“Aqueles que são inspirados por um modelo que não seja a Natureza, uma amante acima de todos os senhores, estão trabalhando em vão.”
-Leonardo da Vinci
O que DaVinci estava falando, embora não fosse chamado na época, era biomimética. Ele estava vivo hoje, não há dúvida de que o Sr. DaVinci seria um grande defensor da biomimética.
A natureza é mais fascinante quanto mais você olha para ela. Quando olhamos profundamente para a natureza, estamos examinando um laboratório com mais de 3 bilhões de anos, onde soluções para problemas foram implementadas, testadas e revisadas ao longo da evolução. É por isso que a biomimética é tão elegante: na Terra, a natureza teve mais de 3 bilhões de anos para resolver problemas, os mesmos tipos de problemas que precisamos resolver para avançar na exploração espacial.
Quanto mais poderosa nossa tecnologia se torna, mais profundamente podemos ver a natureza. À medida que maiores detalhes são revelados, soluções mais tentadoras para os problemas de engenharia se apresentam. Os cientistas que procuram na natureza soluções para problemas de engenharia e design estão colhendo os frutos e estão avançando em várias áreas relacionadas à exploração espacial.
Micro veículos aéreos (MAVs)
Os MAVs são pequenos, geralmente não maiores que 15 cm de comprimento e 100 gramas de peso. Os MAVs não são apenas pequenos, eles são silenciosos. Equipados com farejadores químicos, câmeras ou outros equipamentos, eles poderiam ser usados para explorar espaços confinados pequenos demais para um ser humano acessar, ou para explorar furtivamente áreas de qualquer tamanho. Os usos terrestres podem incluir situações de reféns, avaliar acidentes industriais como Fukushima ou usos militares. Mas é o seu uso potencial em outros mundos ainda a serem explorados que são os mais fascinantes.
Os MAVs apareceram em livros e filmes de ficção científica ao longo dos anos. Pense nos caçadores em Dune ou nas sondas em Prometeu que foram usadas para mapear a câmara à frente dos humanos. Esses projetos são mais avançados do que qualquer coisa atualmente sendo trabalhada, mas os MAVs de ponta oscilante estão sendo pesquisados e projetados no momento e são os precursores de projetos mais avançados no futuro.
As câmeras de alta velocidade estimularam o desenvolvimento de MAVs de asas agitadas. As imagens detalhadas das câmeras de alta velocidade permitiram aos pesquisadores estudar o vôo de pássaros e insetos em grandes detalhes. E, como se vê, o vôo de asa é muito mais complicado do que se pensava inicialmente. Mas também é muito mais versátil e resistente. Isso explica sua persistência na natureza e sua versatilidade no design do MAV. Aqui estão alguns vídeos de uma câmera de alta velocidade que captura abelhas em voo.
O DelFly Explorer da Universidade de Tecnologia de Delft é um projeto intrigante do MAV de asas agitadas. Seu pequeno e leve sistema de visão estéreo permite evitar obstáculos e manter a altitude por conta própria.
MAVs de asas agitadas não exigem pista. Eles também têm a vantagem de poder pousar em pequenos espaços para economizar energia. E eles têm o potencial de ficar muito quietos. Este vídeo mostra um veículo de asa em movimento sendo desenvolvido pela Airvironment.
Os MAVs de asas agitadas são altamente manobráveis. Como eles geram sua sustentação a partir do movimento das asas, em vez de avançar, eles podem viajar muito devagar e até pairar. Eles podem até se recuperar de colisões com obstáculos de maneiras que os MAVs de asa fixa ou de asa rotativa não conseguem. Quando um veículo de asa fixa colide com alguma coisa, perde a velocidade e a sustentação do ar. Quando um veículo de asa rotativa colide com alguma coisa, perde a velocidade do rotor e a sustentação.
Devido ao seu tamanho pequeno, é provável que os MAVs de asas oscilantes sejam baratos de produzir. Eles nunca serão capazes de carregar a carga útil que um veículo maior pode, mas terão seu papel na exploração de outros mundos.
As sondas robóticas nos exploraram em outros mundos, a um custo muito mais barato do que o envio de pessoas. Embora atualmente os MAVs de asas agitadas estejam sendo projetados com desempenho terrestre em mente, é um salto bastante fácil disso para projetos para outros mundos e outras condições. Imagine uma pequena frota de veículos de asas agitadas, projetados para uma atmosfera mais fina e gravidade mais fraca, liberados para mapear cavernas ou outras áreas de difícil acesso, localizar água ou minerais ou mapear outros recursos.
Colônias de formigas e sistemas coletivos
As formigas parecem irracionais quando você as olha individualmente. Mas eles fazem coisas incríveis juntos. Eles não apenas constroem colônias complexas e eficientes, como também usam seus corpos para construir pontes flutuantes e pontes suspensas no ar. Esse comportamento é chamado de montagem automática.
