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    Un robot fatto di ghiaccio potrebbe adattarsi e ripararsi su altri mondi

    L'IceBot è solo un concetto in questo momento, con alcune parti strutturali in ghiaccio. Credito:GRASP Lab

    Alcuni degli obiettivi più allettanti nell'esplorazione dello spazio sono i mondi ghiacciati. Prendi Europa, la luna di Giove, ad esempio. È caldo, l'oceano salato del sottosuolo è sepolto sotto uno strato di ghiaccio largo come la luna. Qual è il modo migliore per esplorarlo?

    Forse un robot di ghiaccio potrebbe avere un ruolo.

    Sebbene le agenzie spaziali mondiali, in particolare la NASA, stiano migliorando sempre di più nella costruzione di robot per esplorare luoghi come Marte, quei robot hanno dei limiti. Forse il principale tra questi limiti è la possibilità di un guasto. Una volta che un rover su Marte, o da qualche parte ancora più distante, si guasta, è finita. Non esiste un modo fattibile per riparare qualcosa come MSL Curiosity se si rompe durante l'esplorazione della superficie marziana.

    Ma cosa accadrebbe se il mondo da esplorare fosse ghiacciato, e il robot era fatto di ghiaccio? Potrebbero i robot ghiacciati eseguire l'auto-riparazione, anche in modo limitato? Potrebbero essere effettivamente fabbricati e assemblati lì, anche in parte?

    Un recente articolo intitolato "Robots Made From Ice:An Analysis of Manufacturing Techniques" ha esplorato questa possibilità. Il documento è stato presentato alla conferenza internazionale IEEE (Institute for Electrical and Electronics Engineers) su robotica e sistemi del 2020. Lo hanno scritto Devin Carroll e Mark Yim. Carroll è un dottorato di ricerca. studente di robotica presso l'Università della Pennsylvania, e Yim è il direttore del Grasp Lab e professore di ingegneria meccanica presso la stessa istituzione.

    L'intero robot non sarebbe fatto di ghiaccio, ovviamente. Ma alcune strutture potrebbero esserlo. L'idea è incentrata su un design modulare che potrebbe autoripararsi o addirittura autoreplicarsi e potrebbe essere completato in situ dopo l'implementazione, una volta che gli ostacoli del terreno ei dettagli dei compiti della missione fossero stati meglio compresi.

    Nel loro astratto, scrivono i due autori, "Il ghiaccio consente una maggiore flessibilità nella progettazione del sistema, consentendo alla struttura robotica di essere progettata e costruita dopo lo spiegamento dopo che le attività e gli ostacoli del terreno sono stati meglio identificati e analizzati."

    Ovviamente, ci sono molti problemi e ostacoli con questa potenziale tecnologia. Ma è così che iniziano tutti.

    La coppia di autori chiarisce che si tratta di un lavoro preliminare. "Gli autori esplorano un approccio basato sulla struttura per esaminare processi di produzione compatibili con un'enfasi sulla conservazione delle energie di processo, " scrivono. "Una piattaforma robotica mobile realizzata in ghiaccio viene presentata come prova di concetto e prima dimostrazione".

    L'idea è incentrata su un rover a due ruote chiamato Icebot. Icebot si basa sul design dei rover antartici e ha elementi strutturali in ghiaccio.

    Nel loro lavoro, la coppia di autori ha eseguito esperimenti per esplorare l'intera idea. Il lavoro si è basato su due presupposti:

    • Il robot funzionerà a temperature sotto lo zero, e tutti i loro calcoli si basano sulle temperature medie annuali della stazione McMurdo in Antartide.
    • Blocchi di ghiaccio sono facilmente disponibili.

    Il loro documento presenta anche tre principi generali di progettazione.

    • I componenti devono essere progettati per gestire il calore.
    • Tutta l'elettronica, attuatori e fonti di alimentazione devono essere isolati dalla fusione.
    • Il metodo ideale per modellare i componenti di ghiaccio del robot dipende dal volume finale della parte rispetto al volume che deve essere rimosso da una lastra di ghiaccio grezzo.

    C'è un'altra condizione generale in tutto questo, pure. Per i robot che operano su altri mondi, l'energia è un bene prezioso. Ogni missione ha un budget energetico gestito meticolosamente. Prendi la navicella spaziale Voyager, Per esempio. La loro impressionante longevità è dovuta almeno in parte all'uso estremamente scrupoloso dell'energia. Quindi la quantità di energia utilizzata da un robot di ghiaccio per fabbricarsi e costruirsi è fondamentale.

    Con queste condizioni in mente, i ricercatori hanno avuto alcune idee interessanti.

    Prima di tutto, l'intero scenario probabilmente coinvolgerebbe non un singolo robot ma una coppia, operando in tandem. Un'unità sarebbe il veicolo di esplorazione principale, e l'altro sarebbe una specie di nave madre e avrebbe le capacità di produzione e riparazione.

