습니다. 더 자세한 내용이 밝혀지면서 엔지니어링 문제에 대한 더 치열한 해결책이 제시됩니다. 공학 및 설계 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 자연을 찾는 과학자들은 보상을 얻고 우주 탐사와 관련된 여러 분야에서 진전을 보이고 있습니다.
플 래핑 윙 마이크로 항공기 (MAV)
MAV는 작으며 일반적으로 길이는 15cm, 무게는 100 그램을 넘지 않습니다. MAV는 작을뿐 아니라 조용합니다. 화학 스니퍼, 카메라 또는 기타 장비가 장착되어있어 사람이 접근하기에 너무 작은 밀폐 공간을 탐색하거나 모든 규모의 영역을 은밀하게 탐색하는 데 사용할 수 있습니다. 지상 사용에는 인질 상황, 후쿠시마와 같은 산업 재해 평가 또는 군사적 사용이 포함될 수 있습니다. 그러나 가장 흥미로운 다른 세계에서 아직 탐사되지 않은 것은 잠재적입니다.
MAV는 수년간 공상 과학 소설과 영화에 출연했습니다. Dune에서 사냥꾼을 찾거나 Prometheus에서 탐사선을 사용하여 사람보다 먼저 방을 매핑하는 것을 생각해보십시오. 이러한 디자인은 현재 작업중인 것보다 더 발전하지만 현재 날개를 펴고있는 MAV가 연구되고 설계되고 있으며 앞으로 더 진보 된 디자인의 선구자입니다.
플 래핑-윙 MAV의 개발에 고속 카메라가 등장했습니다. 고속 카메라의 상세한 이미지 덕분에 연구원들은 조류와 곤충 비행을 매우 자세하게 연구 할 수있었습니다. 그리고 결과적으로, 날개가 퍼덕 거리는 비행은 처음에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡합니다. 그러나 훨씬 더 다양하고 탄력적입니다. 그것은 자연의 지속성과 MAV 디자인의 다양성을 설명합니다. 다음은 비행 중에 꿀벌을 포착하는 고속 카메라의 비디오입니다.
델프트 공과 대학 (Delft University of Technology)의 델 플라이 익스플로러 (DelFly Explorer)는 플 래핑 윙 MAV의 흥미로운 디자인 중 하나입니다. 작고 가벼운 스테레오 비전 시스템으로 장애물을 피하고 고도를 자체적으로 유지할 수 있습니다.
날개 달린 MAV는 활주로가 필요하지 않습니다. 또한 에너지를 절약하기 위해 작은 공간에 앉을 수 있다는 장점이 있습니다. 그리고 그들은 매우 조용 할 가능성이 있습니다. 이 비디오는 Airvironment가 개발 한 날개 달린 차량을 보여줍니다.
날개 달린 MAV는 기동성이 뛰어납니다. 그들은 전진 운동이 아니라 날개 운동으로 리프트를 생성하기 때문에 매우 느리게 이동할 수 있으며 심지어 호버링 할 수도 있습니다. 고정 날개 또는 회전 날개 MAV가 할 수없는 방식으로 장애물과의 충돌로부터 복구 할 수도 있습니다. 고정익 차량이 무언가와 충돌하면 대기 속도와 리프트가 손실됩니다. 로터리 윙 차량이 무언가와 충돌하면 로터 속도와 리프트가 손실됩니다.
크기가 작기 때문에 플 래핑 윙 MAV는 생산하기에 저렴할 것입니다. 그들은 더 큰 차량이 할 수있는 탑재량을 운반 할 수는 없지만 다른 세계를 탐험하는 데 역할을 담당 할 것입니다.
로봇 프로브는 사람들을 보내는 것보다 훨씬 저렴한 비용으로 다른 세계에서 우리를 위해 모든 탐색을 수행했습니다. 날개 모양의 MAV는 현재 지상파 성능을 염두에두고 설계되었지만 다른 세계 및 기타 조건을위한 설계로 쉽게 도약 할 수 있습니다. 대기가 얇고 무게가 약하며 동굴이나 기타 도달하기 어려운 지역을지도로 만들거나, 물이나 광물을 찾거나, 다른 지형지를 매핑하기 위해 출시 된 작은 날개 달린 차량이 있다고 상상해보십시오.
