Isroboter kan være nøkkelen til fremtidig romutforskning

"Det var rett rundt daggry på den iskalde verdenen til Enceladus, den sjette største månen til Saturn, da isrobotene begynte å røre på seg. De frosne rovere mottok sine marsjerordre fra en halv milliard miles unna, rykket og nynnet og sprakk i temperaturer hundrevis av grader under frysepunktet.

"Dette var ikke roboter som bare hadde blitt dekket av et tynt lag med is, som en bil som har blitt utelatt en kald vinternatt. I stedet ble de hugget nesten utelukkende ut av store isbiter; gigantiske, frosne skulpturer som beveget og undersøkte overflaten til en av solsystemets mest fristende uutforskede verdener, animert av søken etter liv."

En dramatisk, science fiction-måte å åpne en artikkel om et nytt konsept for å bygge roboter? Ganske mulig. Men hvis forskere fra GRASP Lab (det er General Robotics, Automation, Sensing og Perception) ved University of Pennsylvania i Philadelphia er korrekte, dette kan ikke forbli science fiction for mye lenger.

Pokker, det kan ganske snart falle inn under kategorien sunn fornuft.

Problemet med Rover

Fjernstyrte rovere har blitt brukt som en del av romutforskningen i flere tiår. NASA inkluderte Lunar Roving Vehicles i tre av sine Apollo-oppdrag, og startet med Apollo 15, som landet på månen i juli 1971. Mars Exploration Rover Opportunity var i aktiv tjeneste på den røde planeten i et og et halvt tiår, fra 2004 til tidlig i 2019.

Men selv om denne typen utforskende roboter er bygget for å være robuste, er det en grense for deres overlevelsesevne. De Curiosity i bilstørrelse plukket opp noen alvorlige dekkskader mens han tok seg over overflaten på mars, pepret som den er med skarpe steiner. "Hvis det var mekanikere på Mars, kan NASA ha tatt Curiosity-roveren inn i butikken nå," mente Space.com.

I mellomtiden ble det langvarige Opportunity-oppdraget mørkt for godt etter en intens støvstorm i 2018. Dette tilslørte solcellepanelene og lot den gå tom for batteri. NASA holdt fast i et år til før de til slutt innrømmet at oppdraget hadde komme til en tidlig, uhøytidelig slutt. Dens identiske tvilling, Spirit, ble tidligere erklært død i 2011 etter å ha blitt sittende fast i sanden fra mars.

Dette er et problem fordi selv om robotene kan koste millioner å lage, er de i sentrum av oppdrag som kan koste i milliarder av dollar. Hvis de lider skade eller teknisk ulykke, uansett om det bare er ødelagte dekk eller støv på solcellepanelene, det betyr at all innsatsen frem til da - byggeprosessen, rakettoppskytingen, landingen - er for intet. Det er som å måtte forlate den nye superbilen for godt ved siden av veien fordi du har fått en flat.

Det er derfor forskere ønsker å bygge modulære roboter som kan reparere eller på annen måte forsterke seg selv i scenarier der frakt i en erstatning rett og slett ikke er mulig fra kostnad og logistikk perspektiv. De kunne til og med i teorien bygge kopier av seg selv eller andre roboter helt. For å gjøre dette, ville de bruke lokale materialer - som for eksempel is på en ismåne.

Gå inn i IceBot

Det er her GRASP Labs IceBot-prosjekt kommer inn i bildet. "IceBot er en første i sitt slag robot laget av is," Devin Carroll, hovedforfatter på prosjektet, fortalte Digital Trends. "[I vårt nye arbeid presenterer vi] en proof-of-concept, tohjulet robot for å vise muligheten for å bygge roboter fra is. Vår hensikt med denne teknologien er å fremme evnen til selvreparasjon, selvrekonfigurering og selvreplikering til leteroboter. Ved å lage en robot som denne er vi ett skritt nærmere et ekte selvreplikerende system – et som kan bruke materialer fra lokalmiljøet til å reparere, forsterke og replikere seg selv.»

