"Mereka yang terinspirasi oleh model selain Alam, nyonya di atas semua tuan, bekerja dengan sia-sia.”
-Leonardo DaVinci
Apa yang DaVinci bicarakan, meskipun tidak disebut pada saat itu, adalah biomimikri. Jika dia hidup hari ini, tidak ada keraguan bahwa Mr. DaVinci akan menjadi pendukung biomimikri yang besar.
Alam lebih mempesona jika Anda melihatnya lebih dalam. Ketika kita melihat jauh ke dalam alam, kita mengintip ke laboratorium yang berusia lebih dari 3 miliar tahun, di mana solusi untuk masalah telah diterapkan, diuji, dan direvisi selama evolusi. Itulah sebabnya biomimikri sangat elegan: di Bumi, alam telah memiliki lebih dari 3 miliar tahun untuk menyelesaikan masalah, jenis masalah yang sama yang perlu kita pecahkan untuk maju dalam eksplorasi ruang angkasa.
Semakin kuat teknologi kita, semakin dalam kita bisa melihat ke alam. Ketika rincian yang lebih besar diungkapkan, solusi yang lebih menggiurkan untuk masalah teknik muncul dengan sendirinya. Para ilmuwan yang mencari solusi untuk masalah teknik dan desain sedang menuai hasil, dan membuat kemajuan di beberapa bidang yang terkait dengan eksplorasi ruang angkasa.
Flapping-Wing Micro Air Vehicle (MAVs)
MAV kecil, biasanya panjangnya tidak lebih dari 15 cm dan berat 100 gram. MAV tidak hanya kecil, mereka juga tenang. Dilengkapi dengan sniffer kimia, kamera, atau peralatan lain, mereka dapat digunakan untuk menjelajahi ruang terbatas yang terlalu kecil untuk diakses manusia, atau untuk menjelajahi area ukuran apa pun secara diam-diam. Penggunaan di darat dapat mencakup situasi penyanderaan, menilai kecelakaan industri seperti Fukushima, atau penggunaan militer. Tapi itu potensi penggunaannya di dunia lain yang belum dieksplorasi yang paling menarik.
MAV telah muncul dalam buku dan film fiksi ilmiah selama bertahun-tahun. Pikirkan para pemburu-pencari di Dune, atau probe di Prometheus yang digunakan untuk memetakan ruang di depan manusia. Desain tersebut lebih maju daripada apa pun yang sedang dikerjakan, tetapi sayap-sayap MAV sedang diteliti dan dirancang saat ini, dan merupakan pendahulu dari desain yang lebih maju di masa depan.
Kamera berkecepatan tinggi telah memacu pengembangan MAV sayap yang mengepak. Gambar rinci dari kamera berkecepatan tinggi memungkinkan para peneliti untuk mempelajari penerbangan burung dan serangga dengan sangat rinci. Dan ternyata, penerbangan mengepakkan sayap jauh lebih rumit dari yang diperkirakan semula. Tetapi itu juga jauh lebih fleksibel dan ulet. Itu menjelaskan kegigihannya di alam, dan keserbagunaannya dalam desain MAV. Ini beberapa video dari kamera berkecepatan tinggi yang menangkap lebah dalam penerbangan.
DelFly Explorer dari Delft University of Technology adalah salah satu desain menarik dari sayap-sayap MAV. Sistem penglihatan stereo yang kecil dan ringan memungkinkannya untuk menghindari rintangan dan mempertahankan ketinggiannya sendiri.
Sayap-sayap MAV tidak membutuhkan landasan. Mereka juga memiliki keuntungan karena dapat bertengger di ruang kecil untuk menghemat energi. Dan mereka memiliki potensi untuk diam. Video ini menunjukkan kendaraan sayap mengepak sedang dikembangkan oleh Airvironment.
Mengepakkan sayap MAV sangat mudah dikendalikan. Karena mereka menghasilkan daya angkat dari gerakan sayap, daripada gerakan ke depan, mereka dapat melakukan perjalanan dengan sangat lambat, dan bahkan melayang. Mereka bahkan dapat pulih dari tabrakan dengan rintangan dengan cara yang tidak bisa diperbaiki oleh sayap tetap atau sayap putar. Ketika sebuah kendaraan sayap tetap bertabrakan dengan sesuatu, ia kehilangan kecepatan udara dan daya angkatnya. Ketika sebuah kendaraan sayap putar bertabrakan dengan sesuatu, ia kehilangan kecepatan rotor dan daya angkatnya.
