Нога или колесо? Как ученые тестируют конструкцию марсоходов будущего

Роботов Красной планеты — от марсохода Sojourner, который приземлился на Марс в 1997 году, до Perseverance, оказавшегося там в феврале, — объединяет одна особенность: они передвигаются на колесах. Такой способ стабильнее и энергоэффективнее, тогда как хождение роботам дается с трудом даже на Земле.

Однако у колес также есть недостаток: они ограничивают возможности марсоходов.

Чтобы исследовать сложную поверхность Марса, например крутые холмы, необходимо подобие ног, которые появились у животных на Земле в процессе эволюции.

Чтобы это проверить, команда ученых из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Института исследований Солнечной системы имени Макса Планка провела эксперименты с небольшим четвероногим роботом SpaceBok. Он имитирует движения антилопы спрингбок, которая скачет по пустыням Африки, чтобы защищаться от хищников. 

Фото в тексте: Элиас Хэмпп/Швейцарская высшая техническая школа Цюриха

Согласно первоначальной концепции, робот, представленный в 2018 году, должен был прыгать по поверхности Луны. Так делают и космонавты, чтобы передвигаться в условиях слабой лунной гравитации. Однако этот метод эффективен лишь на Луне, где ландшафт относительно плоский. На Марсе это может быть рискованно из-за большого количества песка, камней и крутых склонов. Сейчас исследователи модифицируют конечности и походку SpaceBok, чтобы выяснить, выдержит ли он более сложные ландшафты.

Условия исследования

В рамках новых экспериментов ученые сделали походку SpaceBok более традиционной и менее упругой. Они хотели сравнить два типа передвижения.

• «‎Статическое»: в любой момент времени с поверхностью соприкасаются минимум три конечности.

• «‎Динамическое»: одновременно от земли может оторваться более одной конечности.

Первый подход более надежный, а второй более эффективный, так как ускоряет движение робота.

Новые версии SpaceBok также оснастили двумя типами ног.

• Остроконечные имеют небольшую площадь поверхности, как копыто настоящей антилопы спрингбок.

• Плоские представляют собой вращающиеся круги, которые сгибаются под углом при контакте с поверхностью. Они похожи на снегоступы с небольшими выступами, напоминающими шипы, которые помогают роботу удерживаться на земле.

Ученые поместили SpaceBok в песочницу под наклоном, наполненную материалом, близким по строению с почвой, найденной на Марсе. Это позволило им проверить, какие из доступных типов походки и ступней позволят роботу подняться по поверхности с наклоном 25 градусов. Для количественной оценки эффективности отслеживалось энергопотребление.

Фото в тексте: Элиас Хэмпп/Швейцарская высшая техническая школа Цюриха

В новом препринте об исследовании, который будет опубликован в журнале Field Robotics, ученые показали: машина может ловко и эффективно подняться на искусственный марсианский холм без падений. «‎Мы хотели продемонстрировать, что эти современные динамические системы способны передвигаться по марсианскому песку», — рассказывает Хендрик Колвенбах, робототехник Швейцарской высшей технической школы Цюриха и ведущий автор исследования. По его словам, у этой технологии большой потенциал в будущем.

Что примечательно, роботу удалось подняться на холм как с помощью плоских, так и заостренных ног. Первые позволяли ему опираться на поверхность, а вторые сильнее погружались в песок и выступали в качестве якоря.

Ограничения

Эксперимент на симуляции марсианской почвы прошел успешно. Однако в песках реальной Красной планеты могут прятаться камни. Если робот наткнется на один из них, он может просто споткнуться и упасть. Кроме того, их невозможно обнаружить с помощью камеры. (В данных экспериментах SpaceBok перемещался вслепую, но в будущем исследователи могут оборудовать его камерой для автономной навигации).

На скалистой местности, покрытой песком, робот с остроконечными ногами с большей вероятностью застрянет при столкновении с камнями. В то же время плоские ступни, как обнаружила команда, замедляют передвижение, но более удобны в подобных условиях.

Фото в тексте: Элиас Хэмпп/Швейцарская высшая техническая школа Цюриха

Но и у плоской версии были свои недостатки. Угловой наклон песочницы вызвал еще одну серьезную проблему — скольжение. Представьте, что вы взбираетесь на холм, а под вашими ногами образуются небольшие песчаные лавины. Если песок будет постоянно двигаться, потребуется гораздо больше энергии, чтобы подняться на склон.

В случае SpaceBok, плоская стопа сильнее сильнее искажала поверхность, что увеличивало скольжение. По словам Колвенбаха, из-за этого робот потреблял больше энергии. В то же время остроконечные ноги минимизировали скольжение, погружаясь в землю как колья.

Решение

Идеальный дизайн находится где-то посередине между представленными вариантами и больше похож на стопу верблюда. Она не настолько широка, как снегоступы, но и не слишком тонкая, как копыто антилопы. Колвенбах утверждает: в будущем исследователи, вероятно, создадут стопу для SpaceBok, которая будет изменять площадь поверхности в реальном времени, чтобы адаптироваться к различным типам почв.

При передвижении по настоящей Красной планете четвероногому роботу потребуется аналогичная гибкость и в походке. Статический стиль передвижения, при котором на земле находится не менее трех ног, безопаснее, чем динамический, больше напоминающий движения четвероногих животных.

Однако оказалось, что при поднятии на склон статическое передвижение было менее эффективно. Как утверждает Колвенбах, SpaceBok ограничивала скорость одной ноги, которая толкает его вперед. При динамическом движении за это отвечают минимум две ноги, а значит, скорость увеличивается.

Фото в тексте: Элиас Хэмпп/Швейцарская высшая техническая школа Цюриха

Таким образом, будущей версии SpaceBok потребуется менять не только форму стопы, но и походку. На равнинах ему пригодится динамический стиль, чтобы ускорить передвижение и сэкономить энергию. А при подъеме на особенно крутой холм он будет переключаться на статический стиль для большей безопасности, жертвуя энергией, чтобы не упасть со склона.

Не менее важна и стратегия поиска пути. В данных экспериментах SpaceBok был оснащен алгоритмом, который отслеживал потребление энергии и автоматически определял наиболее эффективный путь. Это приводило к «‎непредсказуемому поведению»: при подъеме робот двигался зигзагообразно, а не напрямую, что было бы сложнее и потребовало бы больше энергии.

Будущее робототехники

По словам робототехника Норвежской организации оборонных исследований Тоннеса Нигаарда, в робототехнике все большую популярность набирает тренд на тесное взаимодействие между аппаратным и программным обеспечением робота, а также окружающей средой. Сейчас инженеры обучают машины адаптироваться к сложным поверхностям, с которыми с легкостью справляется человеческое тело.

Человеку не приходится задумываться о том, как координировать собственные мышцы. В идеале робот, который отправится на Марс, будет в той же степени адаптивен, особенно учитывая, что ему потребуется высокая автономность из-за задержек связи с Землей.

Исследователи хотели бы создать робота, не ограниченного колесами: он сможет исследовать песчаную местность и крутые склоны, и даже кратеры, в которых раньше были озера.

Однажды потомок SpaceBok отправится туда, где не бывал ни один марсоход, чтобы на найти жизнь на Марсе. Возможно, четвероногие машины не заменят колесные в космосе. Однако они определенно внесут ценный вклад и сыграют важную роль в команде роботов-исследователей.

Источник.