Инженеры показали прототип ледяного робота

Американские инженеры создали прототип двухколесного робота IceBot, все основные элементы конструкции которого состоят из водяного льда. Испытания показали, что робот может передвигаться по горизонтальной твердой поверхности при комнатной температуре, а при более низких температурах (до -17 градусов Цельсия) — двигаться по льду и даже преодолевать небольшие подъемы. В работе, которая была представлена на конференции IROS 2020, разработчики отмечают, что их главная цель — проверка возможности использовать лед в качестве основного конструкционного материала. В будущем его можно использовать для создания автоматических систем, способных к самосборке, самовосстановлению и реконфигурации для работы в местах с низкой температурой, где в избытке присутствует водяной лед (например в полярных областях Земли и Марса или на ледяных спутниках Юпитера и Сатурна).

При создании роботов для изучения других планет инженеры уделяют особое внимание их надежности. Такие роботы должны выдерживать нагрузки во время перелета, а после — работать в сложных условиях на поверхности достаточное время, чтобы выполнить поставленные задачи. Тем не менее, каким бы надежным ни был аппарат, рано или поздно случаются поломки и неисправности. И если ремонт бортовой электроники и механизмов скорее всего потребует заранее изготовленных запасных частей, то повреждения элементов конструкции, например, колес ровера, можно было бы устранять, изготавливая необходимые детали на месте из найденных материалов. Конечно, для этого в конструкции робота должны применяться такие же материалы, а робот должен уметь собирать и ремонтировать сам себя. Кроме того, способность самособираться из материалов, найденных на месте работы робота, помогла бы снизить стоимость его доставки на другую планету.

Многие небесные тела в Солнечной системе, потенциально интересные для будущих исследовательских миссий, например, спутники Сатурна и Юпитера Энцелад и Европа, а также полярные области Марса, содержат значительные количества водяного льда. Дэвин Кэррол (Devin Carrol) и Марк Йим (Mark Yim) из Пенсильванского университета решили изучить возможность использования этого материала в конструкции роботов и построили изо льда прототип небольшого робота.

Размеры двухколесного IceBot — 14 × 20 × 13 сантиметров, а его вес составляет 6,3 килограммов. Корпус, колеса и бампер, установленный в передней части, изготавливаются из водяного льда, а в качестве третьей точки опоры в передней части вставлен мяч для пинг-понга. Для управления робота используется микроконтроллер на плате Arduino Micro, которая размещается сверху на корпусе: команды управления поступают с телефона через Bluetooth модуль.

В качестве актуаторов инженеры использовали два электродвигателя, помещенных в защитные кожухи в ледяном блоке корпуса. Такая модульная конструкция позволяет ограничить таяние ледяного корпуса от электрических компонентов, а расположение бортовой электроники сверху, так же как и защитные кожухи на электродвигателях, исключают попадание на них воды в случае тепловыделения.

Для того, чтобы эффективно передать крутящий момент и при этом избежать проскальзывания оси двигателя в колесе, на конце оси закрепляется пластиковая ступица, позволяющая увеличить площадь поверхности, взаимодействующей со льдом. Ступица состоит из нескольких соединенных вместе 3D-печатных зубчатых пластин. Конструкция помещается внутрь колеса, в котором предварительно высверливается отверстие соответствующего диаметра, и которое затем заполняется водой, а после — замораживается. Другие способы изготовления отверстий для внедрения актуаторов в лед, такие как воздействие нагретым стержнем и плавление бутановой горелкой, во время экспериментов приводили к образованию значительного количества горячей воды и нежелательной деформации ледяной детали, поэтому были признаны менее эффективными.

Эксперименты показали, что во время движения робота при комнатной температуре через некоторое время между ним и поверхностью образуется тонкий слой воды, который уменьшает сцепление. Колеса робота начинают проскальзывать, и его подвижность снижается. Временно эту проблему можно решить, увеличивая вес прототипа. При температуре ниже нуля (испытания проходили при -17 градусов Цельсия) робот может уверенно двигаться по ровной ледяной поверхности и преодолевать подъемы до 1,5 градусов. При больших значениях углов колеса начинают скользить: при подъеме от трех градусов и выше робот не может самостоятельно двигаться вверх по склону.

Основной проблемой при создании прототипа ледяного бота, по словам разработчиков, была сложность работы со льдом при комнатной температуре, так как каждые 15 минут им приходилось возвращать материал обратно в морозильную установку, иначе он деформировался, что сказывалось на его дальнейшей стабильности. Перепады температур негативно влияли на соединения ледяных элементов, в которых образовывались трещины. Однако эти проблемы решаются проведением всех работ при низких температурах. Кроме того, при понижении окружающей температуры возрастает коэффициент трения льда, что улучшает возможности робота при подъемах.

По словам авторов, это только первый шаг на пути к созданию системы, работающей при низких температурах и способной к самосборке и автоматическому ремонту. В дальнейшем инженеры планируют разработать автоматизированный метод сборки робота, на основе соединительных модулей, которые интегрируются в блоки льда и не требуют проводных соединений, а для нарезания ледяных модулей планируется использовать нагретую проволоку. Все операции при этом должны выполняться при минимальных затратах энергии, так как ее запасы во время реальных миссий на других планетах будут ограничены.