Karena ukurannya yang kecil, sayap-sayap MAV yang mengepak cenderung murah untuk diproduksi. Mereka tidak akan pernah bisa membawa muatan yang bisa dimiliki kendaraan yang lebih besar, tetapi mereka akan memiliki peran mereka dalam eksplorasi dunia lain.
Probe robot telah melakukan semua penjelajahan bagi kita di dunia lain, dengan biaya yang jauh lebih murah daripada mengirim orang. Sementara mengepakkan sayap MAV saat ini sedang dirancang dengan kinerja terestrial dalam pikiran, itu lompatan yang cukup mudah dari itu ke desain untuk dunia lain dan kondisi lainnya. Bayangkan sebuah armada kecil kendaraan sayap mengepak, yang dirancang untuk atmosfer yang lebih tipis dan gravitasi yang lebih lemah, dilepaskan untuk memetakan gua atau daerah yang sulit dijangkau, untuk menemukan air atau mineral, atau memetakan fitur lainnya.
Koloni Semut dan Sistem Kolektif
Semut-semut tampak tidak berpikir ketika Anda melihatnya secara individual. Tetapi mereka melakukan hal-hal menakjubkan bersama. Mereka tidak hanya membangun koloni yang rumit dan efisien, mereka juga menggunakan tubuh mereka untuk membangun jembatan apung, dan jembatan yang ditangguhkan di udara. Perilaku ini disebut perakitan diri.
Koloni semut dan perilaku semut memiliki banyak hal untuk diajarkan kepada kita. Ada seluruh bidang penelitian yang disebut Ant Colony Optimization yang memiliki implikasi untuk sirkuit dan sistem, komunikasi, kecerdasan komputasi, sistem kontrol, dan elektronik industri.
Ini adalah video semut Weaver yang membangun jembatan untuk merentangkan celah di antara dua batang gantung. Butuh beberapa saat untuk mendapatkannya. Lihat apakah Anda dapat menonton tanpa menyemangati mereka.
Koloni semut adalah salah satu contoh dari apa yang disebut sistem kolektif. Contoh lain dari sistem kolektif di alam adalah sarang lebah dan tawon, gundukan rayap, dan bahkan sekolah ikan. Robot-robot di video berikutnya telah dirancang untuk meniru sistem kolektif alami. Robot-robot ini dapat melakukan sangat sedikit sendirian, dan cenderung kesalahan, tetapi ketika mereka bekerja sama, mereka mampu merakit diri menjadi bentuk yang kompleks.
Sistem perakitan mandiri dapat lebih mudah beradaptasi dengan perubahan kondisi. Ketika datang untuk menjelajahi dunia lain, robot yang dapat merakit sendiri akan dapat menanggapi perubahan tak terduga di lingkungan mereka dan di lingkungan dunia lain. Tampaknya pasti bahwa perakitan mandiri dengan sistem kolektif akan memungkinkan penjelajah robot kita di masa depan untuk melintasi lingkungan dan bertahan dari situasi yang kita tidak dapat secara khusus mendesainnya terlebih dahulu. Robot-robot ini tidak hanya akan memiliki kecerdasan buatan untuk memikirkan jalan mereka melalui masalah, tetapi juga akan dapat merakit diri dengan cara yang berbeda untuk mengatasi hambatan.
Robot yang Dimodelkan pada Hewan
Menjelajahi Mars dengan robot robot merupakan pencapaian yang menakjubkan. Aku kedinginan di tulang punggungku ketika Curiosity mendarat di Mars. Tapi baling-baling kami saat ini tampak rapuh dan rapuh, dan menyaksikan mereka bergerak perlahan dan kikuk di permukaan Mars membuat Anda bertanya-tanya seberapa jauh mereka bisa lebih baik di masa depan. Dengan menggunakan biomimikri untuk memodelkan robot robot penemu pada hewan, kita harus mampu membangun robot robot yang jauh lebih baik daripada yang kita miliki saat ini.
Roda adalah salah satu teknologi manusia yang paling awal dan terhebat. Tetapi apakah kita membutuhkan roda di Mars? Roda macet, tidak dapat melewati perubahan ketinggian yang tiba-tiba, dan memiliki masalah lain. Tidak ada roda di alam.
Ular memiliki solusi unik mereka sendiri untuk masalah penggerak. Kemampuan mereka untuk bergerak di atas tanah, melewati rintangan, melewati tempat-tempat yang sempit, dan bahkan berenang, membuat mereka menjadi pemangsa yang sangat efisien. Dan saya belum pernah melihat ular dengan letupan patah, atau poros rusak. Bisakah penemu masa depan dimodelkan pada ular darat?
