Isrobotter kan være nøglen til fremtidig rumudforskning

"Det var lige omkring daggry på Enceladus' kolde verden, Saturns sjettestørste måne, da isrobotterne begyndte at røre på sig. Da de modtog deres marchordrer fra en halv milliard miles væk, rykkede de frosne rovere og summede og revnede i temperaturer hundredvis af grader under frysepunktet.

»Det var ikke robotter, der blot var blevet dækket af et tyndt lag is, som en bil, der er blevet udeladt en kold vinternat. I stedet blev de hugget næsten udelukkende ud af store isstykker; gigantiske, frosne skulpturer, der flyttede og sonderede overfladen af ​​en af ​​solsystemets mest fristende uudforskede verdener, animeret af søgen efter liv."

En dramatisk science fiction-måde at åbne en artikel om et nyt koncept til at bygge robotter? Ganske muligt. Men hvis forskere fra GRASP Lab (det er General Robotics, Automation, Sensing and Perception) ved University of Pennsylvania i Philadelphia er korrekte, dette forbliver muligvis ikke science fiction for meget længere.

For pokker, det kunne ret hurtigt falde ind under kategorien sund fornuft.

Problemet med Rover

Fjernstyrede rovere er blevet brugt som en del af rumudforskning, der går årtier tilbage. NASA inkluderede Lunar Roving Vehicles i tre af sine Apollo-missioner, startende med Apollo 15, som landede på månen i juli 1971. Mars Exploration Rover Opportunity var i aktiv tjeneste på den røde planet i halvandet årti fra 2004 til begyndelsen af ​​2019.

Men selvom denne slags udforskende robotter er bygget til at være robuste, er der en grænse for deres overlevelsesevne. Det Curiosity i bilstørrelse opsamlet nogle alvorlige dækskader, mens han gik hen over Mars-overfladen, krydret som den er med skarpe sten. "Hvis der var mekanikere på Mars, kan NASA have taget Curiosity-roveren ind i butikken nu." mente Space.com.

I mellemtiden blev den langvarige Opportunity-mission mørk for altid efter en intens støvstorm i 2018. Dette tilslørede dens solpaneler og efterlod den til at løbe tør for batteri. NASA holdt fast i endnu et år, før de endelig indrømmede, at missionen havde komme til en tidlig, uhøjtidelig afslutning. Dens identiske tvilling, Spirit, blev tidligere erklæret død i 2011 efter at have siddet fast i marssand.

Dette er et problem, fordi selvom robotterne kan koste millioner at lave, er de i centrum for missioner, der kan koste i milliarder af dollars. Hvis de lider skade eller teknisk ulykke, lige meget om det bare er beskadigede dæk eller støv på solpanelerne, det betyder, at al indsatsen indtil da - byggeprocessen, raketopsendelsen, landingen - er til intet. Det er som at skulle forlade din nye superbil for altid i siden af ​​vejen, fordi du har lidt en flad.

Derfor vil forskere bygge modulære robotter, der kan reparere eller på anden måde forstærke sig selv i scenarier, hvor forsendelse i en erstatning simpelthen ikke er mulig ud fra en omkostning og logistik perspektiv. De kunne endda i teorien bygge kopier af sig selv eller andre robotter helt. For at gøre dette ville de bruge lokale materialer - som fx is på en ismåne.

Indtast IceBot

Det er her, GRASP Labs IceBot-projekt kommer ind i billedet. "IceBot er en første af sin slags robot lavet af is," Devin Carroll, hovedforfatter på projektet, fortalte Digital Trends. "[I vores nye arbejde præsenterer vi] en proof-of-concept, tohjulet robot for at vise gennemførligheden af ​​at bygge robotter fra is. Vores hensigt med denne teknologi er at fremme mulighederne for selvreparation, selvrekonfiguration og selvreplikering af udforskningsrobotter. Ved at lave en robot som denne er vi et skridt tættere på et ægte selvreplikerende system – et der kan bruge materialer fra det lokale miljø til at reparere, forstærke og replikere sig selv.”

