IJsrobots kunnen de sleutel zijn tot toekomstige ruimteverkenning

“Het was rond zonsopgang op de ijskoude wereld van Enceladus, de zesde grootste maan van Saturnus, toen de ijsrobots begonnen te bewegen. Toen ze hun marsorders van een half miljard kilometer verderop ontvingen, trilden, neuriën en kraken de bevroren rovers bij temperaturen van honderden graden onder het vriespunt.

“Dit waren geen robots die simpelweg bedekt waren met een dun laagje ijs, zoals een auto die op een koude winternacht buiten heeft gestaan. In plaats daarvan werden ze bijna uitsluitend uit grote stukken ijs gehouwen; gigantische, bevroren sculpturen die het oppervlak van een van de meest verleidelijke onontgonnen werelden van het zonnestelsel beroerden en aftasten, bezield door de zoektocht naar leven.”

Een dramatische, sciencefictionmanier om een ​​artikel te openen over een nieuw concept voor het bouwen van robots? Heel waarschijnlijk. Maar als onderzoekers van de

GRASP-lab (dat is General Robotics, Automation, Sensing en Perception) aan de Universiteit van Pennsylvania in Philadelphia correct zijn, dit zal misschien niet al te lang sciencefiction blijven.

Heck, het zou vrij snel onder de categorie van gezond verstand kunnen vallen.

Het probleem met Rover

Op afstand bestuurbare rovers worden al tientallen jaren gebruikt als onderdeel van ruimteverkenning. NASA nam Lunar Roving Vehicles op in drie van zijn Apollo-missies, te beginnen met Apollo 15, die in juli 1971 op de maan landde. De Mars Exploration Rover Opportunity was anderhalf decennium in actieve dienst op de rode planeet, van 2004 tot begin 2019.

Maar hoewel dit soort verkenningsrobots robuust zijn gebouwd, zijn er grenzen aan hun overlevingskansen. De Curiosity op autoformaat liep ernstige bandenschade op terwijl hij zich een weg baande over het oppervlak van Mars, bezaaid met scherpe rotsen. “Als er monteurs op Mars waren, zou NASA de Curiosity-rover misschien al naar de winkel hebben gebracht,” meende Space.com.

Ondertussen ging de langlopende Opportunity-missie voorgoed verloren na een intense stofstorm in 2018. Hierdoor werden de zonnepanelen verborgen, waardoor de batterij leeg raakte. NASA hield het nog een jaar vol voordat ze eindelijk toegaf dat de missie had plaatsgevonden vroegtijdig en zonder pardon tot een einde komen. Zijn identieke tweelingbroer, Spirit, werd eerder in 2011 dood verklaard nadat hij vastzat in het zand van Mars.

Dit is een probleem omdat, hoewel de productie van de robots misschien miljoenen kost, ze centraal staan ​​in missies die miljarden dollars kunnen kosten. Als ze schade of technisch pech hebben, of het nu alleen maar beschadigde banden zijn of stof op de zonnepanelen, het betekent dat alle inspanningen tot dan toe – het bouwproces, de raketlancering, de landing – voor zijn niets. Het is alsof u uw nieuwe supercar voorgoed aan de kant van de weg moet achterlaten omdat u een lekke band heeft gehad.

Daarom willen onderzoekers modulaire robots bouwen die zichzelf kunnen repareren of anderszins kunnen uitbreiden in scenario's waarin verzending als vervanging eenvoudigweg niet haalbaar is vanwege de kosten en logistiek perspectief. Ze zouden in theorie zelfs volledige replica's van zichzelf of andere robots kunnen bouwen. Om dit te doen, gebruikten ze lokale materialen, zoals bijvoorbeeld ijs op een ijsmaan.

Voer IceBot in

Dit is waar het IceBot-project van het GRASP Lab in beeld komt. “IceBot is de eerste robot in zijn soort, gemaakt van ijs”, Devin Caroll, hoofdauteur van het project, vertelde Digital Trends. “[In ons nieuwe werk presenteren we] een proof-of-concept, tweewielige robot om de haalbaarheid te tonen van het bouwen van robots uit ijs. Onze bedoeling met deze technologie is om de zelfreparatie-, zelfherconfiguratie- en zelfreplicatiemogelijkheden van verkenningsrobots te bevorderen. Door een robot als deze te maken, zijn we een stap dichter bij een echt zelfreplicerend systeem – een systeem dat materialen uit de lokale omgeving kan gebruiken om zichzelf te repareren, aan te vullen en te repliceren.”

