Эта команда роботов на ногах может стать будущим исследования Марса

Если бы вы были мухой на стене концертного зала Rockhal в Люксембурге в сентябре 2022 года, вас встретило бы странное зрелище: не видно ни оркестров, ни ликующих толп, а скорее территория, заполненная 220 тоннами лавы. и рок, когда команды роботов ползают по пыльному полу в поисках ресурсов.

Это был второй и последний раунд конкурса космических ресурсов Европейского космического агентства (ЕКА), в рамках которого исследовательским группам предлагалось привезти свои прототипы роботов и проверить их способности по поиску ресурсов в моделируемой лунной среде. Идея заключалась в том, чтобы найти блестящие идеи для следующего поколения роботов-исследователей космоса, которые могли бы помочь найти и нанести на карту лунные ресурсы, такие как вода, которые необходимы для будущих пилотируемых миссий.

Одной из команд-победителей конкурса стало трио роботов на ногах, которые бегали, карабкались и бродили по арене, работая вместе над картографированием, идентификацией и сбором научных образцов. Хотя эта задача была сосредоточена на Луне, те же принципы могут быть применены к роботам, предназначенным для Марса и других планетных тел — и этот подход может позволить роботам исследовать новые среды, которые никогда раньше не наблюдались.

Чтобы узнать больше, мы поговорили с Хендриком Кольвенбахом из лаборатории робототехнических систем ETH Zurich, группы, создавшей роботов на ногах.

Идея с ножками

Честолюбивые лунные боты создаются не с нуля; они начинаются как коммерчески доступные роботы от компании ANYbotics, которая создает роботов на ногах, подобных роботам от Boston Dynamics. Эти модели в основном используются для промышленных инспекций, но они также могут иметь потенциал для исследования за пределами планеты.

Лаборатория робототехнических систем адаптировала аппаратное и программное обеспечение этих роботов, в том числе добавив роботизированную руку для захвата камней с поверхности Марса и опробовав различные модели походки, чтобы справиться с меняющейся местностью. Версия роботов, использованных в проекте ЕКА, размером примерно со среднюю собаку, была способна нести небольшую полезную нагрузку до 33 фунтов, но Колвенбах сказал, что новые системы способны нести до 110 фунтов.

Этого достаточно, чтобы робот с ногами мог нести научные инструменты, такие как камеры, спектрографы или даже небольшую дрель. Роботы обучаются с использованием обучения с подкреплением, поэтому они учатся передвигаться в сложных условиях с помощью моделирования. Они могут даже научиться использовать три ноги, чтобы стоять, а четвертую конечность — для подталкивания объектов в окружающей среде и манипулирования ими.

Конечная цель таких исследований — создание модульных аппаратных систем. Вместо того, чтобы создавать космонавты для каждой миссии с нуля, будущие миссии могли бы воспользоваться преимуществами разработки робототехнических технологий здесь, на Земле, которые используют базовую конфигурацию, которая может быть адаптирована с помощью различных инструментов и программного обеспечения по мере необходимости.

Колвенбах сравнил это с идеей CubeSats , стандартизированного интерфейса и форм-фактора, который позволяет объединять различную полезную нагрузку, удешевляя разработку для космоса и делая оборудование многоразовым.

Исследование неизведанного

Колесные роботы, такие как марсоходы Curiosity и Perseverance , которые в настоящее время исследуют Марс, отлично подходят для некоторых задач. Они относительно быстро передвигаются по широкой открытой местности и способны преодолевать удивительно большие камни и другие препятствия или преодолевать их. Даже когда их колеса неизбежно повреждаются в результате многолетнего движения по марсианской поверхности, как это случилось с «Кьюриосити» , они все равно могут продолжать движение, пока водители осторожны.

Так зачем же нужны ножные роботы? Все зависит от среды, которую миссии хотят исследовать. И Марс, и Луна имеют поверхности, покрытые, например, пыльным материалом, называемым реголитом, по которому предназначены марсоходы.

Но в обоих местах также есть интригующие подземные области, такие как лавовые трубы, которые представляют собой пещерообразные структуры под поверхностью, созданные в результате давнего прохождения горячей лавы.

Эти лавовые трубы представляют большой научный интерес , а также есть практический интерес в их использовании в качестве убежища для будущих пилотируемых миссий, поскольку астронавты могли бы создавать в них подземные базы и быть защищенными от опасной радиации на поверхности. Но никто точно не знает, на что похожа эта среда, поэтому любой робот, надеющийся исследовать их, должен быть универсальным и способным справляться с неожиданными задачами.

Ногие роботы идеально подходят для такой среды. Они также хорошо подходят для работы на крутых склонах, например, в кратерах. Это удобно для таких областей, как южный полюс Луны, в настоящее время горячей точки исследовательской деятельности, где расположены кратеры, которые постоянно затенены и которые могут содержать жизненно важные ресурсы водяного льда.