개미 식민지와 집단 시스템
개미는 개별적으로 볼 때 무의미 해 보입니다. 그러나 그들은 함께 놀라운 일을합니다. 그들은 복잡하고 효율적인 식민지를 건설 할뿐만 아니라 시체를 사용하여 공중에 떠 다니는 다리와 다리를 짓습니다. 이 동작을 자기 조립이라고합니다.
개미 식민지와 개미 행동은 우리에게 가르쳐야 할 것이 많습니다. Ant Colony Optimization이라는 전체 연구 분야에는 회로 및 시스템, 통신, 전산 인텔리전스, 제어 시스템 및 산업용 전자 제품에 영향을 미칩니다.
다음은 위버 개미가 두 개의 매달린 막대기 사이의 간격을 넓히기 위해 다리를 짓는 비디오입니다. 그것을 얻는 데 시간이 걸립니다. 응원하지 않고 볼 수 있는지 확인하십시오.
개미 식민지는 집단 시스템이라고 불리는 것의 한 예입니다. 자연의 집단 시스템의 다른 예는 벌과 말벌, 흰개미 마운드, 심지어는 어류 학교입니다. 다음 비디오의 로봇은 자연 집단 시스템을 모방하도록 설계되었습니다. 이 로봇은 혼자서 할 수있는 일이 거의없고 오류가 발생하기 쉽지만 함께 일할 때는 복잡한 모양으로 스스로 조립할 수 있습니다.
자체 조립 시스템은 변화하는 조건에보다 적합 할 수 있습니다. 다른 세계를 탐험 할 때 자체 조립할 수있는 로봇은 주변 환경과 다른 세계 환경에서 예기치 않은 변화에 대응할 수 있습니다. 집단 시스템에 의한 자기 조립은 미래의 로봇 탐험가가 환경을 가로 지르고 사전에 구체적으로 설계 할 수없는 상황에서 살아남을 수있을 것 같습니다. 이 로봇은 인공 지능을 가지고 문제를 극복하는 방법을 생각할뿐만 아니라 장애물을 극복하기 위해 다양한 방법으로 스스로 조립할 수 있습니다.
동물을 모델링 한 로봇
로봇 로버로 화성을 탐험하는 것은 놀라운 업적입니다. 호기심이 화성에 착륙했을 때 척추가 아프게되었습니다. 그러나 우리의 현재 로버는 부서지기 쉽고 연약 해 보이고 화성 표면에서 천천히 그리고 서툴게 움직이는 것을 보면서 미래에 그들이 얼마나 더 나아질 지 궁금해합니다. 동물의 로봇 로버를 모델링하기 위해 생체 모방을 사용함으로써 우리는 현재보다 훨씬 더 나은 로버를 만들 수 있어야합니다.
바퀴는 인류의 가장 초기 기술 중 하나입니다. 그러나 우리는 심지어 화성에 바퀴가 필요합니까? 바퀴가 걸리거나 급격한 높이 변화를 가로 지르지 못하며 다른 문제가 있습니다. 자연에는 바퀴가 없습니다.
뱀은 운동 문제에 대한 고유 한 해결책을 가지고 있습니다. 땅 위로, 장애물 위로, 좁은 곳을 꽉 쥐고, 심지어 수영을 할 수있는 능력으로 인해 그들은 매우 효율적인 포식자가되었습니다. 나는 렛이 부러 지거나 축이 파열 된 뱀을 본 적이 없다. 미래의 로버가 지상 뱀을 모델로 삼을 수 있을까요?
이 로봇은 뱀과 같은 방식으로 바닥을 가로 질러 움직입니다.
뱀을 기반으로 한 또 다른 로봇은 물속에서 집에있을 수있는 기능이 추가되었습니다. 이거 즐기는 것 같아요
이 로봇은 뱀뿐만 아니라 인치 벌레와 곤충을 기본으로합니다. 그것은 심지어 자기 조립의 요소를 가지고 있습니다. 바퀴는 다시 잡아 당겨야합니다. 일부 세그먼트는 확실히 센서를 보유 할 수 있으며 분석을 위해 샘플을 검색 할 수도 있습니다. 장애물을 극복하기 위해 재 조립되는 모습을 지켜보십시오.