Carroll en medewerker Mark Jaim begonnen hun project met het onderzoeken van manieren om robots te bouwen met behulp van gevonden materialen. Dit zou de robuustheid helpen vergroten van dergelijke systemen die op afgelegen of vijandige locaties werken, door hen in staat te stellen apparatuur die in de lokale omgeving wordt aangetroffen, te recyclen en opnieuw te gebruiken.

"We kozen ervoor om ijs als ons belangrijkste bouwmateriaal te gebruiken vanwege de ontwerpflexibiliteit", vervolgde Carroll. “De interesse in ijzige omgevingen is relatief groot vanwege onderzoek met betrekking tot klimaatverandering en buitenaardse verkenningen. Door ijs als bouwmateriaal te gebruiken, kunnen we de robot in een mum van tijd repareren, waardoor de totale operationele levensduur van het systeem wordt verlengd terwijl het gegevens verzamelt in deze afgelegen en ruige omgevingen.”

Dit hoeft natuurlijk niet zo ver weg te zijn als Enceladus. Het zou ergens dichter bij huis kunnen zijn, zoals Antarctica, waar op afstand bestuurbare robots ook nuttig kunnen zijn voor het doen van onderzoek. In beide gevallen kunnen, wanneer de elementen beginnen te verslijten of af te breken, nieuwe worden gecreëerd ter vervanging, ongeveer op dezelfde manier waarop biologische lichamen kunnen regenereren.

De onderzoekers hebben tot nu toe een proof-of-concept-demorobot gebouwd die in beide perioden kan werken omgevingen bij kamertemperatuur en onder nul, reizen over harde rubberen oppervlakken en ijzig en hellend klimmen opritten. Samen met het ijslichaam maakt het gebruik van een Arduino Micro-microcontroller, Bluetooth-module en een paar andere gefabriceerde componenten.

Nog een lange weg te gaan

Het is echter nog vroeg. Bewijzen dat een robot met een lichaam van ijs kan functioneren is één ding. Maar een groot en zeer moeilijk deel van het project – het autonoom vervaardigen van de ijscomponenten – moet nog worden gedemonstreerd. De onderzoekers overwegen meerdere benaderingen, waaronder 3D-printen, gieten en machinaal bewerken, die elk hun voor- en nadelen hebben.

“Ons directe doel is het ontwerpen van een moduleverbinding waarmee we het assemblageproces kunnen automatiseren”, aldus Carroll. “We zullen automatisering kunnen gebruiken om onze actuatoren met het ijs te verbinden in plaats van de robot met de hand te bouwen. In samenhang hiermee ontwikkelen we een eindeffector om ijsblokken te manipuleren zonder ze permanent te vervormen, zoals zou gebeuren door het gebruik van traditionele bevestigingsmiddelen zoals schroeven.”

Hij vervolgde: “Een interessante ontwerpuitdaging die we met beide richtingen moeten oplossen, is ervoor zorgen dat we dat doen maximaliseer de verbindingssterkte terwijl de hoeveelheid energie die wordt gebruikt om de componenten met het ijs te verbinden, gelijk is geminimaliseerd. In afgelegen omgevingen is energie een waardevol goed. Systemen als IceBot zullen alleen effectief zijn als we bij het ontwerpen rekening houden met het energieverbruik.”

Projecten als deze zullen alleen maar belangrijker worden. In de pionierstraditie: het kunnen gebruiken van nieuwe, lokale materialen voor alles voedsel kweken naar leefgebieden bouwen is een cruciaal onderdeel van het overleven – en bloeien – in de ruimte. Robots die niet tegen enorme kosten van de aarde hoeven te worden verscheept naar waar ze ook heen moeten, is nog een stukje van de puzzel.

Een paper waarin het IceBot-project wordt beschreven, getiteld “Robots gemaakt van ijs: een analyse van productietechnieken”, werd onlangs gepresenteerd op IROS (The International Conference on Intelligent Robotics and Systems) 2020.

Aanbevelingen van de redactie

• Evoluerende, zichzelf replicerende robots zijn er – maar maak je geen zorgen over een opstand
• Kijk hoe SpaceX een noodontsnapping oefent vanuit zijn Crew Dragon-capsule
• Het tijdperk van menselijke verkenning ligt achter ons. Machines zullen het vanaf hier overnemen
• Solar Orbiter stuurt slechts enkele dagen na de lancering de eerste metingen vanuit de ruimte terug
• NASA's nieuwste Deep Space Network-antenne zal lasersignalen van Mars ontvangen