Iată soluția pentru a curăța gunoiul

Resturile spațiale care orbitează Pământul reprezintă o amenințare serioasă atât pentru echipamente, cât și pentru astronauți, dar în microgravitație și vid, colectarea gunoiului nu este o sarcină ușoară. Cercetătorii americani ar folosi un robot pe bază de gecko pentru a prinde resturile de curse.

Pe măsură ce citiți aceste rânduri, aproximativ 500.000 de bucăți de resturi provenite din echipamentele umane aleargă în spațiul din jurul planetei noastre, unele cu viteze de peste 28.000 de kilometri pe oră. Este ușor de imaginat, mai ales când am văzut Gravitatea, cât de multe resturi spațiale reprezintă pentru sateliți, precum și pentru nave spațiale și echipajele lor.

Curățarea gunoiului spațial este cel mai problematic deoarece se află în spațiu. Discurile de aspirație nu funcționează în vid. Materialele lipicioase utilizate în condiții obișnuite, cum ar fi benzile adezive, sunt, de asemenea, excluse, deoarece compușii care le fac lipicioase nu pot rezista fluctuațiilor extreme de temperatură. De la început, magneții afectează numai obiectele care pot fi magnetizate. Majoritatea soluțiilor propuse până acum, precum coșul de gunoi, sunt riscante, deoarece presupun o coliziune puternică între echipament și gunoi, care poate împinge involuntar bucățile de deșeuri într-o direcție nouă, imprevizibilă.

NASA a fost inspirată de geckos

Pentru a reuși cumva să facă față dezordinii spațiale, Universitatea Stanford și Jet Propulsion Lab (JPL) ale NASA au venit cu un nou tip de robot care ar prinde și elimina deșeurile pe un alt principiu. Dezvoltarea a fost raportată în revista Science Robotics.

Dispozitivul de prindere pe care l-au dezvoltat funcționează pe un principiu de aderență inspirat de studiul geckos, a declarat profesorul Mark Cutkosky, primul autor al articolului. - Dezvoltarea a început ca o ramură a unei lucrări care se desfășoară de aproximativ zece ani. Scopul inițial a fost de a crea roboți de cățărare care se lipesc de suprafață, așa cum fac geckos-urile pe un perete.

Sursa: Flickr/David Lewis

Grupul a testat prinderea, precum și o versiune redusă a acesteia, nu numai în laboratorul de la sol, ci și în diferite spații experimentale cu gravitație zero, inclusiv în Stația Spațială Internațională. Cu rezultate încurajatoare, cercetătorii se întreabă acum cum va funcționa echipamentul în afara incintei stației spațiale.

„Mânerul ar putea fi utilizat într-o serie de misiuni spațiale, de la întâlnirea și andocarea navelor spațiale până la colecția de resturi care orbitează Pământul”, a spus Aaron Parness, șeful grupului de robotică extremă al JPL. "Am putea dezvolta ulterior un asistent robot care să se târască în sus și în jos pe capacul navei spațiale pentru a face reparații, filma și detecta erori."

Cum funcționează piciorul gecko?

Adezivii pe bază de gecko, dezvoltați de Cutkosky Lab, au fost folosiți în trecut pentru roboții de cățărare și chiar într-o aplicație care permite oamenilor să urce pe suprafețe deosebit de alunecoase. Geckoii sunt, de asemenea, capabili să urce pe pereți netezi, deoarece au microfolduri speciale pe picioare. Acestea, astfel încât să se potrivească perfect la suprafață, sunt numite Acestea creează o forță van der Waals care creează atracție între tălpi și perete. Atracția rezultă din interacțiuni intermoleculare slabe individual care apar ca urmare a deplasării norilor externi de electroni ai moleculelor.

Adezivul creat de om rămâne în spatele geckoului în ceea ce privește rafinamentul său - faldurile adezive au o lățime de aproximativ 40 micrometri, în timp ce faldurile tălpii gecko sunt de două sute de ori mai subțiri, aproximativ 200 nanometri - dar principiul lor de funcționare este în esență același. Versiunea artificială, ca și talpa gecko-ului, se lipeste numai atunci când pliurile sunt apăsate în direcția corectă spre suprafață, dar chiar și o forță mică aplicată în direcția corectă este suficientă pentru interacțiune. Această caracteristică îl face deosebit de potrivit pentru colectarea gunoiului spațial.

Peste 23.000 de nave spațiale mai mari de 10 centimetri pot orbita planeta noastră Sursa: Keithcu.com

„Dacă aș încerca să apuc un obiect plutitor cu un adeziv care necesită presiune, acesta ar purta pur și simplu în derivă”, explică Elliot Hawkes de la Universitatea din California, coautor al lucrării. „Cu toate acestea, mai întâi ating piciorul gecko-ului foarte ușor de obiectul plutitor, apoi întorc piciorul astfel încât pliurile să poată găsi o prindere și să pot mișca deja obiectul după bunul plac.”.

