Ученые MIT создали кубических роботов, способных менять форму в космосе
Если вы столкнетесь с выбором: отправить в космос рой полноразмерных отдельных роботов или большую команду из более мелких роботизированных модулей, вы можете выбрать последнее.
Модульные роботы, подобные тем, что изображены в таких фильмах, как «Город героев», несут в себе особые надежды благодаря своим способностям к самосборке и реконфигурации. Но при всем амбициозном стремлении к быстрому и надежному развертыванию в областях, простирающихся на исследование космоса, поиск и спасение и изменение формы, модульные роботы, созданные на сегодняшний день, все еще немного неуклюжи.
Как правило, они строятся из набора больших и дорогих двигателей для облегчения движения, что требует столь необходимого внимания к более масштабируемым архитектурам — как в количестве, так и в размере.
Ученые из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (MIT CSAIL) обратились к электромагнетизму — электромагнитным полям, создаваемым движением электрического тока, — чтобы избежать обычной сборки громоздких и дорогих приводов в отдельные блоки.
Вместо этого они встроили в края кубов небольшие, легко изготавливаемые и недорогие электромагниты, которые отталкиваются и притягиваются, позволяя роботам вращаться и перемещаться друг вокруг друга, а также быстро менять форму.
ElectroVoxel имеет длину стороны около 60 мм, а магниты состоят из ферритового сердечника (тип магнитопровода, он выглядит как маленькая черная трубочка), обернутого медной проволокой, общей стоимостью всего $0,60. Внутри каждого куба находятся крошечные печатные платы и электроника, которые пропускают ток через правильный электромагнит в правильном направлении.
В отличие от традиционных петель, которые требуют механического соединения двух элементов, ElectroVoxel полностью беспроводной, что значительно упрощает обслуживание и производство крупномасштабной системы.
Чтобы лучше визуализировать, как группа блоков будет выглядеть во время взаимодействия, ученые использовали программный планировщик, который визуализирует реконфигурации и вычисляет лежащие в их основе электромагнитные распределения. Пользователь может манипулировать до тысячи кубов всего несколькими щелчками мыши или использовать предопределенные сценарии, которые кодируют несколько последовательных поворотов.
Система действительно позволяет пользователю управлять судьбой блоков в разумных пределах — можно изменить скорость, выделить магниты и отобразить необходимые движения, чтобы избежать столкновений. Вы можете указать блокам принимать разные формы (например, стула или дивана).
Дешевые маленькие блоки особенно благоприятны для условий микрогравитации, где любая структура, которую вы хотите запустить на орбиту, должна поместиться внутри ракеты, используемой для ее запуска. После первоначальных испытаний ElextroVoxel ученые обнаружили истинную невесомость при испытании в полете в условиях невесомости с общим стимулом для улучшения инструментов исследования космоса, таких как реконфигурация без топлива или изменение инерционных свойств космического корабля.
Например, за счет использования безтопливного срабатывания нет необходимости запускать дополнительное топливо для реконфигурации, что решает многие проблемы, связанные с массой и объемом запуска.
Таким образом, есть надежда, что этот метод реконфигурации может помочь множеству будущих космических начинаний: увеличение и замена космических структур при нескольких запусках, временные конструкции для помощи при осмотре космического корабля и помощи космонавтам, а также будущие итерации кубов, действующих как самостоятельные сортировщики контейнеров для хранения.
«ElectroVoxel показывает, как спроектировать полностью реконфигурируемую систему, и знакомит наше научное сообщество с проблемами, которые необходимо решить, чтобы иметь полнофункциональную модульную роботизированную систему на орбите. Это исследование демонстрирует, насколько просто создавать, эксплуатировать и обслуживать поворотные кубы с электромагнитным приводом, что позволяет создать гибкую, модульную и реконфигурируемую систему, которая может служить источником вдохновения для разработки интеллектуальных компонентов будущих исследовательских миссий»
Чтобы блоки двигались, они должны следовать определенной последовательности, как маленькие однородные кусочки тетриса. В этом случае последовательность поляризации состоит из трех шагов: запуск, перемещение и ловля, причем на каждой фазе есть путешествующий куб (для перемещения), исходный (откуда запускается путешествующий куб) и пункт назначения (который ловит путешествующий куб).
Пользователи программного обеспечения могут указать, какой куб поворачивать в каком направлении, и алгоритм автоматически вычислит последовательность и адрес электромагнитных назначений, необходимых для этого (отталкивание, притяжение или отключение).
Что касается будущей работы, то переход из космоса на землю является естественным следующим шагом для ElectroVoxel, который потребует более подробного моделирования и оптимизации этих электромагнитов для реконфигурации против гравитации на нашей планете.
«При строительстве большой сложной конструкции вы не хотите, чтобы вас ограничивали доступность и опыт людей, собирающих ее, размер вашего транспортного средства или неблагоприятные условия окружающей среды на месте сборки. Хотя эти аксиомы верны на Земле, они очень важны для создания вещей в космосе. Если бы у вас были структуры, которые собираются из простых однородных модулей, вы могли бы устранить многие из этих проблем. Таким образом, хотя потенциальные преимущества в космосе особенно велики, парадокс заключается в том, что благоприятная динамика, обеспечиваемая микрогравитацией, означает, что некоторые из этих проблем на самом деле также легче решить — в космосе даже крошечные силы могут заставить двигаться большие объекты. Применяя эту технологию для решения реальных краткосрочных проблем в космосе, мы надеемся создать технологию для будущего использования и на Земле»
Ниссер написал статью вместе с Леоном Ченгом и Яшасвини Макарам из MIT CSAIL, доцентом Университета Калгари по компьютерным наукам Рио Судзуки и профессором Массачусетского технологического института Стефани Мюллер. Они представят свою работу на Международной конференции по робототехнике и автоматизации 2022 года. Работа была частично поддержана Инициативой по исследованию космоса Массачусетского технологического института.