“La vida, eh, encuentra un camino” —Aplicando lecciones de evolución para ir a Marte

Marte, la cuarta roca del Sol Ampliar / Marte, el cuarta roca del sol. NASA

Como el filósofo matemático Jeff Goldblum dijo una vez: “la vida, eh, encuentra un camino “.

Para decirlo más científicamente, la evolución ha tenido miles de millones de años de prueba y error para producir especies que están bien adaptado química y físicamente. Muchos investigadores humanos quieren imita esa adaptación, sacando lecciones del mundo natural en práctica en ingeniería, tecnología y arquitectura. los toda la empresa se llama “biomimética”.

Otras lecturas

�Tienes un problema científico? Robar una respuesta de la naturaleza

“Creo que la biomimética es realmente hermosa”, dice Ariel Ekblaw, un estudiante en Media Lab del MIT, quien fundó y dirige el Media Lab’s Iniciativa de exploración espacial. “Es tanto un marco como … un conjunto de herramientas o aprendizajes de la naturaleza que pueden informar a los modernos proyectos de ingeniería e investigación científica “.

Para ver el espectro de la investigación en biomimética, asistí a un taller de tres días llamado “Exploración inspirada en la naturaleza para Aeroespacial “. El taller fue copatrocinado por Glenn Research de la NASA Centro, el Instituto Aeroespacial de Ohio y Biomimética de los Grandes Lagos. A pesar del enfoque aeroespacial, el programa varió de directo biología a consultas filosóficas sobre las razones para hacer biomimética en primer lugar.

Cumplir con la naturaleza para la innovación

El ejemplo clásico de biomimética es Velcro®. En 1941, suizo El ingeniero George de Mestral se inspiró en las rebabas que se adhieren a el pelaje de su perro para crear el sistema de sujeción ahora familiar basado en pequeños ganchos y bucles.

Pero Velcro® parece primitivo en comparación con la biomimética moderna proyectos Los investigadores miran aletas de ballena para mejorar diseños de aerogeneradores, cañas comunes (Phragmites australis) para amortiguar sonidos de aeropuertos y serpientes de costado para construir robots que Puede subir pendientes difíciles. Otros estudian organismos que viven en ambientes extremos: desiertos de gran altitud, volcánicas de aguas profundas respiraderos, Antártida, para ayudar a comprender cómo podrían vivir los humanos en lugares de escasos recursos, ya sea en la Tierra, la Luna o Marte.

El objetivo principal del taller de biomimética de la NASA era dibujar juntos personas de muchas disciplinas con la esperanza de fomentar colaboraciones con la NASA para el futuro de la tecnología aeroespacial. Muchos investigadores de la NASA están interesados ​​en la biomimética porque promete pura eficiencia, una necesidad dado el alto costo de transporte de materiales al espacio. Pero también existe la posibilidad de eliminando la necesidad de transportar cosas por completo. Organismos construidos a partir de las materias primas disponibles de su entorno, en forma de alimentos (como se definan) y fuentes ambientales de agua.

Por ejemplo, si se pudiera construir un hábitat en Marte, o ensamblarlo a partir de componentes modulares, utilizando materiales obtenidos en Marte en sí, potencialmente ahorraría una gran cantidad de masa durante lanzamiento desde la tierra. Eso, a su vez, se traduce en ahorro de combustible, posiblemente permitiendo que la nave espacial lleve otros importantes carga.

Growing food and creating a livable environment are two desafíos de ingeniería en Marte que son tan importantes como hacer  combustible.  Lamentablemente, las soluciones del mundo real probablemente diferirán un poco de  los  Martian's depiction.Agrandar / Cultivar alimentos y crear un ambiente habitable son dos engineering challenges on Mars that are just as important as makingfuel. Real-world solutions will, sadly, probably differ a bit fromLa representación marciana.

Conceptos verdes

“La biomimética en sí misma no es exactamente un concepto nuevo; en realidad es bastante viejo “, dice Teresa McNulty, quien estudia en Biomimicry Centro de la Universidad Estatal de Arizona. “[Civilizaciones antiguas] registrar lo que observan en la naturaleza y luego usarlo de alguna manera para informar mejores diseños y nuevas tecnologías “.

La investigación moderna en biomimética toma estas viejas ideas y aplica ellos de manera sistemática. El campo es intrínsecamente interdisciplinarios, que traen biólogos, robotistas, materiales científicos e ingenieros de todos los sabores. Hablando con biomimética investigadores, no es raro encontrar personas con múltiples grados en campos aparentemente no relacionados, como ingenieros que ahora estudian la polilla alas o hacer trabajo de campo en América del Sur.

