Βιομιμητική (biomimicry): Tεχνολογίες αιχμής με πρότυπα πέντε έντομα

του Τιμ Γουώλας

 

© Cosmos Μagazine - Tim Wallace : Visionary biomimicry - Five insects inspiring cutting-edge technology, 11.7.2017

Ο κλάδος της βιομιμητικής αντλεί διδάγματα από τη φύση για τη βελτίωση της τεχνολογίας. Ιδού πέντε καινοτομίες βασισμένες στα μάτια των εντόμων και τις περίπλοκες λειτουργίες τους.

 

Η βιομιμητική ερευνά για έξυπνους τρόπους προκειμένου να λύσει δύσκολα προβλήματα. Τι νόημα έχει να προσπαθεί κανείς να ανακαλύψει ή εφεύρει εκ του μηδενός εντελώς νέες λύσεις για προβλήματα μέχρι τώρα άλυτα με τα μέσα του ανθρώπου, ενώ μπορεί να παρατηρήσει πώς κάποια ζωντανά πλάσματα τα έχουν ήδη λύσει, χρησιμοποιώντας όργανα και διαδικασίες που δημιουργήθηκαν και εκλεπτύνθηκαν μέσα σε εκατομμύρια χρόνια φυσικής εξέλιξης; 

Ένας τομέας στον οποίο η βιομιμητική αποδίδει συναρπαστικά αποτελέσματα είναι το πεδίο της οπτικής τεχνολογίας και της μηχανικής όρασης. Μέχρι τώρα, για τις συνήθεις κάμερες και την τεχνολογία τους, αλλά και γενικά για τον τρόπο που μελετούμε την λειτουργία της όρασης, έχουμε αντλήσει γνώσεις κυρίως από το οπτικό σύστημα του ανθρώπου· ωστόσο, η νεότατη έρευνα στις τεχνολογίες αιχμής στρέφεται προς τα έντομα για να ανακαλύψει νέα έξυπνα συστήματα για ποικίλα ζητήματα, από την αντίληψη του βάθους οπτικού πεδίου μέχρι την ανάλυση των χρωμάτων υψηλής ακρίβειας. 

Ιδού πέντε από τις πιο συναρπαστικές περιπτώσεις που ανοίγουν νέες προοπτικές.

 

1. Μέλισσες: Αντίληψη των χρωμάτων υψηλής ακρίβειας και τεχνολογία μηχανών σταθερής και κινούμενης εικόνας

To πρόσωπο θηλυκής μέλισσας του είδους Colletes inaequalis

© USGS Native Bee Inventory and Monitoring Laboratory

Η μέλισσα έχει τρία επιπλέον μάτια στην κορυφή του κεφαλιού της. Παλαιότερα πιστεύαμε ότι αυτά τα μάτια, γνωστά ως ocelli, είναι υποβοηθητικά για την πτήση της μέλισσας. Όμως μια έρευνα Αυστραλών επιστημόνων απέδειξε πως αυτά τα βοηθητικά μάτια παίζουν βασικό ρόλο για να μπορεί η μέλισσα να διακρίνει με υψηλή ακρίβεια τα διαφορετικά χρώματα, πράγμα που είναι πολύ σημαντικό για την προσπάθεια της να εντοπίζει σωστά πιθανές πηγές τροφής. Τα ocelli υπολογίζουν τις συνεχείς αλλαγές στις συνθήκες φωτισμού περιβάλλοντος. 

Οι ερευνητές «χαρτογράφησαν» τον τρόπο με τον οποίο τα ocelli τροφοδοτούν με πληροφορία τις περιοχές του εγκεφάλου της μέλισσας που είναι επιφορτισμένες με την επεξεργασία της χρωματικής πληροφορίας. Εκεί η πληροφορία που έρχεται από τα ocelli συνδυάζεται με τις πληροφορίες από τα δύο κύρια σύνθετα μάτια του εντόμου. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν μια «μαθηματική λύση βιολογικά επικυρωμένη», η οποία μπορεί «να εφαρμοστεί εύκολα σε τεχνητά συστήματα». Η ανακάλυψη αυτή, που αφορά τη σταθερότητα στην διάκριση των χρωμάτων, μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα απεικόνισης σταθερής και κινούμενης εικόνας για να καταστήσει δυνατή την αναπαραγωγή των χρωμάτων με μεγάλη ακρίβεια. 