Carroll og samarbejdspartner Mark Yim begyndte deres projekt med at udforske måder at bygge robotter på ved hjælp af fundne materialer. Dette ville hjælpe med at udvide robustheden af ​​sådanne systemer, der opererer på fjerne eller fjendtlige steder, ved at give dem mulighed for at genbruge og genbruge udstyr, der blev fundet i det lokale miljø.

"Vi valgte at bruge is som vores primære byggemateriale på grund af dets designfleksibilitet," fortsatte Carroll. "Interessen for iskolde miljøer er relativt høj på grund af forskning i klimaforandringer samt udenjordisk udforskning. Ved at bruge is som byggemateriale kan vi reparere robotten i farten, hvilket forlænger systemets samlede driftslevetid, da det indsamler data i disse fjerntliggende og barske miljøer."

Dette behøver selvfølgelig ikke at være et sted så fjernt som Enceladus. Det kunne være et sted tættere på hjemmet, som Antarktis, hvor fjernstyrede robotter også kan være nyttige til at udføre forskning. I begge tilfælde, når elementerne begynder at slides væk eller nedbrydes, kan nye skabes som erstatninger, meget på samme måde som biologiske legemer kan regenerere.

Forskerne har indtil videre bygget en proof-of-concept demo-robot, der er i stand til at fungere i perioder i både miljøer med rumtemperatur og minusgrader, rejser over hårde gummioverflader og klatrer iskolde, skrånende ramper. Sammen med iskroppen bruger den en Arduino Micro-mikrocontroller, Bluetooth-modul og et par andre fremstillede komponenter.

Stadig lang vej igen

Det er dog stadig tidlige dage. At bevise, at en robot med en krop lavet af is kan fungere, er én ting. Men en stor og meget vanskelig del af projektet - fremstilling af iskomponenterne autonomt - er endnu ikke demonstreret. Forskerne overvejer flere tilgange, herunder 3D-print, støbning og bearbejdning, som hver har sine fordele og ulemper.

"Vores umiddelbare mål er at designe en modulsamling, der vil give os mulighed for at automatisere montageprocessen," sagde Carroll. "Vi vil kunne bruge automatisering til at forbinde vores aktuatorer med isen i stedet for at bygge robotten i hånden. I forbindelse med dette udvikler vi en sluteffektor til at manipulere isblokke uden permanent at deformere dem, som det ville ske ved brug af traditionelle fastgørelseselementer som skruer."

Han fortsatte: "En interessant designudfordring, vi skal løse med begge disse retninger, er at sikre, at vi maksimere forbindelsesstyrken, mens mængden af ​​energi, der bruges til at forbinde komponenterne med isen minimeret. I fjerntliggende miljøer er energi en værdsat råvare. Systemer som IceBot vil kun være effektive, hvis vi overvejer energiforbruget, når vi designer dem."

Sådanne projekter bliver kun vigtigere. I pionertraditionen at kunne udnytte nye, lokale materialer til alt fra dyrkning af mad til bygningshabitater er en afgørende del af at overleve - og trives - i rummet. Robotter, der ikke skal sendes, med store omkostninger, fra Jorden til hvor end de skal hen, er endnu en brik i puslespillet.

Et papir, der beskriver IceBot-projektet, med titlen "Robotter lavet af is: en analyse af fremstillingsteknikker” blev for nylig præsenteret på IROS (The International Conference on Intelligent Robotics and Systems) 2020.

Redaktørens anbefalinger

• Udviklende, selvreplikerende robotter er her - men du skal ikke bekymre dig om et oprør
• Se SpaceX øve sig i en nødflugt fra sin Crew Dragon-kapsel
• Tiden for menneskelig udforskning ligger bag os. Maskiner vil tage det herfra
• Solar Orbiter sender de første målinger tilbage fra rummet få dage efter opsendelsen
• NASAs nyeste Deep Space Network-antenne vil modtage lasersignaler fra Mars