De ESA helpt een groep studenten uit Zürich bij het testen en ontwikkelen van hun hopping-verkenningsrobot. Genaamd SpaceBok, de robot is ontworpen om te werken op lichamen met een lage zwaartekracht zoals de maan of