    In un'intervista a Spettro IEEE , Devin Carroll ha spiegato come potrebbe essere. "Quando penso a un robot di esplorazione artico (o planetario) che incorpora capacità di automodifica o riparazione, immagino un sistema con due tipi di robot:il primo esplora l'ambiente e raccoglie i materiali necessari per eseguire l'autopotenziamento o la riparazione, e il secondo è una sorta di sistema di manipolazione/produzione. Possiamo immaginare che la classe di esplorazione del robot torni in una posizione centralizzata con la richiesta di un aratro o di qualche altro potenziamento e il sistema di produzione sarà in grado di collegare il potenziamento direttamente al robot".

    I ricercatori hanno testato una fiamma libera come metodo per sciogliere i fori nel ghiaccio in cui inserire l'attuatore del robot. A sinistra:una torcia a butano viene utilizzata per sciogliere un foro nel vuoto di ghiaccio. A destra:una mappa termica (in gradi C) della torcia a butano e del ghiaccio grezzo. Credito:Carroll e Yim, 2020

    La coppia di scienziati ha eseguito alcuni test per dare corpo alle loro idee. Hanno esaminato diversi modi di manipolare il ghiaccio. Per la produzione, guardavano la modanatura, dove il ghiaccio sarebbe stato prima sciolto e poi versato in uno stampo per essere modellato. Hanno anche esaminato la stampa 3D, e lavorazione. Ogni metodo ha i suoi pro e contro, e ognuno ha un fabbisogno energetico diverso.

    Hanno anche esaminato l'integrazione degli attuatori. Come spiegato, gli attuatori stessi non possono essere fatti di ghiaccio. Gli attuatori sono esposti a diverse sollecitazioni, il ghiaccio non ce la fa. Quindi l'integrazione degli attuatori con componenti in ghiaccio è un'operazione critica.

    Hanno sperimentato quattro diversi modi di integrare gli attuatori:

    • Intaglio meccanico con qualcosa come uno scalpello.
    • Fondere un foro per l'attuatore con fiamma libera.
    • Creazione di un foro per l'attuatore con un'asta metallica riscaldata.
    • Taglio, Per esempio, con una sega a tazza.

    Ciascuno dei metodi ha i suoi punti di forza e di debolezza. Ognuno ha anche il proprio fabbisogno energetico. La tabella seguente presenta l'energia richiesta per ciascun metodo per creare una tasca di montaggio per l'attuatore, e per congelarlo in posizione.

    Trattandosi di un lavoro preliminare, la squadra non ha raggiunto alcuna conclusione permanente. Ma i loro esperimenti hanno messo in luce alcune insidie ​​che dovranno essere superate se la produzione e la riparazione del ghiaccio in loco verranno mai implementate in modo efficace.

    Hanno scoperto che la superficie dell'attacco è fondamentale per il successo, che non è una sorpresa. In poche parole, una superficie maggiore nell'articolazione è migliore, e aiuta il ghiaccio a resistere alle sollecitazioni dovute alla coppia e ad altre forze. Anche lo spessore del ghiaccio era un problema, anche questo non sorprende.

    Gli autori riassumono il loro lavoro nella conclusione del documento. "Questo lavoro è un passo verso un peso leggero, sistema robotico adattabile in grado di operare in ambienti sotto lo zero. Questo sistema si presta all'auto-riconfigurazione, autoreplicazione e autoriparazione, " loro scrivono.

    "Per spingere verso lo sviluppo di metodi automatizzati per la creazione e l'assemblaggio di questo sistema abbiamo in programma di perseguire un modulo congiunto che può essere facilmente integrato con blocchi di ghiaccio passivi, " scrivono. Ciò renderebbe il sistema IceBot più semplice e modulare.

    Hanno anche spiegato cosa riserva il futuro per il loro concetto IceBot:"Il lavoro futuro aggiuntivo include:determinare una classe generale di superficie su cui questo sistema può muoversi, metodi di utilizzo degli elementi del ghiaccio per interagire con l'ambiente, e ulteriori indagini sui limiti di resistenza delle connessioni tra gli attuatori e il ghiaccio".

    Nel Spettro IEEE colloquio, Carroll ha anche parlato del futuro dei loro sforzi IceBot e ha sottolineato la necessità di modularità. "Il mio obiettivo immediato è progettare un giunto modulare che possiamo utilizzare per unire in modo facile e sicuro gli attuatori con blocchi di ghiaccio, nonché lavorare per sviluppare un effettore finale che ci consentirà di manipolare blocchi di ghiaccio senza deformarli in modo permanente tramite fori per viti o altri , metodi di connessione simili."

    C'è molto lavoro da fare prima che qualsiasi tecnologia di robotica del ghiaccio possa essere implementata. Ma è uno sviluppo allettante, e Europa ed Encelado stanno aspettando. Agenzie come la NASA stanno esaminando da vicino le risorse in situ per le loro missioni sulla Luna e su Marte.

    Il ghiaccio è comune nel sistema solare. Lo spazio è gelido, e molti corpi sono coperti di ghiaccio. Potrebbe esserci un IceBot in situ in futuro?


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