Robot ini bergerak melintasi lantai seperti ular lakukan.
Ini robot lain berdasarkan ular, dengan kemampuan tambahan berada di rumah di dalam air. Yang ini sepertinya menikmati sendiri.
Robot ini tidak hanya didasarkan pada ular, tetapi juga cacing inci dan serangga. Bahkan memiliki elemen perakitan sendiri. Roda hanya akan menahannya. Beberapa segmen tentu dapat menahan sensor, dan bahkan dapat mengambil sampel untuk dianalisis. Saksikan saat ia berkumpul kembali untuk mengatasi rintangan.
Cukup mudah untuk memikirkan beberapa penggunaan bot ular. Bayangkan sebuah platform yang lebih besar, mirip dengan Curiosity MSL. Sekarang bayangkan jika kakinya sebenarnya adalah beberapa bot ular independen yang dapat melepaskan diri, melakukan tugas-tugas seperti menjelajahi daerah-daerah yang sulit diakses dan mengambil sampel, kemudian kembali ke platform yang lebih besar. Mereka kemudian akan menyimpan sampel, mengunduh data, dan melampirkan kembali diri mereka sendiri. Kemudian seluruh kendaraan bisa pindah ke lokasi yang berbeda, dengan bot ular membawa platform.
Jika ini terdengar seperti fiksi ilmiah, lalu bagaimana? Kami menyukai fiksi ilmiah.
Tenaga Surya: Bunga Matahari di Luar Angkasa
Aliran energi dari matahari diencerkan menjadi tetesan lebih jauh di tata surya kita pergi. Sementara kami terus semakin efisien dalam mengumpulkan energi matahari, biomimikri menawarkan janji pengurangan 20% dalam ruang panel surya yang dibutuhkan, hanya dengan meniru bunga matahari.
Tanaman Surya Terkonsentrasi (CSP) terdiri dari berbagai cermin, yang disebut heliostats, yang melacak matahari saat Bumi berputar. Heliostat disusun dalam lingkaran konsentris, dan mereka menangkap sinar matahari dan memantulkannya ke menara pusat, di mana panas diubah menjadi listrik.
Ketika para peneliti di MIT mempelajari CSP secara lebih rinci, mereka menemukan bahwa masing-masing heliostat menghabiskan sebagian waktu yang diarsir, menjadikannya kurang efektif. Ketika mereka bekerja dengan model komputer untuk menyelesaikan masalah, mereka memperhatikan bahwa solusi yang mungkin mirip dengan pola spiral yang ditemukan di alam. Dari sana, mereka memandangi bunga matahari untuk mencari inspirasi.
Bunga matahari bukan bunga tunggal. Ini adalah kumpulan bunga-bunga kecil yang disebut kuntum, sangat mirip dengan cermin individu dalam CSP. Kuntum-kuntum ini disusun dalam pola spiral dengan masing-masing floret berorientasi pada 137 derajat satu sama lain. Ini disebut 'sudut emas', dan ketika kuntum diatur seperti ini, mereka membentuk array spiral yang saling berhubungan yang sesuai dengan urutan Fibonacci. Peneliti MIT mengatakan bahwa pengorganisasian mirror individu dengan cara yang sama dalam CSP akan mengurangi ruang yang dibutuhkan sebesar 20%.
Karena kita masih meletakkan semua yang kita butuhkan untuk eksplorasi ruang angkasa dengan meledakkannya dari gravitasi Bumi yang terikat dengan baik ke roket yang sangat besar dan mahal, pengurangan 20% dalam ruang untuk jumlah energi surya yang dikumpulkan sama dengan peningkatan yang signifikan.
Extremophiles dan Biomimikri
Extremophiles adalah organisme yang diadaptasi untuk berkembang dalam kondisi lingkungan yang ekstrem. Pada 2013, telah diidentifikasi 865 mikroorganisme ekstrofilik. Pengakuan mereka telah memberikan harapan baru untuk menemukan kehidupan di lingkungan ekstrem di dunia lain. Tetapi lebih dari itu, meniru ekstrimofil dapat membantu kita menjelajahi lingkungan ini.
Sebenarnya, Tardigrades tidak sepenuhnya ekstrofil, karena meskipun mereka dapat bertahan hidup ekstrem, mereka tidak beradaptasi untuk berkembang di dalamnya. Namun, kemampuan mereka untuk bertahan dari lingkungan yang ekstrem berarti mereka memiliki banyak hal untuk diajarkan kepada kita. Ada sekitar 1.150 spesies Tardigrades, dan mereka memiliki kemampuan untuk bertahan hidup dalam kondisi yang akan membunuh manusia, dan akan dengan cepat menurunkan fungsi setiap probe robot yang dapat kita kirim ke lingkungan ekstrem.
