מערכות רובוטיות רכות למחקר אוטונומי של מערות ומערנות

הקדמה: האתגר של חקר הסובטריאני

מערות ומערנות מייצגים כמה מהסביבות הקיצוניות והבלתי נגישות ביותר על פני כדור הארץ.מתאים אבן גיריים שנוצרו במשך אלפי שנים צינורות לחווה צרים על כוכבי לכת מרוחקים, חללים תת-קרקעיים אלה מחזיקים בנתונים מדעיים יקרי ערך, החל מהיסטוריה גיאולוגית ורשומות אקלים ועד לראיות של חיים קשים, אך טבעם – חרוט, מוגבל, אפילו לא, ולעתים קרובות שברירי – מענישים על פני רובוטים חדירים, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני האדמה, על פני כדור הארץ, על פני האדמה, ועל פני האדמה, על פני האדמה, ועל פני האדמה, על פני כוכבי הלכת הנוקשות, על פני כוכבי הלכת הנוקשות, על פני האדמה, על פני האדמה, על פני האדמה, ועל פני האדמה, ועל פני האדמה, ועל פני האדמה, ועל פני האדמה, על פני האדמה, ועל פני האדמה, על פני השטח העלולים של רוחות נוקשות, על פני רוחות מתוחכמות של רובוטים נוקשות, על פני השטח של כוכבי הלכת העלולים של כוכבי הלכת העלולים לכדי נוקשות, לכדי נוקשות, לכדי נוקשות, לכדי נוקשות, לכדי נוקשות, לכדי נוקשות, לכדי נוקשות, לכדי נוקשות,

היכנסו מערכות רובוטיות רכות. בהשראת הגמישות של נשקים והיכולת המבורכת של תולעת, רובוטים אלה בנויים מחומרים מתואמת, מעוותים שיכולים לדחוס פערים צרים יותר מאשר הקוטר המנוח שלהם, בהתאם משטחים לא סדירים, ולפעול עם סיכון מינימלי של פגיעה בסביבה או עצמם התקדמות חדשה בחומרים מדעיים, מבוטעים, ושליטה אוטונומית מונעים משיטות טכנולוגיות לכדי כלי מעבדה בלתי-מציאותיים.

מאמר זה מסתמך על עקרונות התכנון, היתרונות התפעוליים, המחקר הנוכחי, והמשך עתידי של מערכות רובוטיות רכות שנבנו עבור חקר המערות והמערות.אנו בודקים כיצד מכונות אלה משכתבות מחדש את כללי הסקר, המיפוי, ו- דגימה בסביבות שנמנעו זמן רב בטכנולוגיה קונבנציונלית.

מה הן מערכות רובוטיות רכה?

מערכות רובוטיות רכות הן מכונות המורכבות בעיקר מחומרים גמישים, מפורשים, אשר מחקים את הציות וההתאמה של אורגניזמים ביולוגיים.בניגוד לרובוטים קשיחים מסורתיים שנבנו ממתפרקי מתכת, הילוכים, מנועים, רובוטים רכים מסתמכים על פולימרים אלסטיים, אלסטוממים, דחוסים או הידראוליים, ללא תאים פועלים, ומשליקים גמישים.

חומרים נפוצים כוללים גומי סיליקון (כגון אקופלקס ו Dragon Skin), קצף פוליאורטן, הידרוג'ל, ובצורת-memory פולימרים. שיטות פעולה משתנות: רוב השימוש באוויר דחוס (שרירים מלאכותיים pneumatic), כבלים מונעים על ידי חניכיים, או פולימרים אלקטרואקטיביים.ההיעדרם נוקשה של מפרקים פירושו פחות נקודות של כשל, זעזועים, ודרגה גבוהה של יכולת הסתגלות מורפולוגית, לאחר מכן, יכול להיות קצר יותר, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, עבור כל טריקו של תאים קלים, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, כדי למנוע קודטר-טר-טר-טר-טר-אוט.

התחום הופיע ברצינות במהלך 2010, מונע על ידי פרויקטים כמו התופסים הרכים של מכון הרווארד ווס ו"Octobot" (הרובוט הרכה הראשון לגמרי אוטונומי) מאז, רובוטיקה רכות התבגרה במהירות, עם יישומים המתפרשים מכשירים רפואיים, חיפוש והצלה, חיפוש עמוק-ים ו - באופן גורף - חקר פלנטרי.

יתרונות מרכזיים של רובוטים רכים לחקר מערות

התכונות הפיזיות הייחודיות של רובוטים רכים מתיישרות כמעט באופן מושלם עם דרישות של סביבות תת-קרקעיות.כאן אנו שוברים את היתרונות העיקריים וכיצד הם מתרגמים להטבות בעולם האמיתי.

