Інженери представили мобільну роботизовану платформу, де експериментально довели можливість використання льоду як матеріалу для конструкційних елементів роботів. У статті розглядаються різні способи їхнього виготовлення, а також концепція робота, здатного до самостійної реконфігурації, самовідтворення і самовідновлення. Роботу вчені представили на конференції з інтелектуальних роботів і систем IROS.
GRASP Lab
Навіщо роботам лід?
Інженерам вдалося вирішити проблему із живленням роботів, використовуючи у системах сонячну енергію, однак проблеми можуть виникнути не тільки з ємністю акумулятора, а й з самою конструкцією робота. На жаль, часта заміна модулів, наприклад, коліс, підвищує вартість роботів та їх обслуговування і робить їх менш придатними для складних умов. Використання знайдених на місці роботи матеріалів — один із засобів зниження транспортних витрат: наприклад, для крокуючого робота розробили систему відновлення деяких модулів зі знайдених у лісі паличок. За словами вчених, теоретично при правильному наборі ресурсівроботи зможуть відновлювати себе до нескінченності. Інженери з Пенсильванії зупинилися на кризі через її пластичність, а також поширеність у цікавих для вчених середовищах - це і Антарктида, і Північний полюс, і супутники Енцелад та Європа, і полярні крижані шапки Марса. Так, звісно з льоду неможливо виготовляти виконавчі механізми, батареї або іншу електроніку і крига не буде таким же ефективним конструкційним матеріалом, як титан або вуглеволокно. Однак лід є унікальним матеріалом завдяки своїй поширеності та здатніості для модифікації — тепло можна використовувати для різання, ліплення, а також приклеювання до себе криги.
Devin Carroll / YouTube
Якого робота створили вчені?
Свого робота вчені назвали IceBot — це випробуваний двоколісний робот-всюдихід, вагою 6,3 кілограма, конструкційні елементи якого зроблені з льоду. Робот схожий на марсохід і розроблявся на основі роботів для дослідження Антарктики. Його інженери зібрали вручну і у своїй роботі продемонстрували, що він може рухатися і одразу не танути навіть за кімнатної температури. У змодельованих арктичних умовах IceBot подорожував крижаною поверхнею і без сторонньої допомоги піднімався крижаними схилами до 0,026 радіана. У більш холодних умовах, нижче мінус 17 градусів Цельсію, вчені очікують на збільшення максимального куту підйому, оскільки коефіцієнт тертя льоду збільшуватиметься. Передбачається, що робот буде працювати у повністю крижаному середовищі, де температура навколишнього середовища достатньо низька, щоб лід залишався стабільним, і також достатньою, щоб тепло, що виділяється роботом, не призводило до танення.
Прототип IceBot. Devin Carroll et al. / 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)
Що пропонують IceBot робити з льодом?
Для самостійної заміни деталей є два можливих сценарії: розривається стик або виходить з ладу ціла конструкція. У разі розриву стику робот зніме його і замінить іншим, а якщо конструкція не працює, IceBot сформує нове тіло з льоду, у яке помістить рухомі частини, його «суглоби». Для самореконфігураціі робот витягуватиме старі «суглоби» і переміщатиме їх у нове положення навколо тіла, утворюючи новий набір функцій. Робот сам створюватиме крижинки потрібної форми та вставлятиме їх у блоки з’єднання, а теплові елементи дадуть змогу видаляти або переставляти блоки повторно заморожуючи або «зварюючи» лід. Актуатори робота доповнені надрукованими на 3D-принтері модулями, які збільшують площу поверхні, що стикається з льодом, щоб створити міцне і довговічне з'єднання між частинами. Між формуванням льоду «руками», 3D-друком і обробкою з ЧПУ виявилося, що просте різання льоду свердлом є найбільш ефективним методом, який вимагає найменших витрат енергії і залежить від відношення кінцевого розміру частини до обсягу видаленого матеріалу. Вирізання отвору в модулі для приводу було найбільш ефективним методом створення простору для приводу.
Робота протягом тривалого часу робить заготовки непридатними для використання, а різниця температур робить «приварені» деталі схильними до руйнування. Однак, за словами вчених, обидві проблеми можна вирішити, використовуючи більші заготовки або працюючи в достатньо холодних умовах. Проблему з ковзанням вчені подолали додавши додаткову вагу на колеса. Втім, вони наголошують, що це дуже попередня робота і вони лише продемонстрували працездатність їхньої концепції.