"Aquellos que se inspiran en un modelo distinto de la naturaleza, una amante sobre todo maestra, está trabajando en vano.”
-Leonardo DaVinci
De lo que DaVinci estaba hablando, aunque no se llamaba en ese momento, era biomimética. Si estuviera vivo hoy, no hay duda de que DaVinci sería un gran defensor de la biomimética.
La naturaleza es más fascinante cuanto más la miras. Cuando observamos profundamente la naturaleza, estamos mirando a un laboratorio que tiene más de 3 mil millones de años, donde se han implementado, probado y revisado soluciones a los problemas a lo largo de la evolución. Es por eso que la biomimética es tan elegante: en la Tierra, la naturaleza ha tenido más de 3 mil millones de años para resolver problemas, el mismo tipo de problemas que necesitamos resolver para avanzar en la exploración espacial.
Cuanto más poderosa sea nuestra tecnología, más profundo podremos ver la naturaleza. A medida que se revela un mayor detalle, se presentan soluciones más tentadoras para los problemas de ingeniería. Los científicos que buscan soluciones a los problemas de ingeniería y diseño en la naturaleza están cosechando las recompensas y están avanzando en varias áreas relacionadas con la exploración espacial.
Aleteo-Ala Micro Vehículos Aéreos (MAV)
Los MAV son pequeños, generalmente no mayores de 15 cm de longitud y 100 gramos de peso. Los MAV no solo son pequeños, sino silenciosos. Equipados con rastreadores químicos, cámaras u otros equipos, podrían usarse para explorar espacios confinados demasiado pequeños para que un humano pueda acceder, o para explorar sigilosamente áreas de cualquier tamaño. Los usos terrestres podrían incluir situaciones de rehenes, evaluar accidentes industriales como Fukushima o usos militares. Pero su uso potencial en otros mundos aún por explorar es lo más fascinante.
Los MAV han aparecido en libros y películas de ciencia ficción a lo largo de los años. Piense en los buscadores de cazadores en Dune, o en las sondas en Prometeo que se usaron para mapear la cámara delante de los humanos. Esos diseños son más avanzados que cualquier cosa en la que se esté trabajando actualmente, pero los MAV de aleteo están siendo investigados y diseñados en este momento, y son los precursores de diseños más avanzados en el futuro.
Las cámaras de alta velocidad han estimulado el desarrollo de MAV de aleteo. Las imágenes detalladas de las cámaras de alta velocidad han permitido a los investigadores estudiar el vuelo de aves e insectos con gran detalle. Y resulta que el vuelo de aleteo es mucho más complicado de lo que se pensaba inicialmente. Pero también es mucho más versátil y resistente. Eso explica su persistencia en la naturaleza y su versatilidad en el diseño MAV. Aquí hay un video de una cámara de alta velocidad que captura abejas en vuelo.
El DelFly Explorer de la Universidad Tecnológica de Delft es un diseño intrigante de MAV de aleteo. Su sistema de visión estéreo pequeño y liviano le permite evitar obstáculos y mantener su altitud por sí solo.
Los MAV de aleteo no requieren una pista de aterrizaje. También tienen la ventaja de poder posarse en espacios pequeños para conservar energía. Y tienen el potencial de estar muy callados. Este video muestra un vehículo de ala que está siendo desarrollado por Airvironment.
Los MAV de aleteo son altamente maniobrables. Debido a que generan su elevación a partir del movimiento del ala, en lugar del movimiento hacia adelante, pueden viajar muy lentamente e incluso desplazarse. Incluso pueden recuperarse de colisiones con obstáculos de maneras que los MAV de ala fija o de ala giratoria no pueden. Cuando un vehículo de ala fija choca con algo, pierde su velocidad aérea y su elevación. Cuando un vehículo de ala giratoria choca con algo, pierde su velocidad de rotor y su elevación.
Debido a su pequeño tamaño, es probable que los MAV de aleteo sean baratos de producir. Nunca podrán transportar la carga útil que puede tener un vehículo más grande, pero tendrán su papel en la exploración de otros mundos.
Las sondas robóticas han explorado por nosotros en otros mundos, a un costo mucho más barato que enviar personas. Si bien los MAV de aleteo se están diseñando actualmente con el rendimiento terrestre en mente, es un salto bastante fácil de eso a diseños para otros mundos y otras condiciones. Imagine una pequeña flota de vehículos de ala aleteadora, diseñada para una atmósfera más delgada y una gravedad más débil, liberada para cartografiar cuevas u otras áreas difíciles de alcanzar, para localizar agua o minerales, o para mapear otras características.
Colonias de hormigas y sistemas colectivos
Las hormigas parecen tontas cuando las miras individualmente. Pero hacen cosas increíbles juntos. No solo construyen colonias complejas y eficientes, sino que también usan sus cuerpos para construir puentes flotantes y puentes suspendidos en el aire. Este comportamiento se llama autoensamblaje.
Las colonias y el comportamiento de las hormigas tienen mucho que enseñarnos. Existe todo un campo de investigación llamado Ant Colony Optimization que tiene implicaciones para circuitos y sistemas, comunicaciones, inteligencia computacional, sistemas de control y electrónica industrial.