As colônias e o comportamento das formigas têm muito a nos ensinar. Há todo um campo de pesquisa chamado Otimização de colônias de formigas que tem implicações em circuitos e sistemas, comunicações, inteligência computacional, sistemas de controle e eletrônica industrial.
Aqui está um vídeo de formigas tecelãs construindo uma ponte para cobrir o espaço entre duas varas suspensas. Leva um tempo para obtê-lo. Veja se você pode assistir sem torcer por eles.
As colônias de formigas são um exemplo do que é chamado de sistemas coletivos. Outros exemplos de sistemas coletivos na natureza são colmeias de abelhas e vespas, cupins e até cardumes de peixes. Os robôs no próximo vídeo foram projetados para imitar sistemas coletivos naturais. Esses robôs podem fazer muito pouco sozinhos e são propensos a erros, mas quando trabalham juntos, são capazes de se auto-montar em formas complexas.
Os sistemas de montagem automática podem ser mais adaptáveis às mudanças de condições. Quando se trata de explorar outros mundos, os robôs capazes de se auto-montar serão capazes de responder a mudanças inesperadas em seus arredores e em ambientes de outros mundos. Parece certo que a automontagem por sistemas coletivos permitirá que nossos futuros exploradores robóticos atravessem ambientes e sobrevivam a situações para as quais não podemos projetá-los especificamente com antecedência. Esses robôs não terão apenas inteligência artificial para pensar nos problemas, mas também poderão se auto-montar de maneiras diferentes para superar obstáculos.
Robôs Modelados em Animais
Explorar Marte com robôs robóticos é uma conquista surpreendente. Eu estava com calafrios na espinha quando o Curiosity pousou em Marte. Mas nossos veículos rover atuais parecem frágeis e frágeis, e vê-los se mover devagar e desajeitadamente pela superfície de Marte faz você se perguntar o quanto eles poderiam ser melhores no futuro. Usando a biomimética para modelar robôs robóticos em animais, poderemos criar robôs muito melhores do que atualmente.
As rodas são uma das maiores e mais antigas tecnologias da humanidade. Mas precisamos mesmo de rodas em Marte? As rodas ficam presas, não podem atravessar mudanças bruscas de altura e têm outros problemas. Não há rodas na natureza.
As cobras têm sua própria solução única para o problema da locomoção. Sua capacidade de se deslocar sobre a terra, subir e ultrapassar obstáculos, se espremer em lugares apertados e até nadar os torna predadores muito eficientes. E nunca vi uma cobra com um pedaço quebrado ou um eixo quebrado. Os futuros veículos espaciais poderiam ser modelados em cobras terrestres?
Este robô se move pelo chão da mesma maneira que as cobras.
Aqui está outro robô baseado em cobras, com a capacidade adicional de ficar em casa na água. Este parece que está se divertindo.
Este robô não é apenas baseado em cobras, mas também em vermes e insetos. Tem até elementos de auto-montagem. Rodas apenas o seguravam. Alguns segmentos certamente poderiam conter sensores e até recuperar amostras para análise. Veja como ele se remonta para superar obstáculos.
É fácil pensar em vários usos de robôs de cobra. Imagine uma plataforma maior, semelhante à Curiosidade do MSL. Agora imagine se suas pernas fossem na verdade vários robôs de cobras independentes que poderiam se destacar, realizar tarefas como explorar áreas de difícil acesso e recuperar amostras e retornar à plataforma maior. Eles então depositavam amostras, baixavam dados e voltavam a se conectar. Então todo o veículo poderia se mover para um local diferente, com os robôs carregando a plataforma.
Se isso soa como ficção científica, e daí? Nós amamos ficção científica.
Energia solar: girassóis no espaço
O fluxo de energia do sol é diluído para um pouco mais longe no sistema solar que vamos. Enquanto continuamos cada vez mais eficientes na coleta da energia solar, a biomimética oferece a promessa de uma redução de 20% no espaço necessário para o painel solar, apenas imitando o girassol.
As plantas solares concentradas (CSPs) são compostas por uma variedade de espelhos, chamados heliostáticos, que rastreiam o sol à medida que a Terra gira. Os heliostáticos estão dispostos em círculos concêntricos e captam a luz do sol e a refletem em direção a uma torre central, onde o calor é convertido em eletricidade.
Quando os pesquisadores do MIT estudaram os CSPs com mais detalhes, descobriram que cada um dos heliostáticos passava parte do tempo sombreado, tornando-os menos eficazes. Enquanto trabalhavam com modelos de computador para resolver o problema, eles perceberam que as possíveis soluções eram semelhantes aos padrões em espiral encontrados na natureza. De lá, eles olharam para o girassol em busca de inspiração.
O girassol não é uma única flor. É uma coleção de pequenas flores chamadas florzinhas, como os espelhos individuais de um CSP. Essas florzinhas são dispostas em um padrão espiral, com cada florzinha orientada a 137 graus uma da outra. Isso é chamado de 'ângulo de ouro' e, quando os floretes são organizados dessa maneira, formam uma matriz de espirais interconectadas que se conforma à sequência de Fibonacci. Os pesquisadores do MIT dizem que a organização de espelhos individuais da mesma maneira em um CSP reduzirá o espaço necessário em 20%.
