Isrobotar kan vara nyckeln till framtida rymdutforskning

"Det var precis vid gryningen i den kyliga världen Enceladus, Saturnus sjätte största måne, när isrobotarna började röra på sig. När de fick sina marschorder på en halv miljard mils avstånd, ryckte de frusna roversna och nynnade och sprack i temperaturer hundratals grader under fryspunkten.

"Det här var inte robotar som bara hade täckts av ett tunt lager av is, som en bil som har lämnats ute en kall vinternatt. Istället höggs de nästan uteslutande av stora isbitar; gigantiska, frusna skulpturer som rörde och sonderade ytan på en av solsystemets mest frestande outforskade världar, animerade av sökandet efter liv."

Ett dramatiskt science fiction-sätt att öppna en artikel om ett nytt koncept för att bygga robotar? Ganska möjligt. Men om forskare från GRASP Lab (det är General Robotics, Automation, Sensing och Perception) vid University of Pennsylvania i Philadelphia är korrekta, detta kanske inte förblir science fiction för mycket längre.

Heck, det kan ganska snart falla under kategorin sunt förnuft.

Problemet med Rover

Fjärrstyrda rovers har använts som en del av rymdutforskning som går tillbaka årtionden. NASA inkluderade Lunar Roving Vehicles i tre av sina Apollo-uppdrag, som började med Apollo 15, som landade på månen i juli 1971. Mars Exploration Rover Opportunity var i aktiv tjänst på den röda planeten i ett och ett halvt decennium, från 2004 till början av 2019.

Men även om den här typen av utforskande robotar är byggda för att vara robusta, finns det en gräns för deras överlevnadsförmåga. De Curiosity i bilstorlek plockade upp några allvarliga däckskador medan han tog sig över marsytan, pepprad som den är med vassa stenar. "Om det fanns mekaniker på Mars, kan NASA ha tagit med Curiosity-rovern in i butiken vid det här laget." ansåg Space.com.

Samtidigt blev det långvariga Opportunity-uppdraget mörkt för gott efter en intensiv dammstorm 2018. Detta skymde dess solpaneler, vilket gjorde att den fick slut på batteri. NASA höll fast i ytterligare ett år innan de slutligen erkände uppdraget komma till ett tidigt, ceremoniellt slut. Dess enäggstvilling, Spirit, dödförklarades tidigare 2011 efter att ha fastnat i sanden på mars.

Detta är ett problem eftersom robotarna kan kosta miljoner att göra, men de är i centrum för uppdrag som kan kosta i miljarder dollar. Om de drabbas av skada eller teknisk olycka, oavsett om det bara är skadade däck eller damm på solpanelerna, det betyder att all ansträngning fram till dess - byggprocessen, raketuppskjutningen, landningen - är till för noll. Det är som att behöva överge din nya superbil för gott vid sidan av vägen för att du har drabbats av en platt.

Det är därför forskare vill bygga modulära robotar som kan reparera eller på annat sätt utöka sig själva i scenarier där frakt i en ersättning helt enkelt inte är genomförbar utifrån en kostnad och logistik perspektiv. De skulle till och med i teorin kunna bygga kopior av sig själva eller andra robotar helt och hållet. För att göra detta skulle de använda lokala material - som, säg, is på en ismåne.

Gå in i IceBot

Det är här GRASP Labs IceBot-projekt kommer in i bilden. "IceBot är en första robot i sitt slag gjord av is," Devin Carroll, huvudförfattare på projektet, berättade för Digital Trends. "[I vårt nya arbete presenterar vi] en proof-of-concept, tvåhjulig robot för att visa möjligheten att bygga robotar från is. Vår avsikt med den här tekniken är att förbättra möjligheterna till självreparation, självomkonfigurering och självreplikering hos utforskningsrobotar. Genom att göra en sådan här robot är vi ett steg närmare ett verkligt självreplikerande system – ett som kan använda material från den lokala miljön för att reparera, förstärka och replikera sig självt.”

Carroll och samarbetspartner Mark Yim började sitt projekt med att utforska sätt att bygga robotar med hjälp av hittat material. Detta skulle hjälpa till att utöka robustheten hos sådana system som arbetar på avlägsna eller fientliga platser genom att tillåta dem att återvinna och återanvända utrustning som hittades i den lokala miljön.

"Vi valde att använda is som vårt primära byggmaterial på grund av dess designflexibilitet," fortsatte Carroll. – Intresset för isiga miljöer är relativt stort på grund av forskning kring klimatförändringar samt utomjordisk prospektering. Genom att använda is som byggmaterial kan vi reparera roboten i farten, vilket förlänger systemets totala livslängd eftersom det samlar in data i dessa avlägsna och tuffa miljöer.”

Det här behöver naturligtvis inte vara så långt borta som Enceladus. Det kan vara någonstans närmare hemmet, som Antarktis, där fjärrstyrda robotar också kan vara användbara för att bedriva forskning. I båda fallen, när elementen börjar slitas eller bryts ner, kan nya skapas som ersättningar, ungefär på samma sätt som biologiska kroppar kan regenerera.

Forskarna har hittills byggt en proof-of-concept demorobot som kan fungera under perioder i både rumstemperatur och minusgrader, färdas över hårda gummiytor och klättrar isiga, lutande ramper. Tillsammans med iskroppen använder den en Arduino Micro-mikrokontroller, Bluetooth-modul och några andra tillverkade komponenter.

Ännu en lång väg att gå

Men det är fortfarande tidiga dagar. Att bevisa att en robot med en kropp gjord av is kan fungera är en sak. Men en stor och mycket svår del av projektet - att tillverka iskomponenterna autonomt - har ännu inte demonstrerats. Forskarna överväger flera tillvägagångssätt, inklusive 3D-utskrift, gjutning och bearbetning, som var och en har sina för- och nackdelar.

"Vårt omedelbara mål är att designa en modulskarv som gör att vi kan automatisera monteringsprocessen," sa Carroll. "Vi kommer att kunna använda automation för att förena våra ställdon med isen snarare än att bygga roboten för hand. I samband med detta utvecklar vi en sluteffektor för att manipulera isblock utan att permanent deformera dem, vilket skulle hända genom att använda traditionella fästelement som skruvar."

Han fortsatte: "En intressant designutmaning vi måste lösa med båda dessa riktningar är att se till att vi maximera anslutningsstyrkan medan mängden energi som används för att förena komponenterna med isen är minimerad. I avlägsna miljöer är energi en uppskattad vara. System som IceBot kommer bara att vara effektiva om vi tar hänsyn till energianvändning när vi designar dem.”

Sådana här projekt kommer bara att bli viktigare. I pionjärtraditionen att kunna utnyttja nya, lokala material till allt från odla mat till bygga livsmiljöer är en avgörande del av att överleva - och frodas - i rymden. Robotar som inte behöver fraktas, till stora kostnader, från jorden till vart de än behöver åka är ytterligare en pusselbit.

En artikel som beskriver IceBot-projektet, med titeln "Robotar gjorda av is: en analys av tillverkningstekniker”, presenterades nyligen på IROS (The International Conference on Intelligent Robotics and Systems) 2020.

Redaktörens rekommendationer

• Utvecklande, självreplikerande robotar är här - men oroa dig inte för ett uppror
• Se SpaceX öva på en nödflykt från sin Crew Dragon-kapsel
• Människans utforskningsålder ligger bakom oss. Maskiner tar det härifrån
• Solar Orbiter skickar tillbaka de första mätningarna från rymden bara dagar efter lanseringen
• NASA: s nyaste Deep Space Network-antenn kommer att ta emot lasersignaler från Mars