Zvětšit / Mars, čtvrtá skála od Slunce. NASA
Jak jednou řekl filozof Jeff Goldblum, „život, uh, najde cestu. “
Abych to věděl více vědecky, evoluce měla miliardy let pokusů a omylů k produkci dobrých druhů chemicky a fyzicky přizpůsobené. Mnoho lidských vědců chce napodobují tuto adaptaci a odvrací poučení z přírodního světa do praxe ve strojírenství, technologii a architektuře. celý podnik spadá pod název „biomimicry“.
Contents
Další čtení
Máte vědecký problém? Ukradni odpověď z přírody
“Myslím, že biomimikry je opravdu krásná,” říká Ariel Ekblaw student MIT’s Media Lab, který založil a vede Media Lab’s Iniciativa pro průzkum vesmíru. “Je to rámec i … sada.” nástrojů nebo učení z přírody, které mohou informovat moderní inženýrské a vědecké výzkumné projekty. “
Abych viděl spektrum výzkumu biomimetiky, zúčastnil jsem se třídenní workshop nazvaný „Přírodně inspirovaný průzkum pro Aerospace. “Workshop byl sponzorován společností Glenn Research NASA Centrum, Ohio Aerospace Institute a Great Lakes Biomimicry. Navzdory leteckému zaměření se program pohyboval od rovného nahoru biologie k filosofickým dotazům o důvodech biomimicry na prvním místě.
Držet se přírody pro inovace
Klasickým příkladem biomimikry je Velcro®. V roce 1941 švýcarský Inženýr George de Mestral čerpal inspiraci z otřepů, které se držely jeho psí kožešina vytvořila nyní známý upevňovací systém založený na drobné háčky a smyčky.
Ale Velcro® se zdá být primitivní ve srovnání s moderní biomimicií projekty. Vědci se dívají na velrybářské ploutve ke zlepšení návrhy větrných turbín, společné rákosy (Phragmites australis) na mufle zvuky z letišť a postranní hadi, kteří staví roboty může stoupat na obtížné sjezdovky. Jiní studují organismy žijící v extrémní prostředí – výškové pouště, hlubinná sopka průduchy, Antarktida – aby pomohli pochopit, jak mohou lidé žít místa s nedostatkem zdrojů, ať už na Zemi, na Měsíci nebo na Marsu.
Hlavním cílem workshopu biomimikry NASA bylo kreslení společně lidé z mnoha oborů v naději na podporu spolupráce s NASA pro budoucnost letecké technologie. Mnoho vědců NASA se zajímá o biomimikrii, protože je to slibuje čistou účinnost, musí vzhledem k vysokým nákladům transport materiálů do vesmíru. Ale je tu také vyhlídka eliminuje potřebu přepravy věcí úplně. Budování organismů sami z dostupných surovin svého prostředí, ve formě potravin (jakkoli jsou definovány) a zdrojů životního prostředí voda.
Například, pokud by bylo možné postavit stanoviště Mars – nebo sestavit sám z modulárních komponent – za použití materiálů získaných na Marsu sám o sobě by to potenciálně ušetřilo obrovské množství hmoty vypuštění ze Země. To se zase promítne do úspor paliva, možná umožnit kosmické lodi nést jiné důležité náklad.
Zvětšit / Pěstování potravin a vytváření obyvatelného prostředí jsou dvě engineering challenges on Mars that are just as important as makingfuel. Real-world solutions will, sadly, probably differ a bit fromMarťanské zobrazení. Marťan Zelené koncepty
„Biomimikálie sama o sobě není úplně nový koncept; je to vlastně docela starý, “říká Teresa McNulty, která studuje biomimikrii Centrum Arizonské státní univerzity. “[Starověké civilizace] by zaznamenat, co pozorují v přírodě, a poté to nějakým způsobem použít informovat lepší návrhy a nové technologie. “
Moderní výzkum biomimetiky bere tyto staré myšlenky a aplikuje se je systematicky. Pole je přirozeně interdisciplinární, přivedení biologů, robotiků, materiálů vědci a inženýři všech příchutí. Mluvíme s biomimikrií vědci, není neobvyklé najít lidi s více stupni ve zdánlivě nesouvisejících oborech – jako inženýři, kteří nyní studují můru křídla nebo práce v terénu v Jižní Americe.
Například McNulty pracoval v metalurgii a materiálech věda dříve. Její zájem o biomimikrii pramení zejména z a velký zájem o udržitelnost.