Carroll og samarbeidspartner Mark Yim startet prosjektet sitt med å utforske måter å bygge roboter ved å bruke funnet materiale. Dette vil bidra til å utvide robustheten til slike systemer som opererer på fjerne eller fiendtlige steder ved å la dem resirkulere og gjenbruke utstyr som ble funnet i lokalmiljøet.

"Vi valgte å bruke is som vårt primære byggemateriale på grunn av dens designfleksibilitet," fortsatte Carroll. «Interessen for isete miljøer er relativt høy på grunn av forskning knyttet til klimaendringer, samt utenomjordisk leting. Ved å bruke is som byggemateriale kan vi reparere roboten i farten, og forlenge den totale levetiden til systemet ettersom det samler inn data i disse avsidesliggende og tøffe miljøene.»

Dette trenger ikke å være et sted så langt som Enceladus, selvfølgelig. Det kan være et sted nærmere hjemmet, som Antarktis, hvor fjernstyrte roboter også kan være nyttige for å utføre forskning. I begge tilfeller, når elementene begynner å slites bort eller brytes ned, kan nye opprettes som erstatninger, omtrent på samme måte som biologiske kropper kan regenerere.

Forskerne har så langt bygget en proof-of-concept demorobot som er i stand til å operere i perioder i begge miljøer med romtemperatur og minusgrader, reiser over harde gummioverflater og klatrer isete, skråstilte ramper. Sammen med iskroppen bruker den en Arduino Micro-mikrokontroller, Bluetooth-modul og noen få andre produserte komponenter.

Fortsatt en lang vei å gå

Det er fortsatt tidlige dager, men. Å bevise at en robot med en kropp laget av is kan fungere er én ting. Men en stor, og veldig vanskelig, del av prosjektet - å produsere iskomponentene autonomt - har ennå ikke blitt demonstrert. Forskerne vurderer flere tilnærminger, inkludert 3D-utskrift, støping og maskinering, som hver har sine fordeler og ulemper.

"Vårt umiddelbare mål er å designe en modulskjøt som vil tillate oss å automatisere monteringsprosessen," sa Carroll. "Vi vil kunne bruke automatisering til å slå sammen aktuatorene våre med isen i stedet for å bygge roboten for hånd. I forbindelse med dette utvikler vi en endeeffektor for å manipulere isblokker uten å deformere dem permanent, slik som ville skje ved bruk av tradisjonelle festemidler som skruer.»

Han fortsatte: «En interessant designutfordring vi må løse med begge disse retningene er å sikre at vi maksimere tilkoblingsstyrken mens mengden energi som brukes til å forbinde komponentene med isen minimeres. I avsidesliggende miljøer er energi en verdsatt vare. Systemer som IceBot vil bare være effektive hvis vi tar hensyn til energibruk når vi designer dem.»

Prosjekter som dette kommer bare til å bli viktigere. I pionertradisjonen å kunne utnytte nye, lokale materialer til alt fra dyrking av mat til bygningshabitater er en avgjørende del av å overleve – og trives – i verdensrommet. Roboter som ikke trenger å sendes, med store kostnader, fra jorden til hvor enn de skal, er en bit av puslespillet.

En artikkel som beskriver IceBot-prosjektet, med tittelen "Roboter laget av is: en analyse av produksjonsteknikker" ble nylig presentert på IROS (The International Conference on Intelligent Robotics and Systems) 2020.

Redaktørenes anbefalinger

• Utviklende, selvreplikerende roboter er her - men ikke bekymre deg for et opprør
• Se SpaceX øve på en nødflukt fra Crew Dragon-kapselen
• Tiden for menneskelig utforskning ligger bak oss. Maskiner vil ta det herfra
• Solar Orbiter sender tilbake første målinger fra verdensrommet bare dager etter oppskyting
• NASAs nyeste Deep Space Network-antenne vil motta lasersignaler fra Mars