Мягкие роботизированные системы для автономного исследования пещер и пещер

Введение: Проблема подземных исследований

Пещеры и пещеры представляют собой одни из самых экстремальных и недоступных сред на Земле. От возвышающихся известняковых камер, сформированных в течение тысячелетий, до узких лавовых трубок на далеких планетах, эти подземные пространства содержат бесценные научные данные, начиная от геологической истории и климатических записей до доказательств жизни экстремофилов. Тем не менее, сама их природа - темная, ограниченная, неравномерная и часто хрупкая - делает исследование опасным для людей и наказывает за традиционных жестких роботов. Падающие камни, плотные сжатия, острые края и тонкие спелеотемы требуют нового класса исследователей.

Вдохновленные гибкостью рук осьминогов и способностью норки червей, эти роботы построены из совместимых деформируемых материалов, которые могут протискиваться через зазоры, более узкие, чем их собственный диаметр покоя, соответствовать нерегулярным поверхностям и работать с минимальным риском повреждения окружающей среды или себя. Недавние достижения в области материаловедения, встроенного зондирования и автономного управления привели к тому, что мягкая робототехника из лабораторных любопытств в жизнеспособные инструменты для автономного подземного исследования.

В этой статье рассматриваются принципы проектирования, эксплуатационные преимущества, текущие исследования и будущая траектория мягких роботизированных систем, специально созданных для исследования пещер и пещер. Мы изучаем, как эти машины переписывают правила съемки, картирования и отбора проб в средах, которые долгое время бросали вызов обычным технологиям.

Что такое мягкие роботизированные системы?

Мягкие роботизированные системы — это машины, состоящие в основном из гибких деформируемых материалов, которые имитируют соответствие и адаптивность биологических организмов. В отличие от традиционных жестких роботов, построенных из металлических соединений, шестерен и серводвигателей, мягкие роботы полагаются на эластичные полимеры, эластомеры, пневматически или гидравлически приводимые в действие камеры и гибкие скелеты. Их определяющей характеристикой является способность изменять форму — изгиб, растяжение, скручивание или сжатие — при контролируемом приведении в действие без разрушения.

Общие материалы включают силиконовую резину (например, Ecoflex и Dragon Skin), полиуретановые пены, гидрогели и полимеры с памятью формы. Методы приведения в действие варьируются: большинство используют сжатый воздух (пневматические искусственные мышцы), сухожилия, кабели или электроактивные полимеры. Отсутствие жестких суставов означает меньше точек отказа, присущую поглощение удара и высокую морфологическую адаптивность. Например, мягкий робот может сжать свое тело, чтобы проскользнуть через отверстие половины его диаметра, а затем повторно расшириться после того, как станет ясно - трюк, невозможный для любого твердого ровера.

Поле появилось всерьез в течение 2010-х годов, чему способствовали такие проекты, как мягкие захваты Института Гарварда Висса и «Октобот» (первый полностью мягкий автономный робот). С тех пор мягкая робототехника быстро созрела, с приложениями, охватывающими медицинские устройства, поиск и спасение, глубоководные исследования и, что важно, пещерные и планетарные исследования.

Основные преимущества мягких роботов для исследования пещер

Уникальные физические свойства мягких роботов почти идеально соответствуют требованиям подземных сред. Ниже мы разбиваем основные преимущества и то, как они преобразуются в реальные преимущества.

1. Исключительная гибкость и маневренность

Традиционные роверы для навигации полагаются на колеса, дорожки или несколько сочлененных ног. Каждому требуется минимальный радиус поворота, зазор над препятствиями и ровной поверхностью. Пещеры, однако, являются чем-то непостоянным. Тяжёлые ползунки, острые углы, упавшие валуны и крутые наклоны являются стандартными. Мягкие роботы могут протискиваться, шевелиться и дюйм-червяк прокладывают себе путь через проходы, которые задерживают или опрокидывают жесткую машину. Их способность соответствовать окружающей среде позволяет им поддерживать контакт с поверхностями для тяги, даже на скользких или угловых полах.

