Naukowcy opracowali robotycznego robaka, który porusza się pod piaskiem

Widzieliśmy roboty wznoszące się w powietrze, nurkujące pod falami i wykonujące wszelkiego rodzaju manewry na lądzie. Teraz naukowcy z UC Santa Barbara i Georgia Institute of Technology badają nową granicę: ziemię pod naszymi stopami. Wzorując się na roślinach i zwierzętach, które ewoluowały, by poruszać się po podziemnych przestrzeniach, opracowali szybkiego, kontrolowanego miękkiego robota, który może przekopywać się przez piasek.

Technologia ta nie tylko umożliwia nowe zastosowania szybkiego, precyzyjnego i minimalnie inwazyjnego przemieszczania się pod ziemią, ale także kładzie podwaliny mechaniczne pod nowe typy robotów.

„Największymi wyzwaniami związanymi z poruszaniem się po ziemi są po prostu zaangażowane siły”, powiedział Nicholas Naclerio, doktorant w laboratorium profesora inżynierii mechanicznej UC Santa Barbara, Elliota Hawkesa i główny autor artykułu w czasopiśmie Science Robotics. Podczas gdy powietrze i woda stawiają niewielki opór poruszającym się przez nie obiektom, wyjaśnił, podziemny świat to inna historia.

Naukowcy mieli dobrą przewagę dzięki przypominającemu winorośl miękkiemu robotowi zaprojektowanemu w Hawkes Lab, który naśladuje rośliny i sposób, w jaki się poruszają, wyrastając z ich końcówek, podczas gdy reszta ciała pozostaje nieruchoma. Zdaniem naukowców w warunkach podziemnych wydłużenie wierzchołka utrzymuje siły oporu na niskim poziomie i zlokalizowane tylko na rosnącym końcu; gdyby całe ciało poruszało się w miarę wzrostu, tarcie na całej powierzchni wzrosłoby, gdy więcej robota wchodziłoby w piasek, aż robot nie byłby już w stanie się poruszać.

Z kolei zwierzęta ryjące służą jako inspiracja dla dodatkowej strategii zwanej fluidyzacją granularną, która zawiesza cząsteczki w stanie płynnym i pozwala zwierzęciu pokonać wysoki poziom oporu stawiany przez piasek lub luźną glebę. Na przykład południowa ośmiornica piaskowa wyrzuca strumień wody w ziemię i używa ramion, aby wciągnąć się w chwilowo rozluźniony piasek. Ta zdolność trafiła do robota naukowców w postaci urządzenia przepływowego opartego na końcówce, które wystrzeliwuje powietrze w obszar tuż przed rosnącym końcem, umożliwiając mu poruszanie się w tym obszarze.

„Największym wyzwaniem, jakie znaleźliśmy i którego rozwiązanie zajęło najwięcej czasu, było przejście na kopanie poziome, a nasze roboty zawsze wychodziły na powierzchnię” — powiedział Naclerio. Podczas gdy gazy lub ciecze równomiernie przepływają nad i pod poruszającym się obiektem symetrycznym, wyjaśnił, w upłynnionym piasku rozkład sił nie jest tak zrównoważony i tworzy znaczną siłę nośną dla poruszającego się poziomo robota. „O wiele łatwiej jest przepchnąć piasek w górę i usunąć go z drogi, niż go ubić”.

Aby zrozumieć zachowanie robota i w dużej mierze niezbadaną fizykę włamań wspomaganych powietrzem, zespół wykonał pomiary oporu i siły nośnej w wyniku różnych kątów przepływu powietrza z końcówki solidnego pręta wbitego poziomo w piasek.

Mały, eksploracyjny, miękki robot, taki jak ten, ma wiele zastosowań, w których potrzebne jest płytkie kopanie w suchych ziarnistych mediach, takich jak pobieranie próbek gleby, podziemne instalacje i kontrola erozji. Przedłużenie końcówki umożliwia zmianę kierunku, jednocześnie pozwalając korpusowi robota na modulację tego, jak mocno jest on zakotwiczony w medium – kontrola, która może się przydać podczas eksploracji w środowiskach o niskiej grawitacji. W rzeczywistości zespół pracuje nad projektem z NASA, aby opracować kopanie w poszukiwaniu księżyca lub jeszcze bardziej odległych ciał, takich jak Enceladus, księżyc Jowisza.

„Wierzymy, że kopanie ma potencjał, aby otworzyć nowe możliwości i umożliwić nowe możliwości pozaziemskiej robotyce” – powiedział Hawkes.