 

2. Αράχνες - άλτες: Εκτίμηση των αποστάσεων

 

Αράχνη - άλτης  © VCG / Getty

Οι αράχνες-άλτες είναι δάσκαλοι στην εκτίμηση των αποστάσεων· είναι δεξιότητα απαραίτητη για την επιβίωσή τους, γιατί από αυτό εξαρτάται άν θα έχουν επιτυχία στη σύλληψη του θηράματός τους με ένα πήδημα. Όμως, ο τρόπος με τον οποίο εκτιμούν τις αποστάσεις ίσως είναι μοναδικός στο ζωικό βασίλειο. Οι άνθρωποι, λόγου χάρη, χρησιμοποιούν την στερεοσκοπική τους όραση [τα δύο μάτια] και ο εγκέφαλός τους επεξεργάζεται πληροφορία από δύο οπτικές γωνίες για να εκτιμήσει αποστάσεις. Άλλα ζώα κουνούν τα κεφάλια τους δεξιά-αριστερά για να κάνουν χρήση του αποτελέσματος αυτής της πράξης, το οποίο ονομάζεται παράλλαξη της κίνησης. Η αράχνη-άλτης έχει μια ικανότητα εντελώς διαφορετική, την οποία ονόμασαν «απο-εστίαση της εικόνας» οι Ιάπωνες επιστήμονες που την ανακάλυψαν.

Έχει ένα ξεχωριστό είδος αμφιβληστροειδούς χιτώνα, ο οποίος αποτελείται από τέσσερα στρώματα υποδοχής του φωτός κλιμακωτά τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο, σε καθένα από τα οποία εστιάζει φως διαφορετικού μήκους κύματος. Τα δύο κορυφαία στρώματα είναι ευαίσθητα στο υπεριώδες φως και τα δύο βαθύτερα στρώματα στο πράσινο φως. Όμως το πράσινο φως εστιάζει μόνον στο βαθύτερο από τα δύο αυτά στρώματα· οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η αράχνη «μετρά» την πληροφορία για το βάθος της εικόνας από το πόσο είναι απο-εστιασμένο («φλουταρισμένο») το είδωλο που σχηματίζεται στο άλλο «πράσινο» στρώμα (αυτό που δεν εστιάζει). Αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρότυπο σε νέες τεχνολογίες όρασης μέσω υπολογιστών και σε ρομποτικά συστήματα.

 

3. Μύγες: Μεγάλο οπτικό πεδίο

Το κεφάλι της μύγας Calliphora vicina - © USGS Bee Inventory and Monitoring Lab

Οι μύγες, όπως και τα περισσότερα άλλα έντομα και μερικά θαλάσσια πλάσματα, αντισταθμίζουν την περιορισμένη ισχύ του εγκεφάλου τους με σύνθετους υποδοχείς αισθητηριακών ερεθσμάτων. Τα σύνθετα μάτια τους αποτελούνται από εκατοντάδες οπτικές μονάδες, γνωστές ως ομματίδια. 

Η κυρτή εξαγωνική δομή παρέχει ένα οπτικό πεδίο σχεδόν 360 μοιρών· αυτή η ικανότητα που ενέπνευσε τους ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας (Pennsylvania State University) το 2014 να δημιουργήσουν οπτικούς αισθητήρες και μικροσκοπικές συσκευές εκπομπής φωτός ικανές να διασκορπίζουν το φως πιο ομοιόμορφα. Χρησιμοποιώντας υγρούς κρυστάλλους, οι επιστήμονες του Penn State το 2015 δημιούργησαν σύνθετους φακούς με διαφορετικά εστιακά μήκη [η απόσταση από το κέντρο ενός κυρτού ή κοίλου φακού και την εστία του] ικανούς να δημιουργούν σύνολα εικόνων· είναι μια ιδιότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τρισδιάστατη απεικόνιση. 

 

4. Νυχτοπεταλούδες: Πώς να μην αντανακλάται το φώς

Τα μάτια της νυχτοπεταλούδας αντανακλούν ελάχιστο από το φως που πέφτει πάνω τους 

© Future Publishing / Getty

Τα μάτια της νυχτοπεταλούδας καλύπτονται με μια επίστρωση που τους επιτρέπει να βλέπουν τη νύχτα και επιπλέον έχει υδατοαπωθητικές ιδιότητες· η ουσία αυτή μετατρέπει τα μάτια τους σε μια από της λιγότερο ανακλαστικές επιφάνειες που υπάρχει στη φύση. Είναι μια εξελικτική προσαρμογή πολύ χρήσιμη στο ζώο, εκτός των άλλων και επειδή κάνει την πεταλούδα ελάχιστα ορατή στους θηρευτές της όταν αυτή είναι ενεργή, δηλ. κατά τις νυχτερινές ώρες [επειδή το φώς δεν ανακλάται, δεν «λάμπουν» τα μάτια της στο σκοτάδι]. Η νανοδομή αυτής της αντιανακλαστικής επίστρωσης ενέπνευσε Ιάπωνες ερευνητές να την «αντιγράψουν» σε μια μεμβράνη την οποία χρησιμοποίησαν ως κάλυψη φωτοβολταϊκών ηλιακών στοιχείων· έτσι βελτίωσαν τον βαθμό απόδοσης των φωτοβολταϊκών, μειώνοντας της ποσότητα της ακτινοβολίας που αντανακλάται και δεν συλλαμβάνεται.