2. Минимальное воздействие на окружающую среду

Многие пещеры содержат тонкие образования — сталактиты, сталагмиты, проточный камень и редкие минеральные отложения, на формирование которых ушло десятки тысяч лет. Одно случайное воздействие металлической руки или колеса может нанести необратимый ущерб. Мягкие роботы из совместимых материалов оказывают низкие контактные силы и распределяют давление на большую площадь. Эта мягкость делает их идеальными для научных исследований, где сохранение имеет первостепенное значение. Исследователи могут вставить мягкого робота в нетронутую пещеру без вины оставить царапину.

3. Шоковая абсорбция и хрупкость

Водопады распространены в пещерах. Жесткий робот, который падает над уступом или на скалы, может сломать сустав, взломать его шасси или повредить чувствительную электронику. Мягкие роботы, напротив, по своей природе являются амортизаторами. Их эластомерные тела могут выдерживать падения и удары, которые уничтожат жесткого робота. Более того, поскольку им не хватает точных механических суставов, они менее склонны к помехе от песка, грязи или мусора.

4 Адаптивная локомоция

Мягкие роботы могут использовать различные походки: ползать как дюймовый червь, волнообразно как змея, или расширяться и сжиматься как колокольчики. Эта мультимодальная локомоция позволяет им переходить между различными ландшафтами - гладкими скалами, визгом, грязью, водными бассейнами - без изменения оборудования. Некоторые конструкции могут даже катиться, раздувая и сдувая внутренние камеры, обеспечивая быстрое изменение направления в открытых пространствах.

5.Потенциал внутренней автономии

Хотя автономия не является исключительной для мягких роботов, их совместимая природа упрощает управление в неопределенных условиях. Вместо того, чтобы требовать высокоточного позиционирования и расчетов крутящего момента, чтобы избежать столкновений, мягкий робот может просто безопасно сталкиваться со стенами и препятствиями. Это соответствие позволяет более простым, более надежным алгоритмам управления, которые менее зависят от идеальных данных датчиков - главное преимущество в пещерах с низкой видимостью, где датчики, такие как лидар и камеры, борются.

Инженерные мягкие роботы для подземного использования

Проектирование развертываемого в полевых условиях мягкого робота для пещер включает в себя три критически важные подсистемы: приведение в действие, зондирование и управление. Каждая из них представляет собой уникальные проблемы и компромиссы.

Оригинальное название: Pneumatics, Tendons, and Beyond

Большинство современных мягких роботов для исследования пещеры приводятся в действие пневматически. Путем перекачки воздуха в или из герметичных камер (обычно распределенных в сегментированном корпусе), робот может изгибаться, удлиняться или укорачиваться. Простые соленоидные клапаны и миниатюрный бортовой компрессор (или привязной воздух) обеспечивают время цикла. Альтернативные методы приведения в действие включают системы, управляемые сухожилиями, где кабели тянут на определенных точках для получения движения, и провода из сплава памяти формы, которые сжимаются при нагревании. Каждый метод имеет компромиссы: пневматические системы предлагают высокую силу и скорость, но требуют громоздких насосов и клапанов; сухожилия легче, но менее прочные; сплавы памяти формы потребляют значительную мощность. Исследователи из Института Уисса Гарварда продемонстрировали змееподобных мягких роботов, использующих пневматику, которая может перемещаться по трубам и трубам - предшественник исследования пещер.

Без GPS роботы должны полагаться на алгоритмы одновременной локализации и картирования (SLAM), которые строят карту окружающей среды, отслеживая свое положение в ней - все с использованием шумных данных датчиков. Для мягких роботов управление дополнительно осложняется нелинейной динамикой тела; та же команда привода может производить различные движения в зависимости от формы тела, внешних сил и температуры материала. Недавние подходы к машинному обучению - особенно обучение подкреплению и модели динамики на основе нейронных сетей - позволили мягким роботам научиться ползать, катиться и перемещаться по сложным каналам без явных кинематических моделей. Исследователи из Института робототехники Университета Карнеги Меллона обучили мягкого робота автономно перемещаться по моделируемой пещерной системе с использованием глубокого обучения подкреплению, демонстрируя возможность полностью автономного подземного прохождения.

