Roboty w eksploracji kosmosu

Człowiek to istota ciekawa świata. Niezależnie w jakiej skali patrzymy, człowieka interesuje to, co znajduje się za zakrętem drogi, za najbliższym wzgórzem, na horyzoncie, czy po drugiej stronie oceanu. Ciekawość zmusza ludzkość do rozwiązywania napotykanych problemów, a tym samym – do rozwoju. To dzięki tej ciekawości staliśmy się dominującym gatunkiem na ziemi, udało się nam zdobyć każdy z lądów i większość niegościnnych ziemskich ekosystemów. Lecz sama planeta to dla nas wciąż za mało. Chęć poznania nieznanego pcha nas w kosmos. Wprawdzie udało się nam zagościć na orbicie wokółziemskiej
(o zadomowieniu się tam możemy na razie jedynie marzyć), odwiedziliśmy księżyc, ale dalsze podróże są dla nas jeszcze nieosiągalne.

W erze wielkich odkryć geograficznych straty w ludziach, czy tez zaginięcia całych ekspedycji były częstym zjawiskiem. Obecnie możemy zastąpić bezcenne życie ludzkie maszyną. Dzięki robotyzacji i automatyzacji możliwe jest eksplorowanie obszarów, które do tej pory znajdowały się poza zasięgiem człowieka. Roboty i automaty pozwoliły nam na dokładniejsze zbadanie atmosfery Wenus (misje Wenera), powierzchni Księżyca (Łunochod, Yutu) i Marsa (Opportunity, Curiosity, Perseverance). Osiągnięcie tego samego z użyciem ludzkich załóg jest dziś niewykonalne.

Programy kosmiczne i eksploracja kosmosu przynoszą wiele dobrego, nie tylko w kontekście naukowym. Praca automatów i robotów mobilnych – łazików – w skrajnie niegościnnym środowisku wiąże się z koniecznością redukcji masy (wyniesienie kilograma na orbitę to koszt kilkunastu/kilkudziesięciu tysięcy dolarów). Dlatego powstał szereg urządzeń i wynalazków, których używamy na codzień, nie zdając sobie nawet sprawy z ich kosmicznej genezy. Jednym z takich wynalazków są miniaturowe kamery w smartfonach. Na potrzeby programu kosmicznego została opracowana matryca CMOS. Matryce te to kluczowy komponent większości kamer cyfrowych (np. kamerki internetowej czy kamerki w smartfonach).

Najnowszym robotem, który wylądował na powierzchni Marsa jest Perseverance – wylądował tam 18 lutego 2021 roku. Perseverance zabrał ze sobą latający pojazd Ingenuity. Jest to niewielki dron, który ma przetestować technologię lotu w atmosferze o ciśnieniu 0,6% ciśnienia atmosfery ziemskiej oraz w obniżonej grawitacji. Jeśli eksperymenty z wykorzystaniem drona powiodą się, możliwe będzie zdalne zaktualizowanie jego oprogramowania, rozszerzające dotychczasowe działania dzięki autonomicznemu oprogramowaniu. W chwili obecnej prowadzone są w NASA prace nad większym pojazdem latającym, który w przyszłości będzie przenosił ładunki takie jak sprzęt pomiarowy.

Inspirowane łazikami marsjańskimi i eksploracją kosmosu są również organizowane w Polsce zawody European Rover Challenge (ERC). Zawody te przyciągają drużyny z całego świata, rywalizujące między sobą w konstruowaniu ziemskich odpowiedników łazików marsjańskich, wykonujących określone zadania. Zawody te są konkursem nie tylko dla konstruktorów, ale również młodych naukowców. Oprócz oceny za zastosowane rozwiązania technologiczne, otrzymuje się punkty za innowacyjność konstrukcji w kontekście naukowym. Łazik pracuje na arenie symulującej powierzchnię Czerwonego Globu (zwanej inaczej Mars yardem) i musi wykonać szereg zadań, takich jak pobranie próbek gruntu, autonomiczne nawigowanie w terenie, czy też obsługa panelu z przełącznikami.

Studenckie koło Naukowe VDesign pracuje obecnie nad projektem łazika na te zawody. Opracowywany pojazd jest oparty o sześciokołowe zawieszenie wraz z manipulatorem o wysokiej precyzji ruchu. Pojazd projektowany jest nie tylko pod kątem realizacji założeń zawodów ERC, ale również jako podstawa do realizacji dalszych projektów związanych z mobilnymi robotami. Projekt ten wyewoluował z 4-kołowego pojazdu opartego na kołach typu mecanum. Pojazd potrafi poruszać się w większej ilości kierunków, w stosunku do pojazdu o kołach tradycyjnych.

Jedną z metod użytą podczas budowy łazika jest tzw. rapid prototyping (szybkie prototypowanie). W tym celu wykorzystywane są technologie skanowania 3D i druku 3D. Dzięki pomiarom komponentów dostępnych rynkowo, możliwe jest opracowanie modelu 3D przy użyciu skanera. Proces ten nazywany jest inżynierią odwrotną, bo to z rzeczywistego obiektu odtwarzamy geometrię i tworzymy dokumentację inżynierską. Modele uzyskane w ten sposób wspomagają proces projektowania poszczególnych podzespołów, zawierających elementy dostępne rynkowo. W procesach opracowywania innowacyjnych rozwiązań szczególnie pomocny jest druk 3D. W tym wypadku użyto technologii FDM, która wykorzystuje tworzywo sztuczne do tworzenia brył trójwymiarowych. Dzięki szybkiej realizacji modelowanego komponentu możliwe jest jego testowanie bez konieczności użycia dużych nakładów czasowych i finansowych, przy użyciu metod obróbki ubytkowej, czyli frezowania bloku aluminiowego na obrabiarce numerycznej.

Opisywany projekt umożliwia zdobycie niesłychanie cennego doświadczenia. Dzięki interdyscyplinarności projektu możliwe jest sprawdzenie się w pracy w zespole, na styku rozmaitych dziedzin i technologii. Taka współpraca umożliwia spojrzenie na pewne zagadnienia z zupełnie innej perspektywy.

mgr inż. Paweł Milan