Roboty lodowe mogą być kluczem do przyszłej eksploracji kosmosu

„Było tuż po świcie na lodowatym świecie Enceladusa, szóstym co do wielkości księżycu Saturna, kiedy lodowe roboty zaczęły się poruszać. Otrzymawszy rozkaz wymarszu z odległości pół miliarda mil, zamarznięte łaziki drgały, brzęczały i pękały w temperaturach sięgających setki stopni poniżej punktu zamarzania.

„To nie były roboty, które po prostu pokryły się cienką warstwą lodu, jak samochód pozostawiony na zewnątrz w mroźną zimową noc. Zamiast tego wykuto je prawie wyłącznie z wielkich kawałków lodu; gigantyczne, zamrożone rzeźby, które poruszały się i badały powierzchnię jednego z najbardziej kusząco niezbadanych światów Układu Słonecznego, ożywiane poszukiwaniem życia.

Dramatyczny, science fiction sposób na otwarcie artykułu o nowej koncepcji budowy robotów? Całkiem możliwe. Ale jeśli badacze z Laboratorium GRASP (czyli General Robotics, Automation, Sensing i Perception) na Uniwersytecie Pensylwanii w Filadelfii są prawidłowe, może to nie pozostać dłużej science fiction.

Cholera, wkrótce może to zostać zaliczone do kategorii zdrowego rozsądku.

Problem z Roverem

Zdalnie sterowane łaziki były wykorzystywane w eksploracji kosmosu już od kilkudziesięciu lat. NASA włączyła księżycowe pojazdy wędrowne do trzech swoich misji Apollo, poczynając od Apollo 15, który wylądował na Księżycu w lipcu 1971 roku. Łazik Mars Exploration Rover Opportunity był w czynnej służbie na Czerwonej Planecie przez półtorej dekady, od 2004 r. do początków 2019 r.

Chociaż tego rodzaju roboty badawcze są budowane tak, aby były solidne, ich przeżywalność jest ograniczona. The Ciekawość wielkości samochodu podczas przemierzania powierzchni Marsa, usianej ostrymi skałami, nabawił się poważnych uszkodzeń opon. „Gdyby na Marsie byli mechanicy, NASA mogłaby już zabrać łazik Curiosity do warsztatu” – – ocenił Space.com.

Tymczasem długotrwała misja Opportunity pogrążyła się w ciemności po intensywnej burzy piaskowej w 2018 roku. To zasłoniło panele słoneczne, powodując wyczerpanie się baterii. NASA trzymała się tego przez kolejny rok, zanim w końcu przyznała, że ​​misja tak się stało zakończyć się wcześniej i bezceremonialnie. Jego identyczny bliźniak, Spirit, został wcześniej uznany za zmarłego w 2011 roku po tym, jak utknął w marsjańskim piasku.

Stanowi to problem, ponieważ chociaż wykonanie robotów może kosztować miliony, to znajdują się w centrum misji, które mogą kosztować miliardy dolarów. Jeśli doznają uszkodzeń lub problemów technicznych, niezależnie od tego, czy są to tylko uszkodzone opony, czy kurz na panelach słonecznych, oznacza to, że cały dotychczasowy wysiłek – proces budowy, wystrzelenie rakiety, lądowanie – jest przeznaczony nic. To tak, jakbyś musiał na dobre porzucić swój nowy supersamochód na poboczu drogi, bo złapałeś gumę.

Dlatego badacze chcą budować roboty modułowe, które będą mogły same naprawiać lub w inny sposób ulepszać w scenariuszach, w których wysyłka w zamian jest po prostu niemożliwa ze względu na koszty i logistykę perspektywiczny. Teoretycznie mogliby nawet zbudować całkowicie repliki siebie lub innych robotów. Aby to zrobić, wykorzystaliby lokalne materiały, takie jak, powiedzmy, lód na lodowym księżycu.

Wejdź do IceBota

W tym miejscu pojawia się projekt IceBot GRASP Lab. „IceBot to pierwszy w swoim rodzaju robot wykonany z lodu” Devina Carrolla, główny autor projektu, powiedział Digital Trends. „[W naszej nowej pracy prezentujemy] dwukołowy robot będący weryfikacją koncepcji, który ma pokazać wykonalność budowania robotów z lodu. Naszym zamiarem w przypadku tej technologii jest udoskonalenie możliwości samonaprawy, samorekonfiguracji i samoreplikacji robotów eksploracyjnych. Tworząc takiego robota, jesteśmy o krok bliżej do prawdziwego, samoreplikującego się systemu – takiego, który może wykorzystywać materiały z lokalnego środowiska do naprawy, ulepszania i replikacji”.