В 2019 году инженеры JPL начали разработку мягкой роботизированной змеи под названием EELS (Exobiology Extant Life Surveyor) . Хотя EELS все еще находится в разработке, он использует вращающиеся мягкие сегменты, которые могут пробковываться через щели и подниматься по ледяным склонам. Его дизайн был вдохновлен необходимостью исследовать подземные океаны на Энцеладе, но те же принципы применимы к наземным пещерам. Соответствие робота позволяет ему адаптироваться к смещению песка, льда и скалы — среды, которая затмевает традиционный колесный ровер.

Гарвардский робот для картирования трубок лавы

Команда из Института Висса в Гарварде протестировала пневматически управляемого мягкого робота внутри лавовой трубки на Гавайях. Лавовые трубки являются планетарными аналогами для марсианских пещер. Робот успешно прошел 10-метровый участок трубы с неровными полами и свесами, захватывая 3D-карты с помощью стереокамер и бортового ИДУ. Испытание показало, что мягкие роботы могут обрабатывать острые, абразивные базальтовые поверхности без повреждений - ключевая веха для миссий по исследованию планет.

Мягкий кран ETH Zurich для пещер культурного наследия

В Европе исследователи из Цюриха развернули мягкого робота-ползучего внутри доисторических пещер Альтамиры, Испания — места, известного своими тонкими картинами палеолита. Низкое воздействие робота позволило ему перемещаться в сантиметрах от картин без риска, захватывая изображения высокого разрешения и данные об окружающей среде, которые помогли консерваторам контролировать микроклимат пещеры. Это приложение подчеркивает ценность мягкой робототехники для сохранения культурного наследия, где доступ человека строго ограничен.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои обещания, мягкие роботизированные системы для исследования пещер сталкиваются со значительными препятствиями, которые необходимо преодолеть, прежде чем они станут стандартными инструментами.

Долговечность в суровых условиях

Пещеры абразивны, влажны и часто химически агрессивны (например, отложения гуано, кислой воды). Мягкие эластомеры могут рваться на острые породы, деградировать под ультрафиолетовым светом (хотя УФ отсутствует в пещерах, развертывание поверхности перед подземным входом может быть проблематичным) и страдать от циклической усталости. Исследователи разрабатывают более жесткие композиты и самоисцеляющиеся материалы, но долголетие поля остается проблемой. Для того, чтобы робот был полезен, он должен выживать дни или недели непрерывной работы, а не несколько часов.

Мощность и плотность энергии

Пневматические мягкие роботы требуют сжатого воздуха, который нуждается в бортовом компрессоре или резервуаре высокого давления, - оба из которых добавляют массу и объем. Привязные системы обеспечивают неограниченный диапазон и автономность. Мягкие роботы с батарейным питанием, которые полагаются на электродвигатели для приведения в действие сухожилий или сплавов с памятью формы, сталкиваются с ограничениями плотности энергии. Небольшая полезная нагрузка большинства мягких роботов (часто менее 1 кг) ограничивает количество батареи или сжатого воздуха, которые они могут нести. Умное управление энергией и энергоэффективное приведение в действие являются активными областями исследований.

Автономное принятие решений

В то время как обучение усилению показывает перспективу, современные мягкие роботы все еще борются с планированием с длинным горизонтом в неизвестных динамических средах. В пещере может быть несколько ветвей, тупиков или нестабильных полов. Робот должен решить, когда повернуть назад, когда перенаправить и как избежать застревания - все при сохранении минимального энергетического бюджета. Вычислительная мощность, необходимая для SLAM и планирования пути в реальном времени, трудно упаковать в небольшое мягкое тело без перегрева или слива батарей.

