Проект ReachBot представляет собой амбициозную попытку переосмыслить мобильность роботов для экстремальных условий космоса. Совместная разработка лабораторий Марко Павоне (AeroAstro) и Марка Куткоски (BDML) при участии геофизика Матье Лапотра направлена на создание устройств, способных исследовать труднодоступные пещеры и лавовые трубки на Марсе и Луне, где традиционные колесные или шагающие механизмы оказываются бессильны.
🌌 Миссия в недра Марса: зачем роботам лезть в пещеры 0:10
Интерес к подземным структурам Марса обусловлен их уникальным геологическим и астробиологическим значением. Лавовые трубки — это естественные тоннели, образовавшиеся в результате остывания потоков лавы . Для исследователей они представляют особую ценность по нескольким причинам:
- Защита от радиации: Поверхность Марса подвергается жесткому облучению, тогда как под землей условия гораздо стабильнее .
- Следы жизни: Если на Марсе когда-либо существовала жизнь, ее остатки с большей вероятностью сохранились в защищенных пещерах, а не на поверхности, выжженной ультрафиолетом .
- База для колонизации: По мнению участников проекта, лавовые трубки — идеальное место для строительства человеческих поселений, так как они защищают от экстремальных перепадов температур и метеоритов .
Однако исследование таких мест — сложнейшая инженерная задача. Ландшафт внутри лавовых трубок (даже на Земле, например, в пустыне Мохаве) состоит из острых камней, крутых обрывов и нависающих поверхностей . Обычные марсоходы там застрянут, а летающие дроны неэффективны в разреженной атмосфере Марса и бесполезны в вакууме Луны .
🕷️ Концепция ReachBot: вдохновение природой и оригами 4:02
Идея ReachBot родилась из необходимости минимизировать массу при максимальном охвате. Доставка каждого килограмма груза на другую планету стоит огромных денег, поэтому инженеры Стэнфорда предложили создать небольшого робота (размером с ручную кладь), оснащенного очень длинными выдвижными конечностями .
В качестве биологического прототипа выступил сенокосец (Harvestman) — паукообразное с крошечным телом и непропорционально длинными ногами . Это позволяет ему перемещаться по крайне пересеченной местности. При масштабировании такой конструкции возникают проблемы: прочность балки растет пропорционально квадрату длины, а масса — пропорционально кубу . Поэтому в мире нет пауков размером с лошадь — они бы просто сломались под собственным весом.
Для решения проблемы хрупкости инженеры применили два принципа:
- Использование космических бумов: Вместо сложных многосуставчатых ног ReachBot использует выдвижные ленты (похожие на строительную рулетку), которые занимают мало места в свернутом виде .
- Работа на растяжение: Выдвижные бумы слабы на изгиб и кручение, но очень прочны на разрыв . Робот фиксирует конечности на стенах и «подтягивает» себя, подобно тому как орангутан перемещается по ветвям, распределяя вес между несколькими точками опоры .
🧗 Искусство захвата: микрошипы и стохастическое моделирование 9:13
Чтобы ReachBot мог удерживаться на скалах, его манипуляторы оснащены «микрошипами» (microspines). Эта технология уже использовалась Стэнфордом в проектах с Boston Dynamics и в роботе LEMUR . Микрошип — это острый стальной зацеп, который находит микроскопические неровности (аспериты) на поверхности камня и цепляется за них .
Поскольку поверхность скал непредсказуема, инженеры используют стохастический анализ (метод Монте-Карло) для расчета надежности захвата :
- Создается «поверхность лимита» (limit surface) — объемная модель в координатах сил (Fx, Fy, Fz), внутри которой захват считается стабильным .
- Если вектор приложенной силы выходит за пределы этой поверхности, шипы либо соскользнут, либо сломаются .
- По словам исследователей, увеличение количества шипов на пальце дает эффект убывающей отдачи: 50 шипов не намного лучше 40, так как становится сложно распределить нагрузку между ними равномерно .
⚙️ Механика «дерева Уиффлтри» и планирование движений 22:32
Для того чтобы захват был надежным, все пальцы робота должны прилегать к камню с одинаковой силой. Вместо того чтобы ставить по мотору на каждый сустав, инженеры применили дифференциальную систему, известную еще со времен Древнего Рима как «whiffle tree» (вага) .
Эта система рычагов используется для распределения тяги между упряжкой волов или лошадей: если одно животное вырывается вперед, система перераспределяет нагрузку так, чтобы все тянули повозку с равным усилием . В ReachBot одна лебедка тянет систему тросов, которая через «дерево Уиффлтри» передает усилие на все пальцы и фаланги, заставляя их плотно обхватывать камень любой формы .
Планирование движений для такого робота превращается в сложную математическую задачу. Согласно теории захвата, для полной фиксации тела в пространстве (6 степеней свободы) при условии, что конечности могут только тянуть, требуется минимум семь опорных точек (n+1) . Чтобы робот мог при этом «шагать» (переставлять одну ногу), ему необходимо восемь конечностей .
🏜️ Испытания в пустыне и поиск «золотой середины» 28:20
В мае 2023 года команда Стэнфорда (Тони Чен, Джулия Ди и Стефани Шнайдер) отправилась в пустыню Мохаве для полевых тестов . Они использовали одну конечность ReachBot, установленную на штативе, чтобы проверить способность захвата удерживаться на реальной лаве . Видеозаписи подтвердили: система успешно находит точки опоры и выдерживает значительные нагрузки на растяжение .
Однако представители NASA отметили, что конструкция с восемью плечами и восемью бумами слишком сложна и дорога . Это заставило команду искать альтернативные варианты:
- Минималистичный ReachBot: Робот с одной рукой и системой тросов. Он выстреливает захват на магните или крюке, закрепляется и подтягивается по струне. Это дешево, но очень медленно .
- RB Quad: Четырехногая версия, использующая более жесткие бумы (похожие на лодочные багры), которые могут работать не только на растяжение, но и немного на изгиб .
- Гибрид с ANYmal: Исследователи экспериментируют с установкой выдвижного бума на существующего четвероногого робота от швейцарской компании ANYbotics .
⚠️ Риски и вызовы: темнота и «каскадный отказ» 42:36
Несмотря на успехи, проект сталкивается с серьезными вопросами. Одной из главных опасностей является внезапный срыв захвата. Из-за стохастической природы взаимодействия шипов с камнем всегда есть вероятность (около 5–10%), что зацеп сорвется . В этот момент сила натяжения мгновенно падает до нуля, что вызывает резкое колебание всего корпуса робота и может привести к «каскадному отказу» остальных точек опоры .
Другая проблема — полная темнота марсианских пещер. Роботу придется нести собственные источники света . Однако, по мнению Куткоски, это дает преимущество: можно использовать активное освещение под разными углами для лучшего распознавания рельефа камерами .
Участники семинара сошлись во мнении, что ReachBot представляет собой радикально новый подход к планетоходам. Вместо того чтобы бороться с рельефом, робот использует его как сеть опорных точек, превращая передвижение в серию высокоточных манипуляций.