McNulty, por ejemplo, trabajó en metalurgia y materiales. ciencia previamente. Su interés en la biomimética proviene en gran medida de un Fuerte interés en la sostenibilidad.

“La naturaleza usa elegantemente un pequeño subconjunto de materiales en el tabla periódica de elementos y de hecho es capaz de fabricar materiales con temperatura ambiente ”, dice ella.

En otras palabras, sin la capacidad de alterar drásticamente el temperatura o química de su entorno como lo hacen los humanos, los organismos crecen, consumen y se reproducen utilizando los recursos y condiciones que tienen disponibles. Por el contrario, la fabricación humana en Las naciones industrializadas a menudo dependen de altas temperaturas, uso ineficiente del agua y materiales que son difíciles de extraer o reciclar (como los elementos de tierras raras esenciales para electrónica). Sin embargo, sin la capacidad de alterar drásticamente el temperatura o química de su entorno como lo hacen los humanos, los organismos crecen, consumen y se reproducen utilizando los recursos que tener disponible.

Eso no necesariamente significa que la “naturaleza” (poco definida) tiene la mejores o más eficientes formas de hacer las cosas o que la biomimética es la única forma de mejorar cosas como la extracción de recursos y Ingenieria. Más bien, podemos analizar los éxitos conocidos de evolución y utilizarlos como modelo para mejorar la práctica actual. Es un tema que surgió una y otra vez durante el Exploración inspirada en la naturaleza para el taller aeroespacial.

“Una cosa que realmente me atrae de la biomimética es que la sostenibilidad está integrada en el núcleo “, dice McNulty. Ese incluye eliminar o minimizar los residuos no reciclables. Después de todo, muy pocos productos de desecho de organismos no pueden ser utilizados por algún otro organismo. “Realmente espero que al aprovechar la biomimética en un sistema nivel, también puede obtener un sistema más sostenible de materiales de desde la cuna hasta la tumba, en cuyo caso la “tumba” realmente no existe nunca más.”

The axolotl, a salamander capable of regenerating lost limbs, was entre las criaturas expuestas en un Museo Americano de Natural  History exhibit on extremophiles in recent years.Agrandar / El axolotl, una salamandra capaz de regenerar extremidades perdidas, era among the creatures on display at an American Museum of NaturalExposición de historia sobre extremófilos en los últimos años. AMNH

Vida extrema, ingeniería extrema

La eficiencia en el uso de los recursos es más que una opción de diseño ecológico para la exploración espacial: es una necesidad absoluta. Cualquier material que no se puede reciclar o reutilizar es un desperdicio de espacio y masa; los recursos desperdiciados o los productos finales peligrosos pueden ser peligrosos o fatal para los astronautas. Las posibles misiones tripuladas de Marte están en muchos las mentes de los investigadores de biomimética por ese motivo.

Incluso un viaje a Marte de corta duración se mide en meses. Thecuanto más larga sea la estadía, más difíciles serán los problemas de vivir allí volverse.

Para pensar en esos problemas, los investigadores de biomimética buscan “Extremófilos”, organismos que viven en las condiciones más duras Tierra (según los estándares humanos, al menos). Marte es un simultáneo ambiente frío, seco, químicamente hostil y de alta radiación. Como un resultado, muchos investigadores de biomimética orientados al espacio observan cómo las plantas del desierto extraen y purifican el agua para su uso, como los hongos prosperar en entornos de alta radiación, cómo las proteínas permiten a los insectos doblar grandes estructuras como alas dentro de pequeñas pupas durante metamorfosis, y mucho más. En palabras de Terry Pratchett, “La vida vive en todas partes que la vida puede. Donde la vida no puede, esto lleva un poco más.”

Claudia Rivera de la Universidad Nacional Autónoma de México habló en la conferencia sobre el “genio del lugar”, o cómo Los organismos se adaptan a las condiciones específicas de un lugar. Su ejemplo fue el desierto de Atacama de Chile, que es un rico y ecosistema complicado a pesar de estar a gran altura y la desierto más seco fuera de la Antártida. (El Atacama puede no tener recibió cualquier precipitación medible entre 1570 y 1971; incluso hoy, la lluvia acumulada se mide en milímetros). Científicos estimar que el desierto pudo haber sido árido durante 3 millones de años o más, lo que significa que la vida ha tenido mucho tiempo para adaptarse a sus condiciones.

