Intelligent design - i miniatyr
Av Eric Hedin, 10. september 2024. Oversatt herfra.

En fersk forskningspris fra European Research Council støtter studien av noen av verdens minste virveldyr, i håp om å avdekke det som regnes som mysteriet med dyreminiatyrisering. Små virveldyr kan være tusen ganger større enn encelleorganismer, men de okkuperer et område med parameterrom som presenterer unikt fascinerende egenskaper.
Innenfor en enkelt celle er mangfoldet av samvirkende organeller i utgangspunktet store, komplekse molekyler med spesifikke strukturer som lar dem utføre spesielle funksjoner. Interaksjoner fortsetter i retning av biokjemi. I størrelsesskalaen til insekter, edderkopper og små virveldyr, danner flercellede komponenter den fungerende strukturen til den levende organismen. Ved slike miniatyrstørrelses skalaer oppstår formidable ingeniørutfordringer, verdsatt innen mikro-robotika.

Blant utfordrerne for de minste virveldyrene er loppe padder -lenke.
Bare syv millimeter lange, er loppe-padder blant de minste virveldyrene på jorden. Til tross for deres reduserte størrelse, skiller deres organer og funksjoner seg knapt fra dyr tusen ganger større. Mens eksempler på ekstrem miniatyrisering florerer i naturen, er akkurat hvordan disse skapningene blir så små et vitenskapelig mysterium.

Bilde 1. Mini-padde

Alvorlige ingeniørutfordringer
Er det lettere å konstruere en mikro-robot eller en makroskala robot? Fra et teknisk synspunkt introduserer skalaen for mindre størrelse alvorlige utfordringer. (1)
I løpet av de siste årene har feltet med miniatyriserte robot utvidet seg raskt med mange forskningsgrupper som bidrar til de mange utfordringene som ligger i dette feltet .. men til tross for all innsats og mange tilgjengelige myke materialer og innovative teknologier, er ikke en fullstendig autonom system-konstruert miniatyrisert robot (SEMR) av noen praktisk relevans utviklet ennå…. En nøye undersøkelse av nåværende SEMR-er som er fysisk, mekanisk og elektrisk konstruert viser at de kommer til kort på mange måter angående miniatyrisering, fullskala integrasjon og egenforsyning.
Fysikkprinsipper om de mekaniske egenskapene til et system endres betydelig med økende miniatyrisering. å designe et fungerende miniatyrisert system innebærer flere vanskeligheter enn bare å skalere ned den fysiske størrelsen på hver komponent. (2)
"Når systemene blir mindre, endres de relative kreftene som virker på systemet dramatisk, og robotene opplever en økning i friksjon og vedheft. Samtidig blir vekt og treghet gradvis irrelevant. Endringer i væskemekanikk og stokastisk bevegelse utfordrer grunnleggende tekniske forestillinger om hvordan mekaniske elementer beveger seg og samhandler. Disse fysiske effektene danner en avgjørende faktor i utforming og drifing av roboter i liten skala".

Geniale løsninger på miniatyrisering
Små levende skapninger florerer, og demonstrerer geniale løsninger på miniatyrisering som overgår menneskelige teknologiske ferdigheter. En kort liste over utfordringene som ingeniører står overfor i å prøve å gjøre roboter til størrelsen av småskala, er gitt nedenfor, og inkluderer tilstrekkelig kraft, 'intelligens' og sensor-feedback-kontroll mekanismer.(3)

*"En av utfordringene med å designe dyktige SKMR-er [System-Konstruerte Miniatyriserte Roboter] er det begrensede kraftbudsjettet, ettersom eksisterende fremdriftsmetoder krever betydelig kraft, og EnergiLagringsSystemene (ELS) er ekstremt vanskelige å nedskalere i submillimeterområdet."

*"Imidlertid, med miniatyrisering av robotens størrelse, er det også klart at roboter mister evnen til ombord intelligens og blir begrenset i funksjonaliteter."
*"Nåværende SKMR-er har ingen energi ombord og mangler kontinuerlig tilbakemeldingskontrollert sensing, aktivering, databehandling og kommunikasjon."

Bilde 2. Ingeniørspråk er glidd inn i systembiologi

å observere en liten edderkopp som bygde nettet i hjørnet av et vindu i huset mitt, var det som fikk meg til å tenke på det fantastiske designet i miniatyrvesener. Selv om denne lille okkupanten hadde satt opp sin bolig på innsiden av vinduet, lot jeg den være alene av fascinasjon. Jeg måtte se nøye for å se edderkoppen, knapt en millimeter eller to i størrelse. Og likevel hadde den vevd dette lille nettet som strekker seg flere centimeter over hjørnet av vinduskarmen. Til sammenligning vil dette være fom meg å bruke tau til å konstruere en nett på størrelse med en fotballbane.

Denne lille Araknide-krigeren hadde klart å fange byttedyr i nettet (flere av levningene deres kunne sees) og næret antagelig seg selv ved dette. Tenk på mulighetene som er pakket inn i denne bittelille skapningen. Den er mobil og autonom. Den kan se omgivelsene og ta beslutninger basert på det sensoriske innspillet om hvor du skal ta nettet. Den produserer og dispenserer de fineste nettstrengene - ikke tilfeldig, men med en bestemt type design som kan felle andre små byttedyr. Det kan immobilisere byttet sitt og konsumere det på riktig måte. Den metaboliserer maten for å generere tilstrekkelig energi til mobilitet, nettproduksjon og sensorisk prosessering. Og det kan antagelig reprodusere seg multifold (selv om min tålmodighet med dens eksistens i huset mitt ikke kan strekke seg til å dekke denne omstendigheten!).

Bilde 3. En edderkopp gjør bruk av mye avansert kjemi

En avanserende disiplin
Selv om mikro-robotika er en fremadskridende disiplin, har ikke all innsatsen til spesialister på dette feltet kommet i nærheten av å produsere noe med mulighetene til denne ene lille edderkoppen. De minste edderkoppene som ble oppdaget på jorden, måler bare omtrent 0,4 mm på tvers, kanskje femte parten av min lille vindusboer. Pakking av de mange sofistikerte egenskapene til en edderkopp til en så liten pakke snakker om det høyeste nivået av ingeniørdesign.

Referanser på slutten av originalartikkelen.

Eric Hedin -bilde 4.

Eric R. Hedin fikk sin doktorgrad i eksperimentell plasmafysikk fra University of Washington, og gjennomførte post-doktorgradsforskning ved Royal Institute of Technology i Stockholm, Sverige. Han har undervist i fysikk og astronomi ved Taylor University og Ball State University i Indiana, og ved Biola University i Sør -California. Hos Ball State fokuserte hans forskningsinteresser på beregning innen nano-elektronikk og høyere dimensjonal fysikk. Hans BSU -kurs, vitenskapens grenser, vakte nasjonal medieoppmerksomhet. Dr. Hedins nylige bok, Canned Science: What Some Atheists Don't Want You to See, fremhever vitenskapelige bevis som peker på design.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund