Bionika w wojsku i... robotuńczyk. To dzieje się na naszych oczach!
Bionika, modyfikowanie pogody dla celów militarnych, drony atakujące w rojach, militarne aspekty odczytywania ludzkich myśli, czy też nieustający konflikt w cyberprzestrzeni to tylko wybrane zagadnienia przedstawione w mającej premierę książce pułkownika Marka Wrzoska – Wojny Przyszłości.
Specjalnie dla czytelników portalu niezalezna.pl publikujemy fragment książki „Wojny przyszłości” autorstwa pułkownika Marka Wrzoska:
Bionika, czyli jak wojsko kopiuje naturę:
Bionika to z naukowego punktu widzenia – interdyscyplinarna dziedzina badająca budowę i zasady działania organizmów żywych i podejmująca próby adaptowania rozwiązań występujących w naturze do projektów technicznych. Dokładne badanie i kopiowanie rozwiązań z żywych form jest bardzo obiecujące w praktycznym działaniu ludzi. W wielu badaniach wyniki dowodzą, że rozwiązania, jakie są w przyrodzie, można wykorzystać w projektowanych urządzeniach. Przykłady patentów z obszaru biomimetyki opracowanych przez naukowców wykorzystujących rozwiązania występujące w naturze są bardzo skuteczne. Na przykład w budowie kadłubów łodzi wykorzystuje się rozwiązania znajdujące się w skórze delfinów. Gruczoły skórne delfina wydzielają śluz zmniejszający opór środowiska i umożliwiający im osiąganie bardzo dużych prędkości. Z kolei ultradźwięki w naturze emitowane przez niektóre ssaki (np. nietoperze i delfiny) wykorzystywane są przez nie do echolokacji.
Natomiast wykorzystanie ultradźwięków skopiowano w medycynie. Stąd ultrasonografia – popularne badanie USG, a więc narządów wewnętrznych za pomocą fal ultradźwiękowych. Metoda diagnostyczna jest oparta właśnie na zjawisku echa ultradźwiękowego. Sygnały dźwiękowe uzyskane tą metodą mogą być przedstawione na ekranie oscyloskopowym w postaci impulsów, ale bardzo często w praktyce są obrazowane w postaci widoku badanego narządu. W obszarze informatyki badania biomimetyczne znalazły zastosowanie w cybernetyce, w budowie sztucznych neuronów czy sztucznych sieci, ale także w miniaturyzacji krzemowych podzespołów na wzór naturalnych neuronów.
Pszczoły budują plastry z wosku wydzielanego przez gruczoły umieszczone na spodzie ich odwłoków. Konstrukcja plastra miodu często budzi podziw – dzięki zastosowaniu sześciokątnych komórek pszczoły budują bowiem swoją konstrukcję z minimalnej ilości wosku. Ponadto struktura plastra jest lekka, a przy tym także mocna i trwała. Plaster miodu umożliwia pszczołom najlepsze wykorzystanie całej powierzchni i zmagazynowanie jak największych zapasów miodu. Dlatego obecnie naukowcy kopiują strukturę plastra miodu, żeby budować wytrzymałe konstrukcje, które pomagają efektywnie wykorzystywać przestrzeń. Na przykład w przemyśle lotniczym stosuje się panele typu „plaster miodu”, dzięki którym samoloty są nie tylko mocniejsze, ale też lżejsze,przez co zużywają mniej paliwa. W budownictwie „plastry miodu” stanowiły inspirację pokrycia dachu, który ze względu na specyficzną budowę chroni przed deszczem, słońcem i śniegiem, jednocześnie wyzwalając np. procesy chłodzenia budynku.
Bioniczne konstrukcje przydenne wzorowane są na stawonogach. Podwozie kroczące znacząco zwiększa zużycie energii ograniczając zasięg, jednak zapewnia dużą stabilność i manewrowość, przez co takie konstrukcje są projektowane, m.in. do zastosowań militarnych. Projekty biomimetyczne najczęściej inspirowane są budową ryb, gdyż dzięki temu możliwe jest uzyskanie niewielkiego promienia skrętu pojazdu (zmiana kierunku na przeciwny praktycznie w miejscu), a także krótszego czasu przyspieszenia i zwalniania. Odpowiednia budowa kadłuba (modułowo-skrętna lub w formie elastycznej spirali) oraz właściwe umiejscowienie podzespołów pokładowych (np. elementy duże objętościowo umieszcza się w przedniej części pojazdu, tak aby nie powodowały uszkodzenia poszycia) umożliwiają techniczną imitację ruchu.