Tardigrades sebenarnya adalah hewan mikro kecil, akuatik, berkaki delapan. Mereka dapat menahan suhu dari tepat di atas nol mutlak hingga jauh di atas titik didih air. Mereka dapat bertahan dari tekanan sekitar enam kali lebih besar dari tekanan di dasar parit samudera terdalam di Bumi. Tardigrades juga dapat bertahan sepuluh tahun tanpa makanan atau air, dan dapat mengering hingga kurang dari 3% air.
Mereka pada dasarnya adalah pahlawan super super kecil di Bumi.
Tetapi sejauh eksplorasi ruang angkasa berlangsung, itu adalah kemampuan mereka untuk menahan radiasi pengion ribuan kali lebih tinggi daripada yang dapat ditahan manusia, yang paling menarik minat kita. Tardigrades disebut sebagai makhluk terberat alam, dan mudah diketahui sebabnya.
Mungkin dalam dunia fiksi ilmiah untuk membayangkan masa depan di mana manusia secara genetika direkayasa dengan gen tardigrade untuk menahan radiasi di dunia lain. Tetapi jika kita bertahan cukup lama, tidak ada keraguan dalam pikiranku kita akan meminjam gen dari kehidupan terestrial lain untuk membantu kita berkembang ke dunia lain. Itu hanya logis. Tapi itu masih jauh, dan mekanisme bertahan hidup tardigrade mungkin ikut bermain lebih cepat.
Dunia seperti Bumi beruntung diselimuti oleh magnetosfer, yang melindungi biosfer dari radiasi. Tetapi banyak dunia, dan semua bulan dari planet lain di tata surya kita — selain Ganymede — tidak memiliki magnetosfer. Mars sendiri sepenuhnya tidak terlindungi. Kehadiran radiasi di ruang angkasa, dan di dunia tanpa magnetosfer pelindung, tidak hanya membunuh makhluk hidup, tetapi dapat memengaruhi perangkat elektronik dengan menurunkan kinerjanya, memperpendek umurnya, atau menyebabkan kegagalan total.
Beberapa instrumen pada penyelidikan Juno, yang sedang dalam perjalanan ke Jupiter sekarang, tidak diharapkan untuk bertahan selama durasi misi karena radiasi ekstrim di sekitar planet gas raksasa. Panel surya sendiri, yang harus terkena sinar matahari agar berfungsi, sangat rentan terhadap radiasi pengion, yang mengikis kinerja mereka dari waktu ke waktu. Melindungi elektronik dari radiasi pengion adalah bagian penting dari pesawat ruang angkasa dan desain probe.
Biasanya, elektronik sensitif di pesawat ruang angkasa dan probe dilindungi oleh aluminium, tembaga, atau bahan lainnya. Probe Juno menggunakan brankas titanium inovatif untuk melindungi elektroniknya yang paling sensitif. Ini menambah bobot dan bobot pada probe, dan masih tidak akan memberikan perlindungan penuh. Tardigrades memiliki cara lain untuk melindungi diri mereka sendiri yang mungkin lebih elegan dari ini. Terlalu dini untuk mengatakan dengan tepat bagaimana tardigrades melakukannya, tetapi jika pelindung pigmentasi ada hubungannya dengan itu, dan kita dapat mengetahuinya, meniru Tardigrades akan mengubah cara kita merancang pesawat ruang angkasa dan probe, dan memperpanjang masa hidup mereka di lingkungan radiasi ekstrem.
Jadi bagaimana dengan itu? Akankah misi eksplorasi kita di masa depan melibatkan bot ular yang dapat merakit diri menjadi rantai panjang untuk mengeksplorasi daerah yang sulit dijangkau? Akankah kita melepaskan kawanan MAV sayap mengepak yang bekerja bersama untuk membuat peta atau survei terperinci? Akankah probe kami dapat menjelajahi lingkungan ekstrem untuk periode waktu yang lebih lama, berkat perlindungan seperti Tardigrade dari radiasi? Akankah pangkalan pertama kita di bulan atau dunia lain ditenagai oleh Tanaman Surya Terkonsentrasi yang diinspirasi oleh bunga matahari?
Jika Leonardo DaVinci sepintar yang saya kira, maka jawaban untuk semua pertanyaan itu adalah ya.