גמישות יוצאת דופן ו Maneuverability

עוזרים מסורתיים מסתמכים על גלגלים, מסלולים, או רגליים מרובות מבוטות לנווט.כל אחד דורש רדיוס מינימלי מסתובב, נקה מעל מכשולים, וקרקע רמה. מערות, עם זאת, הם כל דבר מלבד סדיר.זחלות, פינות חדות, סלעים שנפלו, וקווי קטורות תלולים הם סטנדרטיים.רובוטים יכולים לדחוס, ללע, לנגב, לתולעים, דרך מעברים או מעל למכונת מגע נוקשה, אפילו כדי לשמור על פני השטח שלהם.

השפעות סביבתיות מינימליות

מערות רבות מכילות היווצרות עדין - טסטלטים, stalagmites, זרימת אבן ופקדות מינרלים נדירים - אשר לקחו עשרות אלפי שנים כדי ליצור.אפקט מקרי אחד של זרוע מתכת או גלגל יכול לגרום נזק בלתי הפיך. רובוטים רכים עשויים מחומרים תואמים להפעיל כוחות מגע נמוכים ולהפיץ לחץ על שטח גדול יותר.

הלם מוחלט ו Robustness

פולס נפוץ במערות. רובוט נוקשה כי חלחל מעל מדף או על סלעים עשוי לשבור מפרק, סדק את ה- chassis שלו, או להזיק אלקטרוניקה רגישה.רובוטים רכים, לעומת זאת, הם מטבעם הלם-absorbent.גופם האתרי יכול לעמוד בפני טיפות והשפעות שיהרוס רובוט קשה.

4. הסתגלות

רובוטים רכים יכולים להשתמש במגוון של gaits: זחלות כמו תולעי אינץ', מתמוססות כמו נחש, או מתרחב וחוזה כמו פעמונים.הההה רב-ממדית הזאת מאפשרת להם לעבור בין שטחים שונים - סלע מות, ספד, בוץ, בריכות מים - ללא שינוי חומרה.

5.האוטונומיה הבלתי נמנעת

בעוד אוטונומיה אינה בלעדית לרובוטים רכים, הטבע המפונק שלהם שולט בסביבה לא בטוחה.במקום לדרוש אלגוריתם בקרה גבוה ו חישובים להורדת התנגשויות, רובוט רך יכול פשוט לדחוף נגד קירות ומכשולים בבטחה. ציות זה מאפשר אלגוריתמים פשוטים יותר, חזקים יותר שליטה כי הם פחות תלויים בנתונים חיישן מושלם - יתרון גדול במערות בעלות GPS, נמוך יכולת פיקוח, שבו חיישנים כמו חיישנים ומצלמות מאבק.

רובוטי הנדסה Soft Robots for Subterranean Use

עיצוב רובוט רך שדה-דהבול עבור מערות כרוך בשלוש מערכות משנה קריטיות: אקטוציה, חישה ושליטה.כל אחד מציג אתגרים ייחודיים ומסחריים.

המונחים: Pneumatics, Tendons, and Beyond

רוב הרובוטים הרכים הנוכחיים לחיפוש מערות הם מתופעים באופן מפומטי.על ידי הנחת אוויר לתוך או מחוץ לחדרים חתומיים (בדרך כלל מחולקים בגוף מפורש), הרובוט יכול להיות nd, מוארך, או לקצר. פשוט solenoid מסגסוגת על צינורות מהירות דחיסה (או tethered Air Supply) לספק זמן.

חיפוש: לנווט את החושך

מערות מציעות אפס אור טבעי ולעתים קרובות לחות גבוהה, אבק ותנודות טמפרטורה.רובוטים רכים חייבים לשאת חיישנים שיכולים לפעול בתנאים אלה.מצלמות עם תאורה מובנה (למשל, אינפרא אדום או LEDs) הם סטנדרטיים, אבל לידר ונראר משמשים גם עבור רכיבי מיפוי.עבור חללים הדוקים מאוד, חישה רפלקטיבית עור רגיש כי לזהות מגע - מאפשר לעקוב אחר קבוצות ראייה ויזואלית (מכאן) ללא שימוש ישיר על ידי גירויים).

שליטה ואוטונומיה

(הניווט האוטונומי במערות הוא קשה במיוחד.ללא GPS, רובוטים חייבים להסתמך על אלגוריתמים בו-זמנית ומיפוי (SLAM) אשר בונים מפה של הסביבה תוך מעקב אחר עמדתם בתוכה – כל באמצעות נתוני חיישן רועשים.עבור רובוטים רכים, שליטה מורכבת עוד יותר מדינמיקה של גוף לא לינארי; אותו מפקד פעולה עשוי לייצר תנועות שונות בהתאם לצורה של הגוף, כוחות חיצוניים וטמפרטורה עדכנית.

