Інженери показали прототип крижаного робота

Американські інженери створили прототип двоколісного робота IceBot, всі основні елементи конструкції якого складаються з водяного льоду. Випробування показали, що робот може пересуватися по горизонтальній твердій поверхні при кімнатній температурі, а при більш низьких температурах (до -17 градусів Цельсія) - рухатися по льоду і навіть долати невеликі підйоми. У роботі, яка була представлена на конференції IROS 2020, розробники відзначають, що їх головна мета - перевірка можливості використовувати лід в якості основного конструкційного матеріалу. У майбутньому його можна використовувати для створення автоматичних систем, здатних до самозбирання, самовстановлення і реконфігурації для роботи в місцях з низькою температурою, де в надлишку присутній водяний лід (наприклад в полярних областях Землі і Марса або на крижаних супутниках Юпітера і Сатурна).

При створенні роботів для вивчення інших планет інженери приділяють особливу увагу їх надійності. Такі роботи повинні витримувати навантаження під час перельоту, а після - працювати в складних умовах на поверхні достатній час, щоб виконати поставлені завдання. Проте, яким би надійним не був апарат, рано чи пізно трапляються поломки і несправності. І якщо ремонт бортової електроніки і механізмів швидше за все вимагатиме заздалегідь виготовлених запасних частин, то пошкодження елементів конструкції, наприклад, коліс ровера, можна було б усувати, виготовляючи необхідні деталі на місці зі знайдених матеріалів. Звичайно, для цього в конструкції робота повинні застосовуватися такі ж матеріали, а робот повинен вміти збирати і ремонтувати сам себе. Крім того, здатність самособиратися з матеріалів, знайдених на місці роботи робота, допомогла б знизити вартість його доставки на іншу планету.

Багато небесних тіл у Сонячній системі, потенційно цікаві для майбутніх дослідницьких місій, наприклад, супутники Сатурна і Юпітера Енцелад і Європа, а також полярні області Марса, містять значні кількості водяного льоду. Девін Керрол (Devin Carrol) і Марк Йім (Mark Yim) з Пенсільванського університету вирішили вивчити можливість використання цього матеріалу в конструкції роботів і побудували з льоду прототип невеликого робота.

Розміри двоколісного IceBot - 14 ″ 20 13 сантиметрів ″, а його вага становить 6,3 кілограмів. Корпус, колеса і бампер, встановлений в передній частині, виготовляються з водяного льоду, а в якості третьої точки опори в передній частині вставлений м'яч для пінг-понгу. Для управління робота використовується мікроконтролер на платі Arduino Micro, яка розміщується зверху на корпусі: команди управління надходять з телефону через Bluetooth модуль.

Як актуаторів інженери використовували два електродвигуни, поміщені в захисні кожухи в крижаному блоці корпусу. Така модульна конструкція дозволяє обмежити танення крижаного корпусу від електричних компонентів, а розташування бортової електроніки зверху, так само як і захисні кожухи на електродвигунах, виключають потрапляння на них води у разі тепловиділення.

Для того, щоб ефективно передати крутячий момент і при цьому уникнути проскальзування осі двигуна в колесі, на кінці осі закріплюється пластикова ступиця, що дозволяє збільшити площу поверхні, що взаємодіє з льодом. Ступиця складається з декількох з'єднаних разом 3D-друкованих зубчастих пластин. Конструкція поміщається всередину колеса, в якому попередньо висувається отвір відповідного діаметра, і який потім заповнюється водою, а після - заморожується. Інші способи виготовлення отворів для впровадження актуаторів у лід, такі як вплив нагрітим стрижнем і плавлення бутановою пальником, під час експериментів призводили до утворення значної кількості гарячої води і небажаної деформації крижаної деталі, тому були визнані менш ефективними.

Експерименти показали, що під час руху робота при кімнатній температурі через деякий час між ним і поверхнею утворюється тонкий шар води, який зменшує зчеплення. Колеса робота починають просковзувати, і його рухливість знижується. Тимчасово цю проблему можна вирішити, збільшуючи вагу прототипу. При температурі нижче нуля (випробування проходили при -17 градусів Цельсія) робот може впевнено рухатися рівною крижаною поверхнею і долати підйоми до 1,5 градусів. При великих значеннях кутів колеса починають ковзати: при підйомі від трьох градусів і вище робот не може самостійно рухатися вгору схилом.

Основною проблемою при створенні прототипу крижаного бота, за словами розробників, була складність роботи з льодом при кімнатній температурі, так як кожні 15 хвилин їм доводилося повертати матеріал назад в морозильну установку, інакше він деформувався, що позначалося на його подальшій стабільності. Перепади температур негативно впливали на сполуки крижаних елементів, в яких утворювалися тріщини. Однак ці проблеми вирішуються проведенням всіх робіт при низьких температурах. Крім того, при зниженні навколишнього температури зростає коефіцієнт тертя льоду, що покращує можливості робота при підйомах.

За словами авторів, це тільки перший крок на шляху до створення системи, що працює при низьких температурах і здатної до самозбирання і автоматичного ремонту. Надалі інженери планують розробити автоматизований метод складання робота, на основі сполучних модулів, які інтегруються в блоки льоду і не вимагають дротових сполук, а для нарізання крижаних модулів планується використовувати нагрітий дріт. Всі операції при цьому повинні виконуватися при мінімальних витратах енергії, так як її запаси під час реальних місій на інших планетах будуть обмежені.

Інженери продовжують експериментувати і вдосконалювати конструкції роверів для вивчення інших планет. Так, наприклад, нещодавно вони створили прототип колісного планетохода-трансформера DuAxel, передня частина якого з двома колесами здатна відокремлюватися від основного апарату і пересуватися самостійно, досліджуючи ділянки з важким ландшафтом і залишаючись при цьому поєднаною з базою тільки за допомогою кабелю.