"Ceux qui s'inspirent d'un modèle autre que la nature, une maîtresse avant tout maîtres, travaille en vain.”
-Léonard de Vinci
Ce dont DaVinci parlait, bien que cela ne s'appelait pas à l'époque, c'était le biomimétisme. S'il était vivant aujourd'hui, il ne fait aucun doute que M. DaVinci serait un grand partisan du biomimétisme.
La nature est d'autant plus fascinante que vous y regardez en profondeur. Quand nous regardons profondément dans la nature, nous regardons dans un laboratoire vieux de plus de 3 milliards d'années, où des solutions aux problèmes ont été mises en œuvre, testées et révisées au cours de l'évolution. C'est pourquoi le biomimétisme est si élégant: sur Terre, la nature a eu plus de 3 milliards d'années pour résoudre des problèmes, les mêmes types de problèmes que nous devons résoudre pour avancer dans l'exploration spatiale.
Plus notre technologie est puissante, plus nous pouvons voir profondément dans la nature. À mesure que de plus amples détails sont révélés, des solutions plus alléchantes aux problèmes d'ingénierie se présentent. Les scientifiques qui se tournent vers la nature pour trouver des solutions aux problèmes d'ingénierie et de conception en récoltent les fruits et progressent dans plusieurs domaines liés à l'exploration spatiale.
Véhicules micro-aériens à ailes battantes (MAV)
Les MAV sont petits, ne dépassant généralement pas 15 cm de long et 100 grammes. Les MAV ne sont pas seulement petits, ils sont silencieux. Équipés de renifleurs chimiques, de caméras ou d'autres équipements, ils pourraient être utilisés pour explorer des espaces confinés trop petits pour qu'un humain y accède, ou pour explorer furtivement des zones de toute taille. Les utilisations terrestres pourraient inclure des situations d'otage, l'évaluation d'accidents industriels comme Fukushima ou des utilisations militaires. Mais c'est leur utilisation potentielle sur d'autres mondes à explorer qui est la plus fascinante.
Les MAV sont apparus dans les livres et les films de science-fiction au fil des ans. Pensez aux chasseurs-chercheurs de Dune ou aux sondes de Prométhée qui ont été utilisées pour cartographier la chambre devant les humains. Ces conceptions sont plus avancées que tout ce qui est actuellement en cours d'élaboration, mais les MAV à ailes battantes sont en cours de recherche et de conception en ce moment, et sont les précurseurs de conceptions plus avancées à l'avenir.
Les caméras à haute vitesse ont stimulé le développement de MAV à ailes battantes. Les images détaillées des caméras à haute vitesse ont permis aux chercheurs d'étudier en détail le vol des oiseaux et des insectes. Et il s'avère que le vol à ailes battantes est beaucoup plus compliqué qu'on ne le pensait initialement. Mais il est également beaucoup plus polyvalent et résistant. Cela explique sa persistance dans la nature et sa polyvalence dans la conception des MAV. Voici une vidéo d'une caméra à grande vitesse capturant des abeilles en vol.
Le DelFly Explorer de l'Université de technologie de Delft est une conception intrigante du MAV à ailes battantes. Son petit système de vision stéréo léger lui permet d'éviter les obstacles et de maintenir son altitude par ses propres moyens.
Les MAV à ailes battantes ne nécessitent pas de piste. Ils ont également l'avantage de pouvoir se percher sur de petits espaces pour économiser l'énergie. Et ils ont le potentiel d'être très silencieux. Cette vidéo montre un véhicule à ailes battantes développé par Airvironment.
Les MAV à ailes battantes sont très maniables. Parce qu'ils génèrent leur portance à partir du mouvement des ailes, plutôt que du mouvement vers l'avant, ils peuvent voyager très lentement et même planer. Ils peuvent même se remettre de collisions avec des obstacles comme les MAV à voilure fixe ou à voilure tournante ne peuvent pas. Lorsqu'un véhicule à voilure fixe entre en collision avec quelque chose, il perd sa vitesse et sa portance. Lorsqu'un véhicule à voilure tournante entre en collision avec quelque chose, il perd sa vitesse de rotor et sa portance.