Aquí hay un video de las hormigas Weaver construyendo un puente para cruzar la brecha entre dos palos suspendidos. Les lleva un tiempo entenderlo. Vea si puede mirar sin animarlos.
Las colonias de hormigas son un ejemplo de lo que se llaman sistemas colectivos. Otros ejemplos de sistemas colectivos en la naturaleza son las colmenas de abejas y avispas, termiteros e incluso bancos de peces. Los robots en el siguiente video han sido diseñados para imitar sistemas colectivos naturales. Estos robots pueden hacer muy poco solos y son propensos a errores, pero cuando trabajan juntos, son capaces de autoensamblarse en formas complejas.
Los sistemas de autoensamblaje pueden ser más adaptables a las condiciones cambiantes. Cuando se trata de explorar otros mundos, los robots que pueden autoensamblarse podrán responder a cambios inesperados en su entorno y en entornos de otros mundos. Parece cierto que el autoensamblaje por sistemas colectivos permitirá a nuestros futuros exploradores robóticos atravesar entornos y sobrevivir situaciones que no podemos diseñar específicamente para ellos por adelantado. Estos robots no solo tendrán inteligencia artificial para resolver los problemas, sino que también podrán autoensamblarse de diferentes maneras para superar los obstáculos.
Robots Modelados en Animales
Explorar Marte con rovers robóticos es un logro sorprendente. Tenía escalofríos corriendo por mi columna vertebral cuando Curiosity aterrizó en Marte. Pero nuestros rovers actuales parecen frágiles y frágiles, y verlos moverse lenta y torpemente alrededor de la superficie de Marte te hace preguntarte cuánto mejor podrían ser en el futuro. Al utilizar la biomimética para modelar rovers robóticos en animales, deberíamos ser capaces de construir rovers mucho mejores que los que tenemos actualmente.
Las ruedas son una de las primeras y mejores tecnologías de la humanidad. ¿Pero necesitamos ruedas en Marte? Las ruedas se atascan, no pueden atravesar cambios bruscos de altura y tienen otros problemas. No hay ruedas en la naturaleza.
Las serpientes tienen su propia solución única al problema de la locomoción. Su habilidad para moverse sobre tierra, arriba y sobre obstáculos, atravesar lugares estrechos e incluso nadar, los convierte en depredadores muy eficientes. Y nunca he visto una serpiente con una pieza rota, o un eje roto. ¿Podrían los futuros rovers ser modelados en serpientes terrestres?
Este robot se mueve por el suelo de la misma manera que las serpientes.
Aquí hay otro robot basado en serpientes, con la capacidad adicional de estar en casa en el agua. Parece que se está divirtiendo.
Este robot no solo se basa en serpientes, sino también en gusanos e insectos. Incluso tiene elementos de autoensamblaje. Las ruedas solo lo retendrían. Algunos segmentos sin duda podrían contener sensores, e incluso podrían recuperar muestras para su análisis. Observe cómo se vuelve a montar para superar los obstáculos.
Es bastante fácil pensar en múltiples usos de los robots de serpientes. Imagine una plataforma más grande, similar a la Curiosidad MSL. Ahora imagine si sus patas fueran en realidad varios robots de serpientes independientes que podrían separarse, realizar tareas como explorar áreas de difícil acceso y recuperar muestras, y luego regresar a la plataforma más grande. Luego depositarían muestras, descargarían datos y se volverían a adjuntar. Luego, todo el vehículo podría moverse a una ubicación diferente, con los robots de serpientes llevando la plataforma.
Si esto suena a ciencia ficción, ¿y qué? Amamos la ciencia ficción.
Energía solar: girasoles en el espacio
El flujo de energía del sol se diluye hasta gotear a medida que avanzamos en el sistema solar. Si bien seguimos haciéndonos cada vez más eficientes para recolectar la energía del sol, la biomimética ofrece la promesa de una reducción del 20% en el espacio del panel solar requerido, simplemente imitando el girasol.
Las plantas solares concentradas (CSP) están formadas por una serie de espejos, llamados heliostatos, que siguen al sol a medida que la Tierra gira. Los heliostatos están dispuestos en círculos concéntricos, captan la luz solar y la reflejan hacia una torre central, donde el calor se convierte en electricidad.
Cuando los investigadores del MIT estudiaron los CSP con más detalle, descubrieron que cada uno de los heliostatos pasaba parte del tiempo sombreado, lo que los hacía menos efectivos. Mientras trabajaban con modelos de computadora para resolver el problema, notaron que las posibles soluciones eran similares a los patrones en espiral que se encuentran en la naturaleza. A partir de ahí, miraron al girasol en busca de inspiración.
El girasol no es una sola flor. Es una colección de pequeñas flores llamadas floretes, muy parecidas a los espejos individuales en un CSP. Estas florecillas están dispuestas en forma de espiral con cada florete orientado a 137 grados entre sí. Esto se llama el "ángulo de oro", y cuando las flores están dispuestas de esta manera, forman una serie de espirales interconectadas que se ajustan a la secuencia de Fibonacci. Los investigadores del MIT dicen que organizar espejos individuales de la misma manera en un CSP reducirá el espacio necesario en un 20%.