“Příroda elegantně používá malou podskupinu materiálů na internetu.” periodická tabulka prvků a je skutečně schopna vyrobit materiály s okolními teplotami, “říká.
Jinými slovy, bez schopnosti drasticky změnit teplota nebo chemie jejich prostředí tak, jak lidé dělají, organismy rostou, konzumují a rozmnožují se pomocí zdrojů a podmínky, které mají k dispozici. Naproti tomu lidská výroba v industrializované země často spoléhají na vysoké teploty, neefektivní využití vody a obtížně použitelné materiály extrahovat nebo recyklovat (jako například prvky vzácných zemin, které jsou pro elektronika). Přesto bez schopnosti drasticky změnit teplota nebo chemie jejich prostředí tak, jak lidé dělají, organismy rostou, konzumují a rozmnožují se pomocí zdrojů, které používají mít k dispozici.
To nutně neznamená, že „příroda“ (volně definovaná) má nejlepší nebo nejúčinnější způsoby, jak dělat věci nebo biomimetiku jediný způsob, jak zlepšit věci, jako je těžba zdrojů a inženýrství. Spíše můžeme analyzovat známé úspěchy evoluce a použít je jako model pro zlepšení současné praxe. Je to téma, které se objevilo znovu a znovu během Workshop pro průzkum vesmíru inspirovaný přírodou.
“Jedna věc, kterou mě opravdu zajímá biomimetika, je to.” Udržitelnost je v podstatě jádro, “říká McNulty. Že zahrnuje odstranění nebo minimalizaci nerecyklovatelného odpadu. Po všem, jen velmi málo odpadních produktů organismů není použitelných jinými organismus. “Opravdu doufám, že díky využití biomimetiky v systému.” úroveň, můžete také získat udržitelnější systém materiálů z od kolébky po hrob, ve kterémžto případě „hrob“ opravdu neexistuje ještě. “
Zvětšit Axolotl, mlok schopný regenerovat ztracené končetiny, byl among the creatures on display at an American Museum of NaturalHistorie exponátů na extremofilech v posledních letech.AMNH
Extrémní život, extrémní inženýrství
Účinnost využití zdrojů je více než jen volba zeleného designu pro průzkum vesmíru: je to naprostá nutnost. Jakýkoli materiál to nemůže být recyklováno nebo znovu použito je ztráta prostoru a hmoty; zbytečné zdroje nebo nebezpečné konečné produkty by mohly být nebezpečné nebo fatální pro astronauty. Potenciální posádky na Marsu jsou na mnoha mysli vědců biomimikry z tohoto důvodu.
Dokonce i krátkodobá cesta na Mars se měří v měsících. Thečím delší je pobyt, tím těžší jsou problémy s bydlením stát se.
Vědci, kteří se zabývají biomimikrií, přemýšlejí o těchto problémech „Extremofily“, organismy, které žijí v nejdrsnějších podmínkách Země (přinejmenším podle lidských standardů). Mars je zároveň chladné, suché, chemicky nepřátelské a vysoce radiační prostředí. Jako Výsledkem je, jak mnoho výzkumníků zaměřených na biomimetiku zaměřené na vesmír pouštní rostliny extrahují a čistí vodu pro jejich použití, jak houby v prostředí s vysokým zářením se daří, jak proteiny umožňují hmyz složit velké struktury jako křídla uvnitř malých kukel během metamorfóza a mnohem více. Podle slov Terryho Pratchetta, „Život žije všude, kde život může. Tam, kde život nemůže, to trvá trošku delší.”
Claudia Rivera z Národní autonomní univerzity v Mexiku na konferenci hovořili o „genialitě místa“ nebo jak organizmy se přizpůsobují specifickým podmínkám v dané lokalitě. Její Příkladem byla poušť Atacama v Chile, která je bohatá a bohatá komplikovaný ekosystém, přestože je ve velmi vysoké nadmořské výšce a nejsušší poušť mimo Antarktidu. (Atacama možná nemá obdržel jakékoli měřitelné srážky mezi 1570 a 1971; i dnes, akumulované srážky se měří v milimetrech.) Vědci odhadujte, že poušť mohla být vyprahlá po dobu 3 milionů let nebo déle, což znamená, že život měl dostatek času na přizpůsobení se svým podmínkám.
Další čtení
Chilské extremofilní bakterie se daří v podmínkách podobných Marsu
Rivera citoval llaretu, rostlinu Atacama, která toleruje extrém nedostatek vlhkosti, silný vítr (horký i studený) a intenzivní Sluneční svit. Z vnější strany vypadá llareta jako mechový balvan nebo plochá rohož mechu; uvnitř, je to hustá spleť větví. Tato struktura minimalizuje odpor vzduchu, ale také blokuje vlhkost a omezuje odpařování. Llareta také produkuje pryskyřice, které pomáhají rostlina odolává mrazu.
