Daži no aizraujošākajiem mērķiem kosmosa izpētē ir sasalušas ledus pasaules. Piemēram, ņemiet Jupitera pavadoni Eiropa. Tās siltais, sāļais pazemes okeāns ir aprakts zem mēness platas ledus loksnes. Kāds ir labākais veids, kā to izpētīt?
Varbūt ledus robots varētu spēlēt lomu.
Lai gan pasaules kosmosa aģentūras, īpaši NASA, arvien labāk izstrādā robotus, lai izpētītu tādas vietas kā Marss, šiem robotiem ir ierobežojumi. Varbūt galvenais no šiem ierobežojumiem ir sabrukums. Kad uz Marsa — vai kaut kur vēl tālākā — salūzt roveris, spēle ir beigusies. Nav iespējams salabot kaut ko līdzīgu MSL Curiosity, ja tas sabojājas, pētot Marsa virsmu.
Bet ko tad, ja pasaule, kas tiek pētīta, ir sasalusi un robots ir izgatavots no ledus? Vai ledus roboti varētu veikt pašremontu, pat ierobežotā veidā? Vai tiešām tos tur varētu ražot un montēt, kaut vai daļēji?
Nesenā rakstā ar nosaukumu “No ledus izgatavoti roboti: ražošanas metožu analīze” tika pētīta šī iespēja. Referāts tika prezentēts 2020. gada IEEE (Elektrotehnikas un elektronikas inženieru institūta) starptautiskajā konferencē par robotiku un sistēmām. To uzrakstīja Devins Kerols un Marks Jims. Kerols ir doktora grāds. Robotikas students Pensilvānijas Universitātē, un Jims ir tās direktors Grasp Lab un mašīnbūves profesors tajā pašā iestādē.
IceBot šobrīd ir tikai koncepcija, un dažas konstrukcijas daļas ir izgatavotas no ledus. Attēla kredīts: GRASP Lab.
Acīmredzot viss robots nebūtu izgatavots no ledus. Bet daži no struktūras varētu būt. Ideja ir vērsta uz moduļu dizainu, kas varētu pašlabot vai pat pašreplicēties, un to varētu pabeigt in situ pēc izvietošanas, tiklīdz ir labāk izprasti reljefa šķēršļi un detaļas par misijas uzdevumiem.
Abstrakti abi autori raksta: 'Ledus nodrošina lielāku elastību sistēmas projektēšanā, ļaujot projektēt un būvēt robotu struktūru pēc izvietošanas pēc tam, kad uzdevumi un reljefa šķēršļi ir labāk identificēti un analizēti.'
Acīmredzot ar šo potenciālo tehnoloģiju ir daudz problēmu un šķēršļu. Bet tā viņi visi sākas.
Autoru pāris skaidri norāda, ka tas ir sagatavošanās darbs. 'Autori pēta uz struktūru balstītu pieeju, lai pārbaudītu saderīgus ražošanas procesus, liekot uzsvaru uz procesa enerģijas saglabāšanu,' viņi raksta. 'Mobilā robotizētā platforma, kas izgatavota no ledus, tiek prezentēta kā koncepcijas pierādījums un pirmā demonstrācija.'
Ideja ir vērsta uz divriteņu roveri ar nosaukumu Icebot. Icebot ir balstīts uz Antarktikas roveru dizainu, un tam ir no ledus izgatavoti strukturālie elementi.
Savā darbā autoru pāris veica eksperimentus, lai izpētītu visu ideju. Darbs balstījās uz diviem pieņēmumiem:
- Robots darbosies mīnusā temperatūrā, un visi to aprēķini ir balstīti uz gada vidējo temperatūru McMurdo stacijā Antarktīdā.
- Ledus bloki ir viegli pieejami.
Viņu dokumentā ir izklāstīti arī trīs vispārīgi dizaina principi.
- Komponenti jāprojektē, lai pārvaldītu siltumu.
- Visai elektronikai, izpildmehānismiem un strāvas avotiem jābūt izolētiem no kušanas.
- Ideālā metode robota ledus sastāvdaļu veidošanai ir atkarīga no daļas galīgā tilpuma attiecībā pret tilpumu, kas jānoņem no neapstrādātas ledus plāksnes.
Tam visam ir arī vēl viens visaptverošs nosacījums. Robotiem, kas darbojas citās pasaulēs, enerģija ir vērtīga prece. Katrai misijai ir enerģijas budžets, kas tiek rūpīgi pārvaldīts. Ņemiet, piemēram, kosmosa kuģi Voyager. Viņu iespaidīgais ilgmūžība vismaz daļēji ir saistīta ar ārkārtīgi skrupuloza enerģijas izmantošana . Tāpēc enerģijas daudzums, ko ledus robots izmanto, lai ražotu un izveidotu sevi, ir kritisks.
Pētnieki pārbaudīja atklātu liesmu kā metodi, lai ledū izkausētu caurumus, kuros ievietot robota izpildmehānismu. Pa kreisi: butāna lāpu izmanto, lai izkausētu caurumu ledus sagatavē.
Pa labi: karstuma karte (?C) ar butāna lāpu un ledus tukšu. Attēla kredīts: Kerols un Jims, 2020. gads.
Ņemot vērā šos apstākļus, pētnieki nāca klajā ar dažām interesantajām idejām.
Pirmkārt, viss scenārijs, iespējams, ietvertu nevis vienu robotu, bet gan pāri, kas darbotos tandēmā. Viena vienība būtu galvenais izpētes transportlīdzeklis, bet otra būtu kā mātes kuģis, un tai būtu ražošanas un remonta iespējas.
