Что делает уборку особенно сложной задачей, так это то, что мусор существует в космосе. Присоски не работают в вакууме. Традиционные липкие вещества, такие как лента, в значительной степени бесполезны, потому что химические вещества, которые они используют, не выдерживают резких перепадов температуры. Магниты действуют только на магнитные объекты.
Большинство предлагаемых решений, включая гарпуны для мусора, либо требуют, либо вызывают сильное взаимодействие с мусором, которое может толкать эти объекты в непредвиденных, непредсказуемых направлениях.Чтобы решить эту проблему, исследователи из Стэнфордского университета и Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) разработали новый вид роботизированного захвата для захвата и удаления мусора, о котором говорилось в выпуске журнала Science Robotics от 27 июня.«Мы разработали захват, в котором используются клеи на основе гекконов», — сказал Марк Каткоски, профессор машиностроения и старший автор статьи. «Это результат работы, которую мы начали около 10 лет назад над альпинистскими роботами, которые использовали клеи, вдохновленные тем, как гекконы прилипают к стенам».
Группа испытала свой захват и уменьшенные версии в своей лаборатории и в нескольких экспериментальных помещениях с невесомостью, включая Международную космическую станцию. Обнадеживающие результаты этих первых испытаний заставили исследователей задуматься о том, как их захваты будут работать за пределами станции, что, вероятно, станет следующим шагом.
«Есть много миссий, которые выиграют от этого, например, рандеву, стыковка и устранение орбитального мусора», — сказал Аарон Парнесс, магистр наук ’06, доктор философии ’10, руководитель группы робототехники в экстремальных условиях в JPL. «В конечном итоге мы могли бы разработать помощника-альпиниста, который мог бы ползать по космическому кораблю, ремонтировать, снимать видео и проверять наличие дефектов».Создание захвата для гекконаКлеи, разработанные лабораторией Каткоски, ранее использовались в скалолазных роботах и ??даже в системе, которая позволяла людям взбираться по определенным поверхностям.
Их вдохновили гекконы, которые могут лазать по стенам, потому что на их ступнях есть микроскопические отвороты, которые при полном контакте с поверхностью создают силу Ван-дер-Ваальса между ступнями и поверхностью. Это слабые межмолекулярные силы, которые возникают из-за тонких различий в положении электронов на внешней стороне молекул.
Захват не такой сложный, как лапка геккона — створки клея составляют около 40 микрометров в поперечнике, а у геккона — около 200 нанометров, — но клей, вдохновленный гекконом, работает примерно так же. Как и лапка геккона, она липкая только в том случае, если створки толкать в определенном направлении, но для того, чтобы она прилипла, требуется лишь легкий толчок в правильном направлении. Это полезная функция для задач, которые может выполнять космический захват.«Если бы я вошел и попытался нанести чувствительный к давлению клей на плавающий объект, он бы ускользнул», — сказал Эллиот Хоукс, MS ’11, PhD ’15, приглашенный доцент из Калифорнийского университета, Санта-Барбара и США. соавтор статьи. «Вместо этого я могу очень осторожно прикоснуться липкими подушечками к парящему объекту, прижать подушечки друг к другу, чтобы они зафиксировались, а затем я могу перемещать объект».
Подушечки разблокируются одним и тем же мягким движением, создавая очень небольшую силу против объекта.Захват, созданный исследователями, имеет сетку из клейких квадратов спереди и руки с тонкими липкими полосками, которые могут складываться и двигаться к середине робота с любой стороны, как если бы он предлагал объятия. Сетка может прилипать к плоским объектам, таким как солнечная панель, а руки могут захватывать изогнутые объекты, такие как корпус ракеты.
Одна из самых больших проблем в работе заключалась в том, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки на клеи, чего исследователи достигли, соединив маленькие квадраты через систему шкивов, которая также служит для блокировки и разблокировки подушечек. Без этой системы неравномерное напряжение заставило бы квадраты отклеиваться один за другим, пока не отпустится весь захват. Эта система распределения нагрузки также позволяет захвату работать на поверхностях с дефектами, которые предотвращают прилипание некоторых квадратов.
Группа также разработала захват для переключения между расслабленным и жестким состоянием.«Представляя, что вы пытаетесь схватить плавающий объект, вы хотите приспособиться к этому объекту, оставаясь при этом максимально гибким, чтобы не отталкивать этот объект», — объяснил Хао Цзян, аспирант лаборатории Каткоски и ведущий автор статьи. «После захвата вы хотите, чтобы ваши манипуляции были очень жесткими, очень точными, чтобы вы не чувствовали задержек или провисания между вашей рукой и вашим объектом».Клей в стиле геккона с нулевой гравитацией
Группа сначала проверила захват в лаборатории Каткоски. Они тщательно измерили, какую нагрузку может выдержать захват, что происходит при приложении различных сил и крутящих моментов и сколько раз он может заклинивать и открепляться.
В рамках сотрудничества с JPL исследователи также протестировали захват в условиях невесомости.В Robodome JPL они прикрепили маленькие прямоугольные руки с помощью клея к большому роботу, а затем поместили этого модифицированного робота на пол, который напоминал гигантский стол для аэрохоккея, чтобы имитировать 2D-среду с невесомостью. Затем они попытались заставить своего робота перемещаться по полу без трения, захватывать и перемещать похожего робота.«Мы попросили одного робота преследовать другого, поймать его, а затем потянуть обратно туда, куда мы хотели», — сказал Хоукс. «Я думаю, что это определенно открыло глаза, чтобы увидеть, как относительно небольшой кусок нашего клея может тянуть за 300-килограммового робота».
Затем Цзян и Парнесс отправились в полет на параболическом самолете, чтобы проверить захват в условиях невесомости. За два дня они совершили серию из 80 подъемов и погружений, в результате чего в кабине попеременно длится около 20 секунд 2G и 20 секунд невесомости.
Захват успешно схватил и отпустил куб и большой пляжный мяч с достаточно нежным прикосновением, чтобы предметы едва двигались при отпускании.Наконец, лаборатория Парнесса разработала небольшой захват, который был установлен на Международной космической станции (МКС), где они проверили, насколько хорошо захваты работают внутри станции.Следующие шаги для захвата включают его подготовку к испытаниям за пределами космической станции, в том числе создание версии из более долговечных материалов, способных выдерживать высокие уровни излучения и экстремальные температуры. Текущий прототип изготовлен из фанеры, вырезанной лазером, и включает в себя резиновые ленты, которые в космосе станут хрупкими.
Исследователям придется сделать что-то более прочное для испытаний за пределами МКС, вероятно, предназначенное для прикрепления к концу руки робота.Вернувшись на Землю, Каткоски также надеется, что они смогут производить большее количество клея по более низкой цене.
Он воображает, что когда-нибудь клей, вдохновленный гекконом, может стать таким же обычным явлением, как липучка.