Protože půdy Atacamy jsou plné soli a zásadité chemikálií, dostupná voda je toxická pro mnoho organismů (včetně lidí). Navíc je tato voda často ve formě relativně malého počtu molekul ulpívajících na půdě částice, spíše než více nasycené půdy vlhčích míst. Pouštní rostliny extrahují soli z půdy a vylučují je na jejich listy nebo odfiltrují chemikálie, které by byly jinak toxické jim.
Přesto se rostliny stále extrahují natolik, aby žily. Řečeno to jiným způsobem: když je nedostatek vody, organismy si nemohou dovolit metaforicky proměnit nosy u věcí, které je těžké získat nebo chutná špatně.
Jak ukázala řada robotických sond, zaplavila se povrchová voda Mars je hojný, zejména ve vysokých zeměpisných šířkách. Je to však tak obvykle zmrazené a smíchané s chloristany, sírany a jiné chemikálie nepříjemné pro lidské průzkumníky – stejně jako voda v EU Poušť Atacama je toxická a těžko získatelná.
Ať už pijete, používáte k pěstování potravin nebo k jejich zpracování do složky paliva pro návrat na Zemi (zřetelný možnost, protože přeprava dostatečného množství paliva k návratu domů bude je velmi drahé), je zřejmé, že lidé budou muset Marsu používat voda, bez ohledu na to, jak toxická je.
Ukazovat cestu mohou také jiné extrémní organismy. Mnoho druhy bakterií mají membrány, které umožňují vodu, ale odmítají toxické chemikálie. Rostliny jako posvátný lotos mají listy nepropouštějící vodu, které jim umožňují oddělit vodu špína pomocí samotné gravitace. Jak řekl Andrew Trunek z NASA konferenční přednáška, všechno, co astronauti na Marsu musí udělat, aby se dostali voda, organismy se vyvinuly bez použití jaderné energie rostlina. Pokud se dokážeme naučit dělat totéž, lidé toho budou mít hodně snadnější čas na Rudé planetě.
Samohybné vesmírné stanice
Ekblaw MIT identifikuje dva hlavní přístupy k biomimikrii výzkum: řízený problémem, který často přitahuje inženýry, a zvědavost, což je remíza pro čistě vědce.
“V první řadě jsem problémem v tom, že jsem v kosmickém prostoru.” struktury výzkumník při pohledu na škálovatelné, nízkoenergetické, efektivní způsob, jak sestavit architekturu v prostředí s nulovou gravitací, “řekla říká. “Současný model Mezinárodní vesmírné stanice je velmi dobrý.” složité, velmi drahé na energii, [a] velmi riskantní z hlediska lidský život shromáždit. Jak můžeme hledat v přírodě vzor self-assembly – elegantní, jednodušší a efektivní způsob, jak přivést kusy spolu?”
Ekblaw předpokládá modul vesmírné stanice, který se sestavuje jako trojrozměrné puzzle. Pokyny pro montáž jsou všechny kódované jako součást skládačky, spíše než vyžadující robotiku nebo zásah člověka, aby se modul dal dohromady. Organismy to dělají trik se sestavením na několika úrovních: proteiny tvoří sítě; koloniální améby se seskupí do slugovitého agregátu, který plazí se; mravenci společně vytvářejí most přes mezery. Shromáždění nepotřebuje inteligenci – pouze jednoduchou chemickou nebo elektrickou komunikace mezi jeho komponenty.
Inženýrská vlastní montáž, ve které se měří rozměry v centimetrech nebo metrech je náročnější. To proto, že tam je potenciálně mnohem více možných konfigurací pro kusy Pojďte spolu. (Jak zdůrazňuje Ekblaw, pokud je to nejvíce žádoucí konfigurace z hlediska energie jsou kusy ležící uvnitř opačné rohy, máte problém.)
“Jak můžete do každé vložit prvky této konečné logiky.” jednotlivé jednotky, aby se efektivně spojily? “ Ekblaw říká. “Způsob, jakým to dělám v mém systému, je pomocí magnetů, geometrie zkosení a několik dalších návrhů. “The to zahrnuje „předpětí“ nebo použití vzduchového dmychadla nebo jiného mechanismus, který pomáhá vést kusy k sobě.