뱀 봇의 여러 용도를 생각하기가 쉽습니다. MSL Curiosity와 유사한 더 큰 플랫폼을 상상해보십시오. 다리가 실제로 스스로 분리 할 수있는 몇 개의 독립적 인 뱀 봇이라면, 접근하기 어려운 영역을 탐색하고 샘플을 검색 한 다음 더 큰 플랫폼으로 돌아가는 등의 작업을 수행하십시오. 그런 다음 샘플을 입금하고 데이터를 다운로드 한 후 다시 연결합니다. 그러면 뱀 봇이 플랫폼을 운반하면서 전체 차량이 다른 위치로 이동할 수 있습니다.
이것이 공상 과학 소설처럼 들리면 어떻습니까? 우리는 공상 과학 소설을 좋아합니다.
태양 광 발전 : 우주의 해바라기
태양으로부터의 에너지의 흐름은 우리가가는 태양계에서 더 멀리 나아가도록 희석된다. 우리는 태양 에너지를 수집하는 데 점점 더 효율적으로 노력하고 있지만, 생체 모방은 해바라기를 흉내 냄으로써 필요한 태양 전지판 공간을 20 % 줄일 수 있습니다.
집중 태양열 식물 (CSP)은 지구가 회전함에 따라 태양을 추적하는 헬리오 스타트 (heliostat)라고하는 거울의 배열로 구성됩니다. 헬리오 스타트는 동심원으로 배열되며 햇빛을 포착하여 중앙 타워를 향해 반사하여 열이 전기로 변환됩니다.
MIT의 연구자들이 CSP를 더 자세히 연구했을 때, 각 헬리오 스타트는 시간의 일부를 음영 처리하여 효과가 떨어짐을 발견했습니다. 그들은 문제를 해결하기 위해 컴퓨터 모델로 작업하면서 가능한 해결책이 실제로 발견 된 나선형 패턴과 유사하다는 것을 알았습니다. 거기서 그들은 영감을 얻기 위해 해바라기를 보았습니다.
해바라기는 하나의 꽃이 아닙니다. CSP의 개별 거울과 마찬가지로 작은 꽃이라고 불리는 작은 꽃의 모음입니다. 이 작은 꽃들은 나선형으로 배열되어 있으며 각 작은 꽃은 서로 137도를 향하고 있습니다. 이것을 '골든 앵글'이라고하며, 작은 꽃이 이렇게 배열되면 피보나치 수열을 따르는 서로 연결된 나선 배열을 형성합니다. MIT 연구원은 CSP에서 개별 미러를 동일한 방식으로 구성하면 필요한 공간을 20 % 줄일 수 있다고 말합니다.
우리는 여전히 우주 탐사에 필요한 모든 것을 우주의 우주에서 폭발시켜 엄청난 고가의 로켓에 묶인 우주 공간으로 분사함으로써 우주에 필요한 공간을 20 % 줄이므로 상당한 양의 태양 에너지 수집을위한 공간의 20 % 감소가 크게 개선됩니다.
극한의 물질과 생체 모방
극한의 환경은 극한 환경 조건에서 번성하도록 적응 된 유기체입니다. 2013 년 현재 865 개의 극한 미생물이 확인되었습니다. 그들의 인정은 다른 세계의 극한 환경에서 삶을 찾는 새로운 희망을주었습니다. 그러나 그 이상으로 극한의 유사 물질을 모방하면 이러한 환경을 탐색하는 데 도움이 될 수 있습니다.
엄밀히 말하면, Tardigrades는 극도의 생존을 할 수는 있지만 번성하기에 적합하지 않기 때문에 극한의 친분이 아닙니다. 그러나 환경 극단을 견딜 수있는 능력은 우리에게 많은 것을 가르쳐야한다는 것을 의미합니다. 약 1,150 종의 타 디오 그레이드가 있으며 인간을 죽일 수있는 환경에서 생존 할 수 있으며 극한 환경으로 보낼 수있는 로봇 프로브의 기능을 빠르게 저하시킬 수 있습니다.