מחקרים: רובוטים רכים במערת אמת וסימדומים

בעוד פריסות בקנה מידה גדול עדיין מוגבלות, כמה פרויקטים בולטים ממחישים את הפוטנציאל של רובוטים רכים בחקר המערות.

Soft-Snake במעבדת ההנעה של נאס"א

בשנת 2019, מהנדסי JPL החלו לפתח נחש רובוטי רך הנקרא:0EELS (Exobiology Extant Life Surveyor) ⁇ FLT:1 למרות עדיין בפיתוח, EELS משתמש רקטות רכות שיכולים להיסגר דרך crevices וטפס על מדרונות icy.העיצוב שלה היה בהשראת הצורך לחקור אוקיאנוסים תת-קרקעיים על Encelus, אבל אותם עקרונות כדי להתאים את גלגל המזלות, כדי להתאים את גלגל המזלות.

הרובוט הרכה של הרווארד לווה Tube Mapping

צוות במכון הוויס של הרווארד בחן רובוט רך מונע בתוך צינור לבה בהוואי.לווה צינורות אנלוגיים פלנטריים עבור מערות מאדים.הרוב עבר בהצלחה חלק 10 מטרים של צינור עם רצפות לא אחידות ועודף, ללכוד 3D מפות באמצעות מצלמות סטריאו וניסוי על לוח IMU.הניסוי הרכה רובוטים יכולים להתמודד עם חד, רעידות אבן דרך של אבני דרך של חיפוש ללא אבני דרך.

ETH קראwler Soft של ציריך עבור מערות מורשת תרבותית

באירופה, חוקרים ב-FLT:0 ETH ציריךFLT:1 פרסמו רובוט זחיל רך בתוך המערות הפרהיסטוריות של אלממירה, ספרד - אתר מפורסם בציורים הפלאוליתיים העדין שלה.ההשפעה הנמוכה של הרובוט אפשרה לו לנוע בתוך ס"מ של הציורים ללא סיכון, ללכוד תמונות רזולוציה גבוהה ונתונים סביבתיים שעזרו לפקח על הערך הנמוך של המיקרוגליבי הזה.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, מערכות רובוטיות רכות לחיפוש מערות ניצבות בפני מכשולים משמעותיים שיש להתגבר עליהם לפני שהן הופכות לכלים סטנדרטיים.

אפשרויות ל Harsh Environment

מערות הן abrasive, רטוב, ולעתים קרובות אגרסיביות מבחינה כימית (למשל, גראנו פיקדונות, מים חומציים) אטומים רכים יכולים לקרוע על סלעים חדים, מתפתל תחת אור UV (למרות ש-UV נעדר במערות, פריסת פני השטח לפני הכניסה תת-קרקעית עשוי להיות בעייתי), וסבל מעייפות מחזורית.

כוח ואנרגיה

רובוטים רכים Pneumatic דורשים אוויר דחוס, אשר צריך טנק על דחיסה או גבוהה בלחץ גבוה - שניהם להוסיף מסה ונפח. Tethered מערכות לספק אוויר בלתי מוגבל, אבל טווח מוגבל ואוטונומיה. רובוטים רכים מופעלים על סוללות כי לסמוך על מנועים חשמליים עבור אקטוציה או סגסוגת אנרגיה יעילה צורה-memory alloys להתמודד עם מגבלות צפיפות אנרגיה.

החלטות אוטונומיות -

בעוד שלמידה חיזוקית מראה הבטחה, רובוטים רכים עכשוויים עדיין נאבקים בתכנון ארוך של סביבות לא ידועות, דינמיות. מערה עשויה להיות בעלת מספר סניפים, מטרות מתות, או רצפות לא יציבות.הרובוט חייב להחליט מתי לחזור, מתי לחזור למסלול, ואיך להימנע מלהיות תקוע - כל זאת תוך שמירה על תקציב אנרגיה מינימלי.הכוח חישובי הנדרש ל-time-AMSL והדרך קשה לארוז לתוך גוף קטן, רך או ניקוז.

