Giriş: Subterranean Keşifinin Meydanlaştırılması

Caves and Caverns, Dünya'daki en aşırı ve erişilemez ortamların bir kısmını temsil ediyor. kuleden limestone odaları uzak gezegenlerde daraltmak için binlerce yıl boyunca oluşmuş ve geleneksel katı robotlar için cezaevleri cezalandırmak için bilimsel paha biçilmez verileri, jeolojik tarih ve iklim kayıtlarının kanıtlanması, keskin kenarlar ve hassas speleler talep ediyor.

Yumuşak robot sistemleri. Boşluk kollarının esnekliği ve malzemelerin ödünç alma kapasitesi ile ilham veren bu robotlar, laboratuvar eğrileri ile uyumlu, açık olmayan malzemelerden bağımsız alt yüzeyleri için uygulanabilir aletlere sahiptir.

Bu makale tasarım ilkelerine, operasyonel avantajları, mevcut araştırmalara ve gelecekteki yumuşak robot sistemlerinin amacı- mağara ve mağara keşif için inşa edilmiş yönüne işaret ediyor. Bu makinelerin araştırma kurallarını nasıl yeniden yazdığını, haritalama ve örnekleme uzun zamandır geleneksel teknoloji olan ortamlarda örnekleme yaptığını inceliyoruz.

Yumuşak Robotik Sistemler Nedir?

Yumuşak robot sistemleri öncelikle esnek, silinmiş malzemelerden oluşan makinelerdir ve biyolojik organizmaların uyum ve uyumsuzluğu ile uyum sağlamalıdır. Metal eklemlerden, dişlilerden ve servo motorlardan yapılmış geleneksel katı robotlardan farklı olarak, yumuşak robotlar elastik polimerlere, elastomerlere, pnömatik veya hidrolik olarak hareket eden odalara güvenir.

Yaygın malzemeler silikon kauçuk içerir (örneğin Ecoflex ve Dragon Skin), poliurethane köpükleri, hidrojekteler ve form-memory polimerleri.Hazırlama yöntemleri değişir: çoğu sıkıştırılmış hava (pneumatic yapay kaslar), tendona dayalı kablolar veya elektroaktif polimerler. sert eklemlerin yokluğu, daha az başarısızlık noktaları, doğal şok absorpsiyon ve yüksek derecede morfolojik bir uyum sağlar. Örneğin, yumuşak bir robot, vücutlarını yarım delikden kaybolabilir, sonra tekrar ortaya çıkar.

Alan 2010’larda ciddi olarak ortaya çıktı, Harvard Wyss Institute'in yumuşak kıvrımları ve “Octobot” (ilk tamamen yumuşak otonom robotu) gibi projeler tarafından hızla olgunlaşmıştı, uygulamalarla dolu, derin deniz araştırmaları ve kurtarma, derin- deniz araştırmaları ile – s.

Cave Exploration için Yumuşak Robotların Anahtar Avantajları

Yumuşak robotların eşsiz fiziksel özellikleri, altterranean ortamların talepleri ile neredeyse mükemmel bir şekilde uyum sağlar. Aşağıda birincil avantajları kırıyoruz ve gerçek dünya yararlarına nasıl tercüme ediyoruz.

1. Dışsal Flexability ve Maneuverability

Geleneksel rovers tekerleklere, parçalara veya birden fazla sanatçıklanmış bacaklara sahiptir. Her biri en az yarıçap, engellerden önce izin vermek ve seviye zeminden uzaklaşmak için yollarına izin verir.Ancak, çevreye uygun olan herhangi bir şey, normal bir şekilde, sert boulderslere ve dik inklines standarttır. Soft robotlar, kıvrımlara, kıvrımlara, hatta eğime veya eğime kadar yol açmalarına izin verir.