En raison de leur petite taille, les MAV à ailes battantes sont susceptibles d'être bon marché à produire. Ils ne pourront jamais transporter la charge utile qu’un véhicule plus gros peut, mais ils auront leur rôle dans l’exploration d’autres mondes.
Les sondes robotiques ont fait toute l'exploration pour nous sur d'autres mondes, à un coût beaucoup moins cher que d'envoyer des gens. Bien que les MAV à ailes battantes soient actuellement conçus en tenant compte des performances terrestres, il est assez facile de passer de cela à des conceptions pour d'autres mondes et d'autres conditions. Imaginez une petite flotte de véhicules à ailes battantes, conçue pour une atmosphère plus mince et une gravité plus faible, libérée pour cartographier des grottes ou d'autres zones difficiles d'accès, pour localiser de l'eau ou des minéraux, ou pour cartographier d'autres caractéristiques.
Colonies de fourmis et systèmes collectifs
Les fourmis semblent stupides lorsque vous les regardez individuellement. Mais ils font des choses incroyables ensemble. Non seulement ils construisent des colonies complexes et efficaces, ils utilisent également leur corps pour construire des ponts flottants et des ponts suspendus dans les airs. Ce comportement est appelé auto-assemblage.
Les colonies de fourmis et le comportement des fourmis ont beaucoup à nous apprendre. Il existe tout un domaine de recherche appelé Ant Colony Optimization qui a des implications pour les circuits et les systèmes, les communications, l'intelligence informatique, les systèmes de contrôle et l'électronique industrielle.
Voici une vidéo de fourmis tisserandes construisant un pont pour combler l'écart entre deux bâtons suspendus. Il leur faut du temps pour l'obtenir. Voyez si vous pouvez regarder sans les encourager.
Les colonies de fourmis sont un exemple de ce qu'on appelle des systèmes collectifs. D'autres exemples de systèmes collectifs dans la nature sont les ruches d'abeilles et de guêpes, les termitières et même les bancs de poissons. Les robots de la vidéo suivante ont été conçus pour imiter les systèmes collectifs naturels. Ces robots peuvent faire très peu seuls et sont sujets à l'erreur, mais lorsqu'ils fonctionnent ensemble, ils sont capables de s'auto-assembler en formes complexes.
Les systèmes d'auto-assemblage peuvent être plus adaptables aux conditions changeantes. Lorsqu'il s'agit d'explorer d'autres mondes, les robots qui peuvent s'auto-assembler seront en mesure de répondre à des changements inattendus dans leur environnement et dans les environnements d'autres mondes. Il semble certain que l'auto-assemblage par des systèmes collectifs permettra à nos futurs explorateurs robotiques de traverser des environnements et de survivre à des situations pour lesquelles nous ne pouvons pas les concevoir spécifiquement à l'avance. Ces robots auront non seulement l'intelligence artificielle pour trouver leur chemin à travers les problèmes, mais pourront également s'auto-assembler de différentes manières pour surmonter les obstacles.
Des robots sur le modèle des animaux
Explorer Mars avec des robots robotiques est une réalisation étonnante. J'ai eu des frissons dans ma colonne vertébrale lorsque Curiosity a atterri sur Mars. Mais nos rovers actuels semblent fragiles et fragiles, et en les regardant se déplacer lentement et maladroitement autour de la surface de Mars, vous vous demandez à quel point ils pourraient être meilleurs à l'avenir. En utilisant le biomimétisme pour modéliser des rovers robotiques sur des animaux, nous devrions être en mesure de construire de meilleurs rovers que nous n'en avons actuellement.
Les roues sont l'une des premières et des plus grandes technologies de l'humanité. Mais avons-nous même besoin de roues sur Mars? Les roues se bloquent, ne peuvent pas traverser des changements brusques de hauteur et ont d'autres problèmes. Il n'y a pas de roues dans la nature.
Les serpents ont leur propre solution unique au problème de la locomotion. Leur capacité à se déplacer sur terre, à monter et à franchir des obstacles, à se faufiler dans des endroits étroits et même à nager, en fait des prédateurs très efficaces. Et je n'ai jamais vu un serpent avec un let cassé ou un essieu cassé. Les futurs rovers pourraient-ils être modelés sur des serpents terrestres?