Μια ομάδα επιστημόνων στις ΗΠΑ και την Ταϊβάν επέκτειναν την ιδέα και ανέπτυξαν μια νέα κατασκευαστική τεχνική [νανοτεχνολογίας σωματιδίων] με χρήση αυτοσυναρμολογούμενων νανοσφαιρών, για να δημιουργήσουν αντιανακλαστικές μεμβράνες για smartphones και tablets, πράγμα που βοηθά να διαβάζονται ευκολότερα οι οθόνες υπό έντονο ηλιακό φως. Οι επιστήμονες αναφέρουν ότι αυτή η επικάλυψη κατ' απομίμηση της νυχτοπεταλούδας μειώνει την αντανάκλαση της επιφάνειας σε μόλις 0,23 %, ποσό ελάχσιτο σε σύγκριση με το 4,4% που αντανακλά η οθόνη ενός συνηθισμένου iPhone.
  

5. Λιβελούλλες ή «αεροπλανάκια»: Οπτικός εντοπισμός και παρακολούθηση κινούμενου στόχου

Tα ιριδίζοντα χρώματα του ματιού της λιβελλούλας - © Dustin Iskandar

Ανάμεσα στις ικανότητες που θεωρούμε δεδομένο ότι κατέχουμε είναι ο εντοπισμός και παρακολούθηση μικρών αντικειμένων που κινούνται μέσα σε περίπλοκο οπτικό φόντο· ωστόσο αυτές ακριβώς θέτουν τεράστιες προκλήσεις στους μηχανικούς της ρομποτικής. Ο άνθρωπος το επιτυγχάνει με την ισχύ του νευρικού του συστήματος. Οι λιβελλούλες [τα γνωστά όμορφα «αεροπλανάκια» ή «στούκας» ή «κουνουποφάγοι» με τα έντονα μεταλλικά χρώματα], μαζί με άλλα ιπτάμενα έντομα, το καταφέρνουν μολονότι έχουν εγκέφαλο με μέγεθος κόκκου ρυζιού.
Μια ομάδα μηχανικών και νευροεπιστημόνων στο αυστραλιανό Πανεπιστήμιο της Aδελαΐδας εμπνεύσθηκε από την επιδεξιότητα εν πτήσει των λιβελλούλων, οι οποίες είναι ικανές να κυνηγούν και να συλλαμβάνουν τη λεία τους - συνήθως κουνούπια - στον αέρα, ενώ πετούν με ταχύτητες έως και 60 χιλιόμετρα ανά ώρα, και μάλιστα με ποσοστό επιτυχίας πάνω από 97 %. Οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο που προσομοιώνει το σύστημα οπτικής παρακολούθησης κινητού στόχου του εντόμου. Το σύστημά του, της «ενεργού όρασης», λειτουργεί ιδιόμορφα: δεν προσπαθεί να κρατήσει τον κινητό στόχο «κλειδωμένο» στο κέντρο του οπτικού πεδίου της λιβελλούλας. Αντίθετα, «κλειδώνει» στο φόντο της εικόνας και αφήνει τον στόχο να κινείται σε σχέση με το φόντο. Το αποτέλεσμα: Μια απόδοση τόσο καλή όσο οι υπερσύγχρονοι ανώτατου επιπέδου αλγόριθμοι εντοπισμού στόχων, όμως αυτός «τρέχει» έως και 20 φορές ταχύτερα, ανοίγοντας το δρόμο για εφαρμογές που θα χρησιμοποιούν σχετικά απλούς επεξεργαστές σε αυτόνομα ρομπότ εμπνευσμένα από βιολογικά συστήματα.

 

[Ευχαριστούμε τους φίλους της πρωτοβουλίας πολιτών Ochrid SOS για την επισήμανση του άρθρου]

Ο Tim Wallace γράφει για επιστημονικά θέματα στο Cosmos Μagazine και στις γνωστές αμερικανικές εφημερίδες.

 

Ralf Fücks: Η πράσινη επανάσταση. Οικολογικός οπισθοδρομισμός ή οικολογική ανανέωση;

Alyssa Battistoni: Μητρόπολη της φύσης: Αρχιτεκτονική για το μέλλον, πόλεις και κτίρια που ζούν και αναπνέουν σαν οικοσυστήματα