Como ainda estamos colocando tudo o que precisamos para a exploração do espaço no espaço, explodindo-o da gravidade da Terra bem amarrada a enormes foguetes caros, uma redução de 20% no espaço para a mesma quantidade de energia solar coletada é uma melhoria significativa.
Extremófilos e Biomimética
Os extremófilos são organismos adaptados para prosperar em condições ambientais extremas. A partir de 2013, foram identificados 865 microorganismos extremofílicos. Seu reconhecimento deu uma nova esperança para encontrar vida em ambientes extremos em outros mundos. Mais do que isso, imitar extremófilos pode nos ajudar a explorar esses ambientes.
A rigor, os tardígrados não são exatamente extremófilos, porque, embora possam sobreviver a extremos, não estão adaptados para prosperar neles. No entanto, sua capacidade de suportar extremos ambientais significa que eles têm muito a nos ensinar. Existem cerca de 1.150 espécies de Tardigrades, e elas têm a capacidade de sobreviver em condições que matariam seres humanos e degradariam rapidamente o funcionamento de quaisquer sondas robóticas que pudéssemos enviar para ambientes extremos.
Os tardígrados são, na verdade, pequenos animais aquáticos, de oito patas. Eles podem suportar temperaturas de um pouco acima do zero absoluto até o ponto de ebulição da água. Eles podem sobreviver a pressões cerca de seis vezes maiores que a pressão no fundo das trincheiras oceânicas mais profundas da Terra. Os tardígrados também podem passar dez anos sem comida ou água e secar a menos de 3% de água.
Eles são basicamente os super-minúsculos super-heróis da Terra.
Mas, no que diz respeito à exploração espacial, é a capacidade delas de resistir a radiação ionizante milhares de vezes maior do que os humanos podem suportar, o que mais nos interessa. Os tardígrados são chamados de criaturas mais difíceis da natureza, e é fácil entender o porquê.
Provavelmente, é no campo da ficção científica imaginar um futuro em que os humanos são geneticamente modificados com genes tardígrados para resistir à radiação em outros mundos. Mas se sobrevivermos o tempo suficiente, não há dúvida de que emprestaremos genes de outras vidas terrestres para nos ajudar a expandir para outros mundos. É apenas lógico. Mas isso ainda está longe, e mecanismos de sobrevivência tardígrados podem entrar em ação muito mais cedo.
Mundos como a Terra têm sorte de estar envoltos por uma magnetosfera, que protege a biosfera da radiação. Mas muitos mundos e todas as luas dos outros planetas em nosso sistema solar - exceto Ganimedes - carecem de uma magnetosfera. Marte em si é completamente desprotegido. A presença de radiação no espaço e em mundos sem magnetosfera protetora não apenas mata os seres vivos, mas pode afetar os dispositivos eletrônicos, degradando seu desempenho, diminuindo sua vida útil ou causando falhas completas.
Alguns dos instrumentos da sonda Juno, que está a caminho de Júpiter no momento, não devem sobreviver pela duração da missão por causa da radiação extrema em torno do planeta gasoso gigante. Os próprios painéis solares, que devem ser expostos ao sol para funcionar, são particularmente suscetíveis à radiação ionizante, que prejudica seu desempenho ao longo do tempo. Proteger a eletrônica contra radiação ionizante é uma parte essencial do projeto da sonda e da sonda.
Normalmente, os eletrônicos sensíveis na sonda e nas sondas são protegidos por alumínio, cobre ou outros materiais. A sonda Juno usa um inovador cofre de titânio para proteger seus componentes eletrônicos mais sensíveis. Isso adiciona volume e peso à sonda e ainda não fornece proteção completa. Os tardigrados têm outra maneira de se proteger, provavelmente mais elegante do que isso. É muito cedo para dizer exatamente como os tardigrados fazem isso, mas se a proteção contra pigmentação tem algo a ver com isso, e podemos descobrir, imitar os Tardigrades mudará a maneira como projetamos espaçonaves e sondas e prolongará sua vida útil em ambientes de radiação extrema.
Então, que tal? Nossas futuras missões de exploração envolverão robôs que podem se montar em longas cadeias para explorar áreas de difícil acesso? Liberaremos enxames de MAVs de asas agitadas que trabalham juntos para criar mapas ou pesquisas detalhados? Nossas sondas poderão explorar ambientes extremos por períodos muito mais longos, graças à proteção do tipo Tardigrade contra radiação? Nossas primeiras bases na lua ou em outros mundos serão alimentadas por plantas solares concentradas inspiradas em girassol?
Se Leonardo DaVinci foi tão inteligente quanto eu acho que ele era, então a resposta para todas essas perguntas é sim.