2. Minimal Environmental Influence

Birçok mağaralar hassas formlar içerir - en uygun malzemeleri düşük temas güçleri ve daha büyük bir alana baskı yaparak - on binlerce yıl boyunca tasarruf etmenin bir tek kaza etkisi.Bir metal kol veya tekerlekten tek bir kaza etkisi, uygun olmayan malzemelerden düşük iletişim güçleri haline getirebilir ve baskıları daha büyük bir alana dağıtabilir.Bu naziklik onları bilimsel araştırma için ideal kılar. Araştırmacılar, yumuşak bir robotu bir kol veya tekerlekten uzaklaştırabilir.

3. Şok Aborpsiyon ve Robustness

Falls mağaralarda yaygındır. Bir öncül üzerinde tümörler veya kayalara karşı çıkan sert bir robotun, şasisini kırabilir veya hassas elektroniklere zarar verebilirler. Soft robotlar, aksine, doğal olarak şok-absorbent. elastomerik bedenleri sert bir robotu yok edebilir ve etkiler.

4. Adaptif Locomotion

Yumuşak robotlar çeşitli ganimetler kullanabilir: bir inç solucan gibi tarama, yılan gibi veya genişleyen ve bir bellows gibi sözleşmeli hale getirmeleri. Bu multimodal lokyom, farklı araziler arasında geçiş yapabilmelerini sağlar -smooth rock, scree, mud, su havuzları – donanımsız. Bazı tasarımları bile iç odaları şişirebilir ve şişirebilir, açık alanlarda hızlı bir yön değişimi sağlar.

5. Inherent Autonomy Potansiyel

Özerk robotlara özel olmasa da, uyumlu doğa belirsiz ortamlarda kontrollerini basitleştirir. yüksek hacimli konumlama ve tork hesaplamaları çarpışmalardan kaçınmak için talep etmek yerine, yumuşak bir robot sadece duvarları ve engellere karşı itebilir.Bu uyumluluk, mükemmel sensör verilerine daha az olan daha sağlam kontrol algoritmalarına izin verir - kapak ve kameraları gibi sensörlerin nerede karşı karşıya kaldığı yüksek oranda avantaj sağlar.

Subterranean için Mühendislik Yumuşak Robotlar

Mağaralar için bir alan tarafından işlenebilir yumuşak robotu tasarlamak üç kritik alt sistem içerir: davranış, algılama ve kontrol. Her biri eşsiz zorluklar ve ticaret-offlar sunar.

Actuation: pnömatik, Tendons ve Beyond

Kolon araştırmaları için mevcut yumuşak robotlar pnömatik hareket eder. Hava tedariki veya mühürlenen odalardan (özellikle de bir segmente ayrılmış olan) geçer, robot, ısıtıldığında veya kısa bir şekilde şarj edilebilir. Basit bir çiftlikler ve minyatürler (veya yarı zamanlı hava tedarik) döngüsü zamanı sunar. Alternatif eylem yöntemleri, hareket eden belirli noktalarda bulunan ve dikilen kablolar kullanan yüksek çözünürlükte bulunur.

Sensing: Karanlıkı geri çevir

Caves, sıfır doğal ışık ve sık sık yüksek nem, toz ve sıcaklık dalgalanmaları sunar. Yumuşak robotlar, bu koşullar altında çalışabilecek sensörler taşımak zorundadır. Kameralar inşa edilmiş aydınlatma (örneğin, kızılötesi veya LED diziler) standarttır, ancak kapak ve son derece sıkı yönlendirme için de kullanılır.

Kontrol ve Autonomy

Mağaralarda akrep navigasyonu olağanüstü derecede zor. GPS olmadan, robotlar vücut şekline bağlı olarak farklı hareketlere ve haritalamalara (SLAM) bağlı olarak, çevredeki konumunu takip ederken, tüm gürültülü sensör verileri kullanarak - yumuşak robotlar için kontrol, ekranlama, yumuşak robotlar için daha karmaşık kanallar kullanarak, aynı hareketleyici komutları, dışsal kuvvetlere ve materyal sıcaklığına bağlı olarak farklı hareketlerle geziler üretebilir.