Câmpurile adezive au fost plasate pe mai multe suprafețe ale robotului de prindere. Structura poartă un model de tălpi adezive pătrate pe suprafața frontală și pe brațele robotului, care pot fi extinse în toate direcțiile și îndoite spre suprafața frontală ca și cum ar fi îmbrățișate, adezivul este dispus în benzi subțiri. Modelul cu picioare pătrate aplicat pe suprafața frontală este conceput pentru a captura obiecte plane, cum ar fi o celulă solară, în timp ce brațele sunt capabile să captureze un corp de rachetă sau orice alt obiect neregulat, curbat.

Cea mai mare provocare

Una dintre cele mai mari provocări în proiectare a fost modul de distribuire uniformă a forței de prindere pe întreaga suprafață de aderență. Inginerii au rezolvat acest lucru conectând picioarele mici pătrate ale suprafeței frontale cu transmițătoare cu șurub, care reglează și aderența dintre picioarele de prindere și obiectul care trebuie prins. Fără această cuplare forțată, mânerele pătrate nu s-ar comporta într-un mod coordonat: în cazul unei sarcini inegale, ținta ar fi eliberată una câte una, nu dintr-o dată. Echilibrarea sarcinii face, de asemenea, robotul de prindere potrivit pentru lucrul cu obiecte cu suprafețe defecte, cu care nu toate picioarele de prindere pot intra în contact.

Gripper dezvoltat de Cutkosky Lab Sursa: Kurt Hickman/Stanford News Service

De asemenea, grupul s-a asigurat că robotul de prindere poate comuta între modurile flexibile și cele rigide. „Dacă ne imaginăm că vrem să captăm un obiect plutitor, cel mai bine este să fim cât mai flexibili posibil, cu atât ne adaptăm mai bine la forma obiectului, astfel încât să nu-l respingem”, Hao Jiang, doctorand la Cutkosky Lab, ilustrează dificultatea sarcinii. "Cu toate acestea, odată ce l-am apucat, trebuie să fim cât mai rigizi posibil în timpul manipulării ulterioare și cât mai precise posibil, astfel încât să nu existe nici o întârziere sau oscilație între mișcarea brațelor și corpul reținut."

Testele de succes

Grupul a testat mai întâi funcționarea robotului de prindere în condițiile solului din laborator. S-a măsurat cu atenție încărcătura structurii, ceea ce se întâmplă sub diferite forțe de compresiune și torsiune și numărul de ori în care suprafețele adezive pot prinde și elibera obiecte. Ulterior, datorită colaborării lor cu JPL-ul NASA, au reușit să testeze echipamentul în situații reale de gravitație zero.

JPL are o cameră cu podea care acționează ca o masă imensă de hochei cu aer: tot ceea ce pun pe el alunecă fără rezistență. Acest lucru creează un fel de situație „2D-zero gravitațională”, deoarece obiectele în mișcare nu sunt afectate de nicio forță semnificativă în planul podelei. Aici, așa cum a povestit Hawkes, „am urmărit un robot urmărindu-l pe celălalt, capturându-l și apoi trăgând „Cred că a fost foarte instructiv pentru noi toți să vedem o suprafață adezivă relativ mică trăgând un robot de 300 de kilograme”.

Partea de jos a mânerului Sursa: Kurt Hickman/Stanford News Service

Jiang și Parness s-au îmbarcat apoi pe robot și au urcat și coborât în total de 80 de ori pe o orbită parabolică pe parcursul a două zile, urmate de 20 de secunde de dublu gravitație urmate de 20 de secunde de gravitate zero. Robotul de prindere a apucat cu succes în perioadele de cădere liberă și apoi a eliberat un cub și o minge de plajă mare, atât de ușor încât obiectele abia s-au mișcat când au fost eliberate.

În cele din urmă, Parness a proiectat o versiune redusă a robotului care ar putea urca la Stația Spațială Internațională și arăta capacitățile sale acolo. Cu toate acestea, adevăratul test de rezistență va fi atunci când echipamentul este pus în funcțiune în afara stației spațiale. Cu toate acestea, acest lucru necesită ca robotul să fie modificat pentru a fi fabricat din materiale mai durabile și pentru a fi mai rezistent la condiții extreme de temperatură și radiații. Prototipul actual este realizat din placaj tăiat cu laser și are și benzi de cauciuc care ar deveni fragile în spațiu.