Otras lecturas

Las bacterias chilenas extremófilas prosperan en condiciones similares a las de Marte

Rivera citó llareta, una planta de Atacama que tolera extrema falta de humedad, vientos fuertes (tanto fríos como calientes) e intenso Brillo Solar. Desde afuera, la llareta se parece mucho a una roca cubierta de musgo o una estera plana de musgo; adentro, es una densa maraña de ramas. Esta estructura minimiza la resistencia al viento, pero también bloquea la humedad y limita la evaporación. Llareta también produce resinas para ayudar a planta resistir la congelación.

Dado que los suelos de Atacama están llenos de sal y alcalinos químicos, el agua disponible es tóxica para muchos organismos (incluidos los humanos). Además, esa agua a menudo está en forma de un número relativamente pequeño de moléculas que se adhieren al suelo partículas, en lugar de los suelos más saturados de lugares más húmedos. Las plantas del desierto extraen sales del suelo y las excretan en su hojas, o filtran químicos que de otra forma serían tóxicos a ellos

Sin embargo, las plantas aún extraen lo suficiente para vivir. Poner Otra forma: cuando el agua es escasa, los organismos no pueden permitirse metafóricamente alzar la nariz ante cosas que son difíciles de conseguir o sabe mal.

Como han demostrado varias sondas robóticas, el agua debajo de la superficie Marte es abundante, especialmente en latitudes altas. Sin embargo, es generalmente congelado y mezclado con sales de perclorato, sulfatos y otras sustancias químicas desagradables para los exploradores humanos, tanto como el agua en el El desierto de Atacama es tóxico y difícil de obtener.

Ya sea bebiéndolo, usándolo para cultivar alimentos o procesándolo en un componente de combustible para regresar a la Tierra (un claro posibilidad, ya que transportar suficiente combustible extra para llegar a casa ser muy caro), es obvio que los humanos necesitarán usar Marte agua, no importa cuán tóxico sea.

Otros organismos extremos también podrían ayudar a mostrar el camino. Muchos Las especies de bacterias tienen membranas que permiten el agua pero rechazan químicos tóxicos. Las plantas como el loto sagrado tienen hojas impermeables al agua, que les permiten separar el agua de suciedad usando solo la gravedad. Como Andrew Trunek de la NASA dijo en su conferencia, todo lo que los astronautas en Marte deben hacer para llegar agua, los organismos han evolucionado para hacerlo sin usar una energía nuclear planta. Si podemos aprender a hacer lo mismo, los humanos tendremos mucho tiempo más fácil en el planeta rojo.

Estaciones espaciales autoensamblables

Ekblaw del MIT identifica dos enfoques principales para la biomimética investigación: impulsada por problemas, que a menudo atrae a los ingenieros, y impulsado por la curiosidad, que es un atractivo para los científicos puros.

“Estoy principalmente motivado por problemas porque soy aeroespacial investigador de estructuras que busca un sistema escalable, de baja energía y eficiente forma de ensamblar arquitectura en entornos de gravedad cero “, ella dice. “El modelo actual de la Estación Espacial Internacional es muy complicado, muy costoso en energía, [y] muy arriesgado en términos de La vida humana para ensamblar. �Cómo podemos mirar a la naturaleza por un patrón de autoensamblaje: una forma elegante, más simple y eficiente de traer piezas �juntos?”

Ekblaw visualiza un módulo de estación espacial que se ensambla como un Rompecabezas tridimensional. Las instrucciones de montaje son todas codificado como parte de las piezas del rompecabezas, en lugar de requerir robótica o intervención humana para armar el módulo. Los organismos hacen esto truco de autoensamblaje en múltiples niveles: las proteínas forman redes; las amebas coloniales se agrupan en un agregado similar a una babosa que se arrastra Las hormigas colectivamente hacen un puente a través de los huecos. La Asamblea no necesita inteligencia, solo químicos o eléctricos simples comunicación entre sus componentes.

Autoensamblaje de ingeniería en el que se miden las dimensiones en centímetros o metros es más desafiante. Eso es porque hay son potencialmente muchas más configuraciones posibles para que las piezas reunirse. (Como señala Ekblaw, si es lo más deseable configuración desde un punto de vista energético son las piezas que yacen en esquinas opuestas, tienes un problema).

“¿Cómo puedes incorporar elementos de esa lógica final en cada unidad individual para que se unan de manera eficiente? Ekblaw dice. “La forma en que hago eso en mi sistema es a través de imanes, la geometría del biselado, [y] algunas otras propuestas “. este último incluye “polarización” o el uso de un soplador de aire u otro mecanismo para ayudar a guiar las piezas una hacia la otra.

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