Jest to również stymulant dla rozwoju napędu wzorowanego na budowie tkanki mięśniowej, wykorzystującego elastomery dielektryczne (np. polimery silikonowe lub akrylowe). Ich zasada działania przypomina kondensator, z tym że w wypadku sztucznych mięśni dielektryk kurczy się w kierunku pola elektrycznego i rozszerza w płaszczyźnie do niego prostopadłej. Materiały elektrostrykcyjne uzyskują duże wartości odkształceń, co umożliwia sprawne przemieszczanie się w różnych cieczach, nie tylko pod wodą.
Interesująca jest również koncepcja pojazdu przemieszczającego się dzięki odpowiednim sekwencjom zmiany kształtu, wzorowana na parzydełkowcach, czy też organizmach jednokomórkowych, takich jak ameba. Mimo intensywnych prac nad projektami biomimetycznymi pozostają one na chwilę obecną w fazie prototypowania i w zdecydowanej większości mają charakter naukowo-badawczy, a tym samym nie wykazują potencjału biznesowego. Na przykład od wielu już lat człowiek próbuje skopiować sposób poruszania się tuńczyka, jednego z najdoskonalszych pływaków, jacy poruszają się w morskich głębinach. Celem jest stworzenie dla armii i innych służb mundurowych wielozadaniowego robota zdolnego do pracy w różnych cieczach.
Jednym z przykładów kopiowania tuńczyka do rozwiązań technicznych jest projekt Departamentu Bezpieczeństwa Wewnętrznego USA, który od kilku lat finansuje rozwój niecodziennego biomimetycznego robota podwodnego BioSwimmer . Rozmieszczone na całej długości urządzenia syntetyczne muskuły, stworzone z elektroaktywnych polimerów, mają powodować określone przemieszczenia mechanicznego kręgosłupa i kręgów, co z kolei powoduje poruszanie się ogona i płetw. I to właśnie ten rodzaj ruchu ma być sposobem napędu robotuńczyka.
Dodatkowym celem działania zespołu było stworzenie rozwiązań technicznych, które w przyszłości mogłyby zaowocować powstaniem superefektywnych, rybokształtnych okrętów podwodnych armii amerykańskiej. Jednak w krótszej perspektywie amerykańska marynarka wojenna zamierza doprowadzić do opracowania niewielkiego zwiadowczego robota podwodnego o dużym zasięgu. Robot będzie dostosowany do prowadzenia długotrwałych misji, w jego modułowym przedziale transportowym można będzie umieszczać różnego rodzaju sensory, kamery czy czujniki radioaktywności. W rezultacie prowadzonych badań do tej pory powstały dwa prototypy podwodnego robota nazwanego GhostSwimmer, a wzorowanego na robotuńczyku. Ciekawostką jest fakt, że w połowie lat 90. minionego wieku, a więc na początku projektu, elektronika potrzebna do wprawiania urządzenia w ruch była wielkości małego samochodu, a robotuńczyk napędzany był silnikami prądu stałego połączonymi kablami z zewnętrznym źródłem zasilania na brzegu basenu. Dwie dekady później bloki elektroniki zajmowały przestrzeń nie większą od kubka na herbatę, a system napędowy bazował na sztucznych mięśniach. W pierwszym z prototypów GhostSwimmera konstruktorzy skoncentrowali się na napędzaniu maszyny za pomocą ruchu ogona, a w drugim – przez poruszanie płetwami o odpowiedniej wielkości i kształcie. Mechaniczne płetwy mają różne kształty i wielkości, w tym wykończone w półokrągłe ząbki, co znacznie poprawia sterowność robota i możliwości jego kontrolowania.
Opracowano także pływającego robota, przeznaczonego do poruszania się nie tylko w wodzie, ale także w innych cieczach, jak na przykład ropie naftowej czy oleju. Taki robot może być przydatny do inspekcji tankowców czy zbiorników, może być zastosowany także w celu poszukiwania kontrabandy. Zakłada się, że urządzenie może być używane w środowisku zanieczyszczonym czy wręcz toksycznym.