Ce robot se déplace sur le sol de la même manière que les serpents.
Voici un autre robot basé sur des serpents, avec la possibilité supplémentaire d'être à la maison dans l'eau. Celui-ci a l'air de s'amuser.
Ce robot n'est pas seulement basé sur les serpents, mais aussi sur les vers pouces et les insectes. Il a même des éléments d'auto-assemblage. Les roues ne feraient que le retenir. Certains segments pourraient certainement contenir des capteurs, et il pourrait même récupérer des échantillons pour analyse. Regardez comme il se rassemble pour surmonter les obstacles.
Il est assez facile de penser à plusieurs utilisations des robots serpent. Imaginez une plateforme plus grande, similaire à la curiosité MSL. Imaginez maintenant si ses jambes étaient en fait plusieurs robots serpents indépendants qui pourraient se détacher, effectuer des tâches telles que l'exploration de zones difficiles d'accès et la récupération d'échantillons, puis revenir à la plus grande plate-forme. Ils déposaient ensuite des échantillons, téléchargeaient des données et se rattachaient. Ensuite, l'ensemble du véhicule pourrait se déplacer vers un endroit différent, les robots serpents portant la plate-forme.
Si cela ressemble à de la science-fiction, alors quoi? Nous aimons la science-fiction.
Énergie solaire: tournesols dans l'espace
Le flux d'énergie du soleil est dilué en un filet plus loin dans le système solaire que nous parcourons. Alors que nous continuons à être de plus en plus efficaces pour collecter l’énergie solaire, le biomimétisme offre la promesse d’une réduction de 20% de l’espace requis pour les panneaux solaires, simplement en imitant le tournesol.
Les plantes solaires concentrées (CSP) sont constituées d'un ensemble de miroirs, appelés héliostats, qui suivent le soleil pendant la rotation de la Terre. Les héliostats sont disposés en cercles concentriques et captent la lumière du soleil et la réfléchissent vers une tour centrale, où la chaleur est convertie en électricité.
Lorsque les chercheurs du MIT ont étudié plus en détail les CSP, ils ont découvert que chacun des héliostats passait une partie du temps à l'ombre, ce qui les rend moins efficaces. En travaillant avec des modèles informatiques pour résoudre le problème, ils ont remarqué que les solutions possibles étaient similaires aux modèles en spirale trouvés dans la nature. De là, ils ont regardé le tournesol pour l'inspiration.
Le tournesol n'est pas une seule fleur. C'est une collection de petites fleurs appelées fleurons, un peu comme les miroirs individuels d'un CSP. Ces fleurons sont disposés en spirale, chaque fleuron étant orienté à 137 degrés l'un de l'autre. C’est ce que l’on appelle «l’angle d’or», et lorsque les fleurons sont disposés de cette façon, ils forment un réseau de spirales interconnectées conformes à la séquence de Fibonacci. Les chercheurs du MIT disent que l'organisation de miroirs individuels de la même manière dans un CSP réduira l'espace nécessaire de 20%.
Comme nous mettons toujours tout ce dont nous avons besoin pour l'exploration de l'espace dans l'espace en le faisant exploser hors de la gravité de la Terre bien attaché à d'énormes fusées coûteuses, une réduction de 20% de l'espace pour la même quantité d'énergie solaire collectée est une amélioration significative.
Extrémophiles et biomimétisme
Les extrémophiles sont des organismes adaptés pour prospérer dans des conditions environnementales extrêmes. En 2013, 865 micro-organismes extrémophiles avaient été identifiés. Leur reconnaissance a donné un nouvel espoir à trouver la vie dans des environnements extrêmes sur d'autres mondes. Mais plus que cela, imiter les extrémophiles peut nous aider à explorer ces environnements.
À strictement parler, les Tardigrades ne sont pas exactement des extrémophiles, car bien qu'ils puissent survivre aux extrêmes, ils ne sont pas adaptés pour prospérer en eux. Cependant, leur capacité à résister aux extrêmes environnementaux signifie qu'ils ont beaucoup à nous apprendre. Il existe environ 1150 espèces de Tardigrades, et elles ont la capacité de survivre dans des conditions qui tueraient des êtres humains et dégraderaient rapidement le fonctionnement de toutes les sondes robotiques que nous pourrions envoyer dans des environnements extrêmes.