Carroll i współpracownik Marka Yima rozpoczęli swój projekt od zbadania sposobów budowania robotów przy użyciu znalezionych materiałów. Pomogłoby to zwiększyć niezawodność takich systemów działających w odległych lub wrogich lokalizacjach, umożliwiając im recykling i ponowne wykorzystanie sprzętu znalezionego w środowisku lokalnym.

„Zdecydowaliśmy się użyć lodu jako głównego materiału budowlanego ze względu na jego elastyczność projektową” – kontynuował Carroll. „Zainteresowanie środowiskami lodowymi jest stosunkowo duże ze względu na badania związane ze zmianami klimatycznymi, a także eksplorację obiektów pozaziemskich. Wykorzystanie lodu jako materiału budowlanego pozwala nam naprawiać robota na bieżąco, wydłużając całkowity okres eksploatacji systemu podczas gromadzenia danych w tak odległych i trudnych warunkach”.

Oczywiście nie musiałoby to być miejsce tak odległe jak Enceladus. Może to być miejsce bliżej domu, na przykład Antarktyda, gdzie zdalnie sterowane roboty mogą być również przydatne do prowadzenia badań. W obu przypadkach, gdy elementy zaczną się zużywać lub rozkładać, można utworzyć nowe w zastępstwie, w podobny sposób, w jaki regenerują się ciała biologiczne.

Naukowcy zbudowali jak dotąd robota demonstracyjnego sprawdzającego koncepcję, który może działać przez pewien czas w obu przypadkach w temperaturach pokojowych i ujemnych, podróżując po twardych gumowych powierzchniach i wspinając się po lodzie, pochyło rampy. Oprócz korpusu lodowego wykorzystuje mikrokontroler Arduino Micro, moduł Bluetooth i kilka innych wyprodukowanych komponentów.

Jeszcze długa droga przed nami

Jednak to wciąż wczesny etap. Udowodnienie, że robot z ciałem wykonanym z lodu może funkcjonować, to jedno. Jednak duża i bardzo trudna część projektu — autonomiczna produkcja komponentów lodowych — nie została jeszcze zademonstrowana. Naukowcy rozważają wiele podejść, w tym druk 3D, formowanie i obróbkę skrawaniem, z których każde ma swoje zalety i wady.

„Naszym bezpośrednim celem jest zaprojektowanie złącza modułów, które pozwoli nam zautomatyzować proces montażu” – powiedział Carroll. „Będziemy mogli wykorzystać automatyzację do łączenia naszych siłowników z lodem, zamiast budować robota ręcznie. W związku z tym opracowujemy efektor końcowy umożliwiający manipulowanie blokami lodu bez ich trwałego odkształcania, co miałoby miejsce w przypadku zastosowania tradycyjnych elementów złącznych, takich jak śruby”.

Kontynuował: „Interesującym wyzwaniem projektowym, które musimy rozwiązać w obu tych kierunkach, jest zapewnienie, że maksymalizować siłę połączenia przy jednoczesnej ilości energii potrzebnej do połączenia elementów z lodem zminimalizowane. W odległych środowiskach energia jest cenionym towarem. Systemy takie jak IceBot będą skuteczne tylko wtedy, gdy podczas ich projektowania uwzględnimy zużycie energii.

Takie projekty będą tylko zyskiwać na znaczeniu. Zgodnie z pionierską tradycją, możliwość wykorzystania nowych, lokalnych materiałów do wszystkiego, od uprawy żywności Do budowanie siedlisk jest kluczową częścią przetrwania — i rozkwitu — w kosmosie. Roboty, których nie trzeba wysyłać ogromnym kosztem z Ziemi tam, gdzie chcą, to kolejny element układanki.

Artykuł opisujący projekt IceBot zatytułowany „Roboty wykonane z lodu: analiza technik produkcyjnych” został niedawno zaprezentowany na IROS (Międzynarodowa Konferencja na temat Inteligentnej Robotyki i Systemów) 2020.

Zalecenia redaktorów

• Ewoluujące, samoreplikujące się roboty już tu są – ale nie martw się powstaniem
• Zobacz, jak SpaceX ćwiczy awaryjną ucieczkę z kapsuły Crew Dragon
• Era ludzkich eksploracji już za nami. Maszyny to stąd zabiorą
• Solar Orbiter przesyła pierwsze pomiary z kosmosu zaledwie kilka dni po wystrzeleniu
• Najnowsza antena NASA Deep Space Network będzie odbierać sygnały laserowe z Marsa