Склоны могут быть непростыми. «С колесными роботами у нас всегда возникают проблемы с тягой», — объяснил Колвенбах. «Реголит представляет собой сухой зернистый материал, и во многих случаях марсоходы застревают».

Ногие роботы «в целом более мобильны, но за это приходится платить». На ровных участках без больших проблем колесные роботы более эффективны, и нет необходимости в более сложных роботах на ногах. Чтобы получить широкий обзор большого региона, есть возможность провести съемку с воздуха, как это продемонстрировал вертолет Mars Ingenuity. Но когда дело доходит до непредсказуемой и неструктурированной местности, роботы на ногах «очень маневренны и выносливы», сказал Колвенбах. «В этом заключается уникальная ценность этих роботов».

Работа в команде

Еще один способ решения задач роботизированных исследований — рассмотреть возможности командной работы. Поскольку каждый робот на ногах намного меньше нынешнего марсохода, потребуется несколько из них, чтобы нести ту же полезную нагрузку, что и одноколесный робот. Но это может быть преимуществом, поскольку роботы могут работать индивидуально и в команде.

Для задачи ЕКА лаборатория использовала команду из трехногих роботов, хотя теоретически команда может быть больше или меньше, в зависимости от миссии. Изменяя способ распределения различной полезной нагрузки между членами команды, вы можете создавать специалистов по роботам. Например, один робот может нести инструменты для быстрого картографирования большой территории, а другой — научные инструменты для детального исследования конкретных точек интереса.

Это также дает преимущества резервирования, поскольку наиболее важные функции могут быть разделены между членами команды. Таким образом, если один робот по какой-либо причине выйдет из строя, остальные продолжат работу и возьмут на себя большую часть задач вышедшего из строя робота.

Что касается того, как команда роботов может общаться друг с другом, в сообществе робототехники рассматривается несколько подходов. Один из них — иметь центральную базу, которая координировала бы действия каждого робота. Это было бы идеально для исследования больших открытых территорий, поскольку роботов можно было бы отправлять в разных направлениях для выполнения таких задач, как сбор образцов, которые затем можно было бы вернуть на базу для анализа. Более крупные и тяжелые инструменты могут оставаться в центральном базовом блоке, а курьерами будут выступать роботы.

Другой подход заключается в использовании узлов связи, в которых роботы действуют как ретрансляторы для отправки команд. Это было бы идеально для исследования подземных регионов, где связь может быть ограничена. Роботы могут оставлять цепочку датчиков, напоминающую хлебные крошки , для передачи команд, что позволит им общаться даже в неизвестных средах.

Реальное преимущество этого подхода — гибкость. Какую полезную нагрузку несет каждый робот, сколько роботов входит в состав команды и как структурирована эта команда, — все это регулируется в зависимости от потребностей конкретной миссии или среды.

Добираемся до космоса

Ногие роботы, с которыми работали исследователи, представляют собой коммерческое оборудование, поэтому, хотя они и демонстрируют многообещающие возможности технологии исследования космоса, им еще далеко до того, чтобы стать пригодными для использования в космосе. К аппаратному обеспечению в космической миссии предъявляются строгие требования: от способности выдерживать широкий диапазон температур до выдерживания вибраций и ударов при запуске, до необходимости чрезвычайно высокой надежности, поскольку за пределами Земли нет ремонтных мастерских.

В рамках подготовки команда работает над готовым к космическому полету роботом на ногах под названием Space Hopper . «Это относительно небольшой робот», — сказал Колвенбах. Он весит менее 22 фунтов и использует стандартное космическое оборудование. Это был прагматичный первый шаг, поскольку «переход от исследовательского прототипа к реальному космическому зонду — это большая инженерная работа. Поэтому мы решили сделать что-то небольшое».

Они надеются, что «Хоппер» будет готов к полету для демонстрации технологий в течение следующих нескольких лет, как раз к наращиванию масштабов деятельности космического агентства и коммерческих миссий на Луну. Будем надеяться, что это откроет двери для дальнейшей разработки более крупных и сложных роботов с ногами для исследования новых сред.

Колвенбах описывает будущее использование роботов на ногах как «несложную задачу». Во многих случаях колесный робот по-прежнему имеет смысл для исследования планет, но когда дело доходит до исследования более сложных и интересных с научной точки зрения сред, он видит будущее за роботами на ногах.

«В этом есть очевидная необходимость», — сказал он. «В прошлом мы выполняли множество миссий в относительно ровных и простых условиях на других небесных телах. Но сейчас наблюдается тенденция к более сложным средам, потому что там можно заниматься очень интересной наукой. Со стороны научного сообщества явно существует потребность поехать туда. И роботы на ногах — одна из новых технологий, которая может помочь нам заняться этой наукой».