Коммуникация и поиск данных

Пещеры часто блокируют радиосигналы, делая невозможным дистанционное управление в реальном времени. Мягкие роботы должны работать автономно в течение большей части своей миссии, сообщая только тогда, когда они выходят на поверхность или когда открывается короткое окно связи (например, возле входа в пещеру). Это предъявляет большие требования к бортовой обработке и хранению данных. Кроме того, извлечение физического робота после миссии не всегда гарантируется; если он попадает в ловушку или повреждается, научные данные могут быть потеряны навсегда.

Будущие направления и исследовательские рубежи

Заглядывая в будущее, можно отметить, что некоторые тенденции обещают ускорить внедрение мягких роботизированных систем для подземных исследований.

Био-вдохновленный дизайн

Природа уже решила многие проблемы, с которыми сталкиваются мягкие роботы. Исследователи изучают земляных червей (перистальтическая локомоция), змей (ректилиновые и боковые походки), осьминогов (многофункциональные руки) и даже роющих крыс-кротов. Имитируя конкретные анатомические и управляющие стратегии этих животных, инженеры могут создавать роботов, которые более эффективно перемещаются по почве, песку и скале. Например, роющий мягкий робот, использующий комбинацию расширения и вибрации, может проникать в рыхлый осадок без необходимости бурения.

Swarm Soft Robotics

Одна интересная перспектива - развертывание множества маленьких, дешевых мягких роботов, которые работают как рой. Каждый робот будет относительно простым и расходным, но в совокупности они могут параллельно исследовать сеть пещер, обмениваясь картами и информацией через прерывистую местную связь. Подходы Swarm увеличивают охват, избыточность и надежность: если один робот терпит неудачу, другие продолжают миссию. Задача заключается в координации членов мягкого роя, которые имеют ограниченные возможности зондирования и управления.

3D-печать и быстрое прототипирование

Аддитивное производство революционизирует мягкую робототехнику. Многоматериальные 3D-принтеры теперь могут производить эластомерные структуры со встроенными каналами, датчиками и даже исполнительными механизмами в одной сборке. Это позволяет быстро итерировать конструкции роботов, адаптированные к конкретным пещерам. Настраиваемые мягкие роботы могут быть напечатаны на месте, возможно, даже из материалов местного происхождения (например, глинистых или песчаных композитов), уменьшая необходимость транспортировки тяжелого оборудования.

Интеграция с миссиями по исследованию планет

Космические агентства, особенно НАСА и ЕКА, рассматривают мягких роботов как ключевую технологию для изучения пещер на Луне и Марсе. Лунные и марсианские пещеры предлагают стабильные температуры и защиту от радиации — потенциальные места для будущих человеческих мест обитания. Мягкие роботы могут быть развернуты перед астронавтами для картирования этих пещер, оценки структурной стабильности и поиска водяного льда или признаков жизни. Крайние ограничения ресурсов космического полета (масса, мощность, надежность) делают мягких роботов привлекательными, потому что они легкие, компактно укладываются и могут работать с ограниченной массой полезной нагрузки.

Заключение

Мягкие роботизированные системы стали мощной новой парадигмой для автономного исследования пещер и пещер. Их присущая гибкость, мягкость и прочность позволяют им идти туда, куда не могут жесткие машины, открывая ранее недоступные подземные среды для научных исследований. От наземных известняковых пещер до потенциальных лавовых трубок на Марсе эти роботы обещают доставить беспрецедентные данные по геологии, гидрологии, микробиологии и истории климата.

Конечно, проблемы остаются — долговечность, энергия, автономность и связь должны улучшиться, прежде чем мягкие роботы станут обычными исследователями. Тем не менее темпы инноваций предполагают, что эти препятствия являются временными. По мере того, как материалы становятся более жесткими, приведение в действие становится более эффективным, а искусственный интеллект становится более способным ориентироваться в неопределенной местности, мягкие роботы будут развиваться из нишевых прототипов в незаменимые инструменты для подземных открытий.

В следующий раз, когда ученые вглядятся в глубокую темную щель, они могут отправить не человека или металлический ровер, а мягкий, извивающийся кремниевый исследователь, который может протиснуться сквозь неизвестное и вернуться с ответами.