Vaka Çalışmaları: Gerçek ve Simated Caves'te Yumuşak Robotlar

Büyük ölçekli dağıtımlar hala sınırlı olsa da, birçok önemli proje, mağara araştırmalarında yumuşak robotların potansiyelini göstermektedir.

NASA'nın Jet Propulsion Laboratuarı'nda Yumuşak-Snake

2019 yılında JPL mühendisleri, crevices ve tırmanma icy yamaçları ile yeniden inşa edilmiş yumuşak bir robot yılanı geliştirmeye başladı.(Exobiology Extant Life Surveyor)) hala geliştirmede olsa da, EELS, kollarını ve kayayı değiştirmesine olanak sağlar.

Harvard'ın Soft Robotu Lava Tube Mapping

Harvard'ın Wyss Enstitüsü'ndeki bir ekip, stereo kameraları kullanarak ve IMU'da bir lava tüpün içinde pnömatik bir robotu test etti.The North Tube is a team at the robot successfully traversed a 10meter section of tube with equality times and overhangs, catch 3D haritalar using stereo kamera kameraları ve yumuşak robotlar hasarsız keskin, basalt yüzeyleri idare edebilir - gezegensel keşif görevleri için 10 metrelik bir anahtar kilometrelik bir parça.

ETH Zurich'ın Kültür Mirası Caves için Yumuşak Çişmanları

Avrupa'da araştırmacılar, RID:0)ETH Zürih[DÜT:1) Altamira'nın tarih öncesi mağaralarında yumuşak bir tarama robotu dağıtarak, İspanya'nın hassas paleolitik resimleri için ünlü bir site. Robotun düşük etkisi, insan erişiminin ciddi şekilde kısıtlanmış olduğu tabloların santimetresi içinde hareket etmesine izin verdi.

Meydanlar ve Sınırlar

Onların sözüne rağmen, mağara keşif için yumuşak robot sistemleri standart araçlar haline gelmeden önce üstesinden gelmeleri gereken önemli engellerle karşı karşıyadır.

Harsh Ortamlarında Durability

Caves are lips, ıslak ve sık sık kimyasal olarak agresiftir (örneğin, guano yatakları, asitli su). Soft elastomerler keskin kayalar üzerinde yırtılabilir, UV ışığı altında ( UV yeraltı girişinin sorunca olmadığı halde), ve döngü yorgunluğundan muzdariptir. Araştırmacılar sert kompozitler ve kendi kendine özgü malzemeler geliştiriyorlar, ancak alan süresi yararlı olabilir.

Güç ve Enerji Yoğunluğu

Pnömatik soft robotlar sıkıştırılmış hava gerektirir, ki bir üst düzey kompresör veya yüksek basınçlı tanka ihtiyaç duyar - her ikisi de kütle ve hacim ekler. Tethered sistemleri sınırsız hava sağlar, ancak sınır aralığı ve özerklik sağlar. Battery-güçlü yumuşak robotlar, elektrik motorlarına güvenen direnç veya şekilbelli alaşımları yüz enerji yoğunluk sınırlamaları ile karşı karşıyadır.

Özerk Karar -Making

Güç öğrenme vaat ederken, mevcut yumuşak robotlar hala bilinmeyen, dinamik ortamlarda planlama ile mücadele ederken, bir mağara birden çok şubeye sahip olabilir, ölü uçlara veya kararsız zeminlere sahip olabilir. Robot geri dönmediğinde karar verir ve nasıl sıkışıp kalmak için karar verir - her zaman en az enerji bütçesini korumak için gerekli olan hesaplama gücü.