Tardigrades는 실제로 작고, 수생, 8 발의 미세 동물입니다. 그들은 절대 영점보다 높은 물에서 끓는점까지의 온도를 견딜 수 있습니다. 그들은 지구상에서 가장 깊은 해구의 바닥에있는 압력보다 약 6 배 더 큰 압력에서 살아남을 수 있습니다. Tardigrades는 음식이나 물없이 10 년 동안 갈 수 있으며 3 % 미만의 물로 건조 될 수 있습니다.
그들은 기본적으로 지구의 아주 작은 슈퍼 영웅입니다.
그러나 우주 탐사가 진행되는 한, 인간이 견딜 수있는 것보다 수천 배나 높은 이온화 방사선을 견딜 수있는 능력은 우리에게 가장 큰 관심사입니다. Tardigrades는 자연에서 가장 힘든 생물이라고하며 이유를 쉽게 알 수 있습니다.
아마도 공상 과학의 영역에서 인간이 다른 세계의 방사선을 견딜 수 있도록 타르 그레이드 유전자로 유전자 조작 된 미래를 상상하는 것은 아마도 그렇습니다. 그러나 우리가 충분히 오래 살아남는다면, 다른 세계로 확장 할 수 있도록 다른 지구 생명체로부터 유전자를 빌릴 것입니다. 논리적 일뿐입니다. 그러나 그것은 먼 길이며, 타르 디그레이 드 생존 메커니즘이 훨씬 빨리 작동 할 수 있습니다.
지구와 같은 세계는 생물권을 방사선으로부터 보호하는 자기권으로 가려져 운이 좋습니다. 그러나 가니메데 이외의 태양계에있는 많은 행성들과 다른 행성들의 모든 위성들은 자기권이 부족합니다. 화성 자체는 완전히 보호되지 않습니다. 우주와 자기권이없는 세계에 방사선이 존재하면 생명체를 죽일뿐만 아니라 성능을 저하 시키거나 수명을 단축 시키거나 완전히 고장을 일으켜 전자 장치에 영향을 줄 수 있습니다.
현재 주피터로 향하는 Juno 프로브의 일부 기기는 거대한 가스 행성 주위의 극심한 방사선으로 인해 임무 기간 동안 생존하지 못할 것으로 예상됩니다. 기능하기 위해 태양에 노출되어야하는 태양 전지판 자체는 특히 전리 방사선에 영향을 받기 때문에 시간이 지남에 따라 성능이 저하됩니다. 이온화 방사선으로부터 전자 장치를 보호하는 것은 우주선 및 탐사선 설계의 필수 부분입니다.
일반적으로 우주선 및 프로브의 민감한 전자 장치는 알루미늄, 구리 또는 기타 재료로 보호됩니다. Juno 프로브는 혁신적인 티타늄 볼트를 사용하여 가장 민감한 전자 장치를 보호합니다. 이렇게하면 프로브에 부피와 무게가 추가되지만 완벽한 보호 기능을 제공하지는 않습니다. Tardigrades에는 이것보다 더 우아 할 수있는 다른 방법이 있습니다. Tardigrades가 정확히 어떻게 행동하는지 말하기는 너무 이르지만, 색소 차폐가 그것과 관련이 있고 우리가 그것을 알아낼 수 있다면, Tardigrades를 모방하면 우주선과 탐사선의 설계 방식이 바뀌고 극한의 방사 환경에서 수명이 연장 될 것입니다.
그럼 어때요? 우리의 미래 탐사 임무에는 장거리 체인으로 스스로 조립할 수있는 뱀 봇이 포함 될까요? 상세한지도 나 측량을 만들기 위해 함께 일하는 플 래핑 윙 MAV 떼를 낼 수 있을까요? Tardigrade와 같은 방사선으로부터의 보호 덕분에 프로브가 훨씬 더 오랜 기간 동안 극한 환경을 탐색 할 수 있습니까? 달이나 다른 세계에서 우리의 첫 번째 기지는 해바라기에서 영감을받은 집중 태양열 발전소에 의해 가동됩니까?
레오나르도 다빈치가 생각만큼 똑똑하다면 모든 질문에 대한 대답은 '그렇다'입니다.