BioSwimmer, podobnie jak GhostSwimmer, ma torpedowaty kształt z księżycowo wciętą płetwą ogonową, przypominający tuńczyka błękitnopłetwego. Tego rodzaju budowa pozwala na optymalne poruszanie się w wodzie zarówno z dużą, jak i bardzo małą prędkością, co było i jest piętą achillesową klasycznych bezzałogowych pojazdów podwodnych. Kształt tuńczyka jest też idealnie dobrany, jeśli chodzi o penetrowanie trudno dostępnych miejsc pod wodą, szczególnie elementów konstrukcji mechanicznych statków, jak też zbiorników balastowych, skrzyń kingstonowych (poboru wody) oraz elementów steru czy śrub. Co więcej, robotuńczyk może też służyć do patrolowania portów, przestrzeni pod pirsami, wykonywania misji poszukiwawczych i rozpoznawczych, jak też ochronnych. BioSwimmer zasilany jest z baterii akumulatorów i podobnie jak inne podwodne środki bezzałogowe ma na pokładzie komputer odpowiedzialny za nawigację, komunikację i gromadzenie danych z sensorów. Może działać w trybie autonomicznym lub być sterowany za pomocą laptopa ze specjalnym interfejsem użytkownika. W Polsce prace koncepcyjne nad podobnymi rozwiązaniami biometrycznych pojazdów podwodnych prowadzone są między innymi w Instytucie Elektrotechniki i Automatyki Okrętowej (Akademia Morska w Szczecinie). Również naukowcy w mundurach z Akademii Marynarki Wojennej (AMW), Politechniki Krakowskiej, Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów (PIAP) oraz Przedsiębiorstwa Badawczo-Produkcyjnego Forkos pracują nad stworzeniem zwiadowczego robota poruszającego się jak ryba. Ma on się przemieszczać dzięki ruchowi tułowia (projekt CyberRyba) sterowanego za pomocą autonomicznego algorytmu. Zakładanymi do uzyskania danymi będą m.in. możliwość rejestracji parametrów wybranych pól fizycznych i innych danych za pomocą np. sonaru lub kamery wideo, poruszanie się po zaprogramowanej trasie czy omijanie przeszkód.
Operacje w Iraku i Afganistanie sprawiły, że część programów wojskowych skoncentrowała się na wymaganiach związanych z realizacją operacji w jaskiniach, dżungli i terenie zurbanizowanym. A więc w specyficznym środowisku walki, w którym wymagane są zdolności do szybkiego działania, w tym szczególnie niewielkie wymiary i masa urządzenia oraz uniwersalność jego zastosowania. Dodatkowe wymagania operacyjne zakładały także zapewnienie skrytości działania oraz właściwe kierowanie urządzeniem i przekazywanie danych poprzez sensory umieszczone na przygotowanej platformie.
Przykładem zastosowania biomimetyki w armii jest urządzenie wykonane na podobieństwo kolibra. Robotoptak przeznaczony jest do pracy zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obiektów. Wykonany projekt ma bardzo zbliżone do oryginału zdolności wykonywania manewrów ruchu dzięki wykorzystaniu trzepoczących skrzydeł napędowych i systemowi dokładnego sterowania wysokością lotu.
Innym przykładem jest opracowanie urządzenia, które wyglądem przypomina ważkę i lata dzięki zastosowaniu ruchomych skrzydełek. Interesującym zjawiskiem jest, że sztuczna ważka posiada zdolności lotu przewyższające możliwości manewrowe posiadane przez śmigłowce, szybowce czy samoloty razem wzięte. Sztuczny obiekt może wykonywać wszystkie rodzaje manewrów powietrznych, bowiem został wyposażony w systemy zapewniające mu aktywną kontrolę natężenia i częstotliwość ruchu skrzydeł. Ponadto skrzydła uruchamiają się w różnych położeniach względem kadłuba. Komputer pokładowy „ważki” nadzoruje ciąg i moc przekazywaną dla każdego z czterech skrzydeł w sposób niezależny.
Jednym z najbardziej znanych przykładów zastosowania koncepcji technologii biomimetycznej jest amerykańskie urządzenie naśladujące ruchy ciała czworonoga. Wzorowany na psie, mule czy ośle „zwierz” umożliwia pokonywanie trudnego terenu oraz przenoszenie ciężkich ładunków. Jest to więc idealny środek transportu zaopatrzenia, podążający w ślad za żołnierzami na polu walki. Urządzenie może działać autonomicznie, podążać za właścicielem lub tylko reagować na jego polecenia głosowe. Pokładowy układ sterowania nadzoruje cały system lokomocji, działania czujników i wyważenie (w tym ciśnienie w układzie hydraulicznym, temperaturę oleju, stan silnika i system ładowania akumulatora). Robot przemieszcza się z wykorzystaniem układu hydraulicznego działającego na cztery nogi. Układ ruchu zapewnia dodatkowo pochłanianie wstrząsów i odnawianie zasobów energii w każdym kroku.
Głównym założeniem programów autonomicznych systemów wykonywanych w technologii biomimetycznej jest opracowanie bardziej uniwersalnych, skutecznych i skrytych w działaniu urządzeń wykorzystywanych na polu walki (i nie tylko). Powstają one w wyniku „kopiowania” i adaptowania biologicznych rozwiązań istniejących w środowisku zwierząt czy roślin na potrzeby działalności człowieka. (…)
Źródło: niezalezna.pl, Wydawnictwo Fronda