Dado que todavía estamos poniendo todo lo que necesitamos para la exploración espacial en el espacio al expulsarlo de la gravedad de la Tierra bien atado a enormes y costosos cohetes, una reducción del 20% en el espacio por la misma cantidad de energía solar recolectada es una mejora significativa.
Extremofilos y biomimética
Los extremófilos son organismos adaptados para prosperar en condiciones ambientales extremas. A partir de 2013, se han identificado 865 microorganismos extremófilos. Su reconocimiento ha dado una nueva esperanza para encontrar vida en entornos extremos en otros mundos. Pero más que eso, imitar a los extremófilos puede ayudarnos a explorar estos entornos.
Estrictamente hablando, los tardígrados no son exactamente extremófilos, porque aunque pueden sobrevivir a los extremos, no están adaptados para prosperar en ellos. Sin embargo, su capacidad para resistir los extremos ambientales significa que tienen mucho que enseñarnos. Hay alrededor de 1.150 especies de Tardigrades, y tienen la capacidad de sobrevivir en condiciones que matarían a los seres humanos, y degradarían rápidamente el funcionamiento de cualquier sonda robótica que podamos enviar a entornos extremos.
Los tardígrados son en realidad pequeños animales acuáticos de ocho patas. Pueden soportar temperaturas desde justo por encima del cero absoluto hasta muy por encima del punto de ebullición del agua. Pueden sobrevivir a presiones aproximadamente seis veces mayores que la presión en el fondo de las trincheras oceánicas más profundas de la Tierra. Los tardígrados también pueden pasar diez años sin comida ni agua, y pueden secarse a menos del 3% de agua.
Básicamente son los superhéroes super pequeños de la Tierra.
Pero en lo que respecta a la exploración espacial, es su capacidad de resistir la radiación ionizante miles de veces más alta de lo que los humanos pueden soportar, lo que más nos interesa. Los tardígrados se llaman las criaturas más duras de la naturaleza, y es fácil ver por qué.
Probablemente sea en el ámbito de la ciencia ficción imaginar un futuro en el que los humanos estén genéticamente modificados con genes tardígrados para resistir la radiación en otros mundos. Pero si sobrevivimos el tiempo suficiente, no hay duda en mi mente que tomaremos prestados genes de otra vida terrestre para ayudarnos a expandirnos a otros mundos. Es solo lógico. Pero eso está muy lejos, y los mecanismos de supervivencia tardígrados pueden entrar en juego mucho antes.
Mundos como la Tierra tienen la suerte de estar cubiertos por una magnetosfera, que protege la biosfera de la radiación. Pero muchos mundos, y todas las lunas de los otros planetas de nuestro sistema solar, aparte de Ganímedes, carecen de una magnetosfera. Marte mismo está completamente desprotegido. La presencia de radiación en el espacio, y en mundos sin magnetosfera protectora, no solo mata a los seres vivos, sino que también puede afectar a los dispositivos electrónicos al degradar su rendimiento, acortar su vida útil o causar una falla completa.
No se espera que algunos de los instrumentos de la sonda Juno, que está en camino a Júpiter en este momento, sobrevivan durante la misión debido a la radiación extrema alrededor del planeta gigante de gas. Los paneles solares, que deben exponerse al sol para funcionar, son particularmente susceptibles a la radiación ionizante, que erosiona su rendimiento con el tiempo. La protección de la electrónica contra la radiación ionizante es una parte esencial del diseño de la sonda y la nave espacial.
Por lo general, los componentes electrónicos sensibles en las naves espaciales y las sondas están protegidos por aluminio, cobre u otros materiales. La sonda Juno utiliza una innovadora bóveda de titanio para proteger sus componentes electrónicos más sensibles. Esto agrega volumen y peso a la sonda, y aún así no proporcionará protección completa. Los Tardigrades tienen otra forma de protegerse, que es probablemente más elegante que esta. Es demasiado pronto para decir exactamente cómo lo hacen los tardígrados, pero si el blindaje de pigmentación tiene algo que ver con eso, y podemos resolverlo, imitar a los tardígrados cambiará la forma en que diseñamos sondas y sondas espaciales, y extenderá su vida útil en entornos de radiación extrema.
Entonces, ¿qué tal? ¿Nuestras futuras misiones de exploración incluirán robots de serpientes que pueden autoensamblarse en largas cadenas para explorar áreas de difícil acceso? ¿Desataremos enjambres de MAV de aleteo que trabajan juntos para crear mapas detallados o encuestas? ¿Podrán nuestras sondas explorar entornos extremos durante períodos de tiempo mucho más largos, gracias a la protección contra la radiación similar a la de Tardigrade? ¿Nuestras primeras bases en la luna u otros mundos serán alimentadas por plantas solares concentradas inspiradas en girasol?
Si Leonardo DaVinci era tan inteligente como creo que era, entonces la respuesta a todas esas preguntas es sí.