Les tardigrades sont en fait de minuscules micro-animaux aquatiques à huit pattes. Ils peuvent résister à des températures allant juste au-dessus du zéro absolu jusqu'à bien au-dessus du point d'ébullition de l'eau. Ils peuvent survivre à des pressions environ six fois supérieures à la pression au fond des tranchées océaniques les plus profondes de la Terre. Les Tardigrades peuvent également passer dix ans sans nourriture ni eau, et peuvent se dessécher à moins de 3% d'eau.
Ce sont fondamentalement les super-minuscules super-héros de la Terre.
Mais en ce qui concerne l'exploration spatiale, c'est leur capacité à résister aux rayonnements ionisants des milliers de fois plus élevés que ceux que les humains peuvent supporter, qui nous intéresse le plus. Les Tardigrades sont appelés les créatures les plus résistantes de la nature, et il est facile de comprendre pourquoi.
C'est probablement dans le domaine de la science-fiction d'imaginer un avenir où les humains sont génétiquement modifiés avec des gènes tardigrades pour résister aux radiations sur d'autres mondes. Mais si nous survivons assez longtemps, il ne fait aucun doute dans mon esprit que nous emprunterons des gènes à d'autres vies terrestres pour nous aider à nous développer dans d'autres mondes. C’est logique. Mais c'est loin, et les mécanismes de survie tardigrade peuvent entrer en jeu beaucoup plus tôt.
Des mondes comme la Terre ont la chance d'être entourés d'une magnétosphère, qui protège la biosphère des radiations. Mais de nombreux mondes, et toutes les lunes des autres planètes de notre système solaire - autres que Ganymède - manquent de magnétosphère. Mars lui-même n'est absolument pas protégé. La présence de rayonnements dans l'espace et sur des mondes sans magnétosphère protectrice tue non seulement les êtres vivants, mais peut affecter les appareils électroniques en dégradant leurs performances, en raccourcissant leur durée de vie ou en provoquant une panne complète.
Certains des instruments de la sonde Juno, qui se dirige actuellement vers Jupiter, ne devraient pas survivre pendant la durée de la mission en raison des radiations extrêmes autour de la planète gazeuse géante. Les panneaux solaires eux-mêmes, qui doivent être exposés au soleil pour fonctionner, sont particulièrement sensibles aux rayonnements ionisants, qui érodent leurs performances au fil du temps. La protection de l'électronique contre les rayonnements ionisants est un élément essentiel de la conception des vaisseaux spatiaux et des sondes.
En règle générale, l'électronique sensible des vaisseaux spatiaux et des sondes est protégée par de l'aluminium, du cuivre ou d'autres matériaux. La sonde Juno utilise une voûte en titane innovante pour protéger ses composants électroniques les plus sensibles. Cela ajoute de l'encombrement et du poids à la sonde et n'offre toujours pas une protection complète. Les Tardigrades ont une autre façon de se protéger qui est probablement plus élégante que cela. Il est trop tôt pour dire exactement comment les tardigrades le font, mais si le blindage de pigmentation a quelque chose à voir avec cela, et nous pouvons le comprendre, imiter les Tardigrades changera la façon dont nous concevons les vaisseaux spatiaux et les sondes, et prolongera leur durée de vie dans des environnements de rayonnement extrêmes.
Et alors? Nos futures missions d'exploration impliqueront-elles des robots serpents qui peuvent s'auto-assembler en longues chaînes pour explorer des zones difficiles à atteindre? Lâcherons-nous des essaims de MAV à ailes battantes qui travaillent ensemble pour créer des cartes ou des relevés détaillés? Nos sondes pourront-elles explorer des environnements extrêmes pendant des périodes beaucoup plus longues, grâce à une protection de type Tardigrade contre les radiations? Nos premières bases sur la lune ou dans d'autres mondes seront-elles alimentées par des plantes solaires concentrées inspirées du tournesol?
Si Leonardo DaVinci était aussi intelligent que je pense qu'il l'était, alors la réponse à toutes ces questions est oui.