In an intervija ar IEEE Spectrum , Devins Kerols paskaidroja, kā tas varētu izskatīties. 'Kad es domāju par arktisko (vai planētu) izpētes robotu, kurā ir iekļautas pašpārveidošanas vai labošanas iespējas, es iztēlojos sistēmu ar divu veidu robotiem — pirmais pēta vidi un savāc materiālus, kas nepieciešami pašpalielināšanai vai remontam, un otrais ir sava veida manipulators/ražošanas sistēma. Mēs varam iedomāties, ka robota izpētes klase atgriežas centralizētā vietā ar pieprasījumu pēc arkla vai kāda cita papildinājuma, un ražošanas sistēma spēs pievienot papildinājumu tieši robotam.
Tāda pati kārtība derētu arī remontam. Ja pētniekam, piemēram, kādā no ledus detaļām būtu plaisa, mātes kuģis varētu uzlikt ledus pārsēju.
Zinātnieku pāris veica dažus testus, lai konkretizētu savas idejas. Viņi aplūkoja dažādus ledus manipulācijas veidus. Ražošanai viņi aplūkoja formēšanu, kur ledus vispirms tika izkausēts un pēc tam ielejams formēšanai. Viņi arī aplūkoja 3D drukāšanu un apstrādi. Katrai metodei ir savi plusi un mīnusi, un katrai no tām ir atšķirīgas enerģijas prasības.
Viņi arī aplūkoja izpildmehānisma integrāciju. Kā paskaidrots, pašus izpildmehānismus nevar izgatavot no ledus. Izpildmehānismi ir pakļauti dažādiem spriegumiem, ledus to nevar izturēt. Tāpēc izpildmehānismu integrēšana ar detaļām, kas izgatavotas no ledus, ir kritiska darbība.
Viņi eksperimentēja ar četriem dažādiem izpildmehānismu integrēšanas veidiem:
- Mehāniska grebšana ar tādu kā kaltu.
- Cauruma izkausēšana izpildmehānismam ar atklātu liesmu.
- Cauruma izveidošana izpildmehānismam ar apsildāmu metāla stieni.
- Griešana, piemēram, ar caurumu zāģi.
Katrai no metodēm ir savas stiprās un vājās puses. Katram ir arī savas enerģijas prasības. Tālāk esošajā tabulā ir parādīta katrai metodei nepieciešamā enerģija, lai izveidotu izpildmehānisma montāžas kabatu un iesaldētu to vietā.
Tā kā šis ir priekšdarbs, komanda nepanāca nekādus pastāvīgus secinājumus. Taču viņu eksperimenti atklāja dažas nepilnības, kas būs jāpārvar, ja in situ ledus ražošana un remonts kādreiz tiks īstenoti efektīvi.
Viņi atklāja, ka pielikuma virsmas laukums ir ļoti svarīgs panākumiem, kas nav pārsteigums. Īsāk sakot, lielāks savienojuma virsmas laukums ir labāks, un tas palīdz ledus izturēt griezes momenta un citu spēku radīto spriegumu. Arī ledus biezums bija problēma, kas arī nepārsteidz.
Autori savu darbu apkopo darba noslēgumā. 'Šis darbs ir solis ceļā uz vieglu, pielāgojamu robotu sistēmu, kas spēj darboties zem nulles vides. Šī sistēma ir piemērota pašpārkonfigurēšanai, pašreplicēšanai un pašlabošanai, ”raksta viņi.
Pa kreisi: apsildāms stienis, ko izmanto, lai izkausētu caurumu ledus sagatavē.
Pa labi: apsildāmā stieņa un ledus sagataves siltuma karte (?C). Attēla kredīts: Carroll and Yim, 2020.
“Lai virzītos uz automatizētu metožu izstrādi šīs sistēmas izveidei un montāžai, mēs plānojam īstenot kopīgu moduli, ko var viegli
integrēta ar pasīviem ledus blokiem,' viņi raksta. Tas padarītu IceBot sistēmu vienkāršāku un modulārāku.
Viņi arī paskaidroja, kāda ir viņu IceBot koncepcijas nākotne: 'Papildu turpmākais darbs ietver: vispārīgas virsmas klases noteikšanu, uz kuras šī sistēma var pārvietoties, ledus elementu izmantošanas metodes mijiedarbībai ar vidi un turpmāku izpēti par stiprības robežām. savienojumi starp izpildmehānismiem un ledu.
Spectrum IEEE intervijā Kerols arī runāja par to, kas notiks viņu IceBot centieniem, un uzsvēra modularitātes nepieciešamību. 'Mana tūlītēja uzmanība ir pievērsta moduļu savienojuma izveidei, ko mēs varam izmantot, lai viegli un droši savienotu izpildmehānismus ar ledus blokiem, kā arī strādātu pie gala efektora izstrādes, kas ļaus mums manipulēt ar ledus blokiem, tos neatgriezeniski nedeformējot caur skrūvju caurumiem vai citu , līdzīgas savienojuma metodes.
Pirms jebkādas ledus robotikas tehnoloģijas ieviešanas ir jāpaveic daudz darba. Bet tā ir vilinoša attīstība, un Eiropa un Enceladus gaida. Aģentūras, piemēram, NASA, rūpīgi aplūko in situ resursus savām misijām uz Mēnesi un Marsu.
Ledus Saules sistēmā ir izplatīts. Kosmoss ir vēss, un daudzus ķermeņus klāj ledus. Vai nākotnē varētu būt in-situ IceBot?