İletişim ve Data Retrieval

Caves genellikle radyo sinyalleri engeller, gerçek zamanlı uzaktan kontrol imkansız hale getirir. Soft robotlar misyonunun çoğunluğu için özerk bir şekilde çalışmalıdır, ancak kısa bir iletişim penceresi açılır (örneğin, bir mağara girişinin yakınında). Bu yerler, gemi işleme ve veri depolama üzerinde ağır talepler.

Future Yol ve Araştırma Frontiers

Önümüzdeki birkaç trend, altterranean keşif için yumuşak robot sistemlerinin benimsenmesini hızlandırmaya söz veriyor.

Bio-Inspired Design

Doğa zaten birçok sorunu yumuşak robotla çözmüş durumda. Araştırmacılar, bu hayvanların özel anatomik ve kontrol stratejilerine göre çalışıyor, mühendisler toprak, kum ve rock yoluyla daha verimli hareket eden robotları yaratabilirler. Örneğin, genişleme ve titreşim kombinasyonunu kullanan bir yumuşak robot, sondaj ve hatta çitler için ihtiyaç duymadan büyüye nüfuz edebilir.

Swarm Soft Robotics

Heyecan verici bir umut, birçok küçük, ucuz yumuşak robotun bir batarm olarak çalışmasını sağlamaktır.Her robot nispeten basit ve genişletilebilir olurdu, ancak kolektif olarak, yerel iletişim yoluyla bir mağara ağı keşfedebilirler. Swarm yaklaşımlar kapsama, reddancy, ve sağlamlığa yaklaştı: eğer bir robot başarısız olursa, diğerleri görevde kalır.

3D Printing ve Hızlı Prototipleme

Katkı üretimi yumuşak robotların devrimleştirilmesidir. Multi-mal 3D yazıcılar şimdi yerel kaynaklanmış malzemelerden bile elastomerik yapılar üretebilirler, sensörler ve hatta tek bir inşada hareket edenler.Bu, belirli mağaralara göre tasarlanmış robot tasarımlarının hızlı bir şekilde azaltılmasına izin verir. Özel yumuşak robotlar yerel kaynaklanmış malzemelerden bile baskılanabilirler (örneğin, kil veya kumlar), ağır ekipmana ihtiyacı azaltır.

Planetary Exploration Missions ile entegrasyon

Uzay ajansları, özellikle NASA ve ESA, bu mağaraları haritaya sokmak için temel bir teknoloji olarak görüyor ve Mars.Ay ve Martian mağaraları, gelecekteki insan habitatları için istikrarlı sıcaklıklar ve koruma sunuyor - hafif robotlar, bu mağaraları haritaya kadar kullanılabilir, yapısal istikrarı değerlendirebilir ve yaşamın aşırı kaynakları kısıtlamalarına bakın.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yumuşak robot sistemleri mağaraların ve mağaraların özerk keşifleri için güçlü bir yeni paradigma olarak ortaya çıktı. Onların doğal esnekliği, yumuşaklık ve sağlamlığı, katı makinelerin daha önce erişilemez subterranean ortamların Mars'ta potansiyel lava tüplerinden açılmasına izin veriyor, bu robotlar geology, hidrology, mikrobiyoloji ve iklim tarihi hakkında daha önce varmalarına izin veriyor.

Elbette, zorluklar devam ediyor – kullanılabilirlik, enerji, özerklik ve iletişim, yumuşak robotlar rutin Explorer haline gelmeden önce tüm geliştirmeleri gerekiyor. Ancak inovasyonun hızı bu engellerin geçici olduğunu gösteriyor.As material become harder, actionuation becomes more effective, and yapay zeka daha yetenekli navigating field, soft robotlar subterranean keşif için vazgeçilmez araçlar haline gelecektir.

Bir sonraki sefer bilim insanları derin, karanlık bir crevice'ye aranabilirler, bir insan göndermeyebilirler – ya da bir metal rover – ama bilinmeyen ve cevaplarla geri dönebilecek yumuşak, squirming, silikon kaşif.Bu gelecek zaten şekil alıyor.