תקשורת והנתונים Retrieval

מערות לעיתים קרובות לחסום אותות רדיו, מה שהופך את השליטה מרחוק בזמן אמת בלתי אפשרי.רובוטים רכים חייבים לפעול באופן אוטונומי עבור רוב המשימה שלהם, רק לדווח בחזרה כאשר הם משטח או כאשר חלון תקשורת קצר נפתח (למשל, ליד הכניסה למערה) זה מציב דרישות כבדות על עיבוד לוח נתונים ואחסון נתונים.בנוסף, החזרת הרובוט הפיזי לאחר המשימה לא תמיד מובטחת; אם זה הופך להיות לכוד או ניזוק, ייתכן שהנתונים המדעיים יהיו אבודים לנצח.

קווי עתיד וגבולות מחקר

במבט קדימה, כמה מגמות מבטיחות להאיץ את אימוץ מערכות רובוטיות רכות למחקר תת-קרקעי.

עיצוב Bio-Inspired

הטבע כבר פתר רבים מהבעיות של רובוטים רכים פנים.חוקרים לומדים תולעי אדמה (ההתראות אספרסטית), נחשים (rectilinear ו-sidewinding gaits), octopuses (זרועות פונקציונליות), ואפילו פריחה חולדות שומות.על ידי חיקוי אסטרטגיות אנטומיות ובקרה ספציפיות של בעלי חיים אלה, מהנדסים יכולים ליצור רובוטים כי הם לנוע ביעילות רבה יותר דרך אדמה, לדוגמה, רוקי, כדי לחדור לשימוש איטי.

Swarm Soft Robotics

אחד מהסיכויים המרגשים הוא הפריסה של רובוטים קטנים, זולים, שעובדים כחילול.כל רובוט יהיה פשוט יחסית ומשקיע, אבל ביחד הם יכולים לחקור רשת מערות במקביל, לשתף מפות ומידע באמצעות תקשורת מקומית לסירוגין. Swarm מתקרב להגביר את הכיסוי, אדמוניות, והחזקה: אם רובוט אחד נכשל, אחרים ממשיכים את האתגר הוא בשיתוף פעולה עם קבוצות רכות כי יש חברים מוגבלים ומוגבלים.

הדפסה 3D ו-Fretotyping

ייצור אדקטי הוא מהפכה רובוטיקה רכות.מדפסות תלת-ממדיות רב-חומריות יכולות לייצר מבנים אלסטומריים עם ערוצים משובצים, חיישנים ואפילו לפעולת בנייה אחת.זה מאפשר שטף מהיר של עיצובים רובוטיים המותאמים למערות ספציפיות.רובוטים רכים של המכס יכולים להיות מודפסים באתר, אולי אפילו מחומרים מקומיים מקוריים (למשל, חימר או חול), הפחתת הצורך לתחבורה כבדה.

אינטגרציה עם משימות חקר פלנטרי

סוכנויות חלל, במיוחד נאס"א ו-ESA, רואות רובוטים רכים כמפתח המאפשר לחקור מערות על הירח ועל מאדים.מערות הירח ומאדים מציעים טמפרטורות יציבות והגנה מפני קרינה - אתרים אפשריים לבתי גידול אנושיים עתידיים.רובוטים רכים יכולים להיות מוצבים לפני אסטרונאוטים כדי למפות את המערות האלה, להעריך יציבות מבנית, ולחפש מים או סימנים של חיים.

מסקנה

מערכות רובוטיות רכות הופיעו כפרדיגמה חדשה חזקה למחקר אוטונומי של מערות ומערנות.הגמישות הטבוע שלהם, עדינות ועוצמה מאפשרות להם ללכת לאן מכונות קשיחות לא יכולות, לפתוח בעבר סביבות תת-קרקעיות בלתי נגישות לחקירה מדעית.מממערות אבן-קרקע ועד צינורות לב פוטנציאליות על מאדים, רובוטים אלה מבטיחים לספק נתונים חסרי תקדים על גיאולוגיה, הידרולוגיה, מיקרוביולוגיה, אקלים, והיסטוריה של אקלים.

כמובן, אתגרים נשארים - יכולת, אנרגיה, אוטונומיה ותקשורת חייבים לשפר את כולם לפני שרובוטים רכים הופכים לחוקרים שגרתיים.אבל קצב החדשנות מצביע על כך שהמכשולים האלה זמניים.כפי שהחומרים הופכים קשים יותר, אקטוציה הופכת יעילה יותר, ואינטליגנציה מלאכותית הופכת להיות יותר מסוגלת להתפתלת שטח לא בטוח, רובוטים רכים יפתחו מטיפוסים לכלים הכרחיים להתגלות תת-קרקעית.

בפעם הבאה שמדענים פונים אל תוך מקטור עמוק וחשך, הם עשויים לא לשלוח אדם – או למגרש מתכת – אלא חוקר רך, מתפתל, סיליקון שיכול לדחוס דרך הלא ידוע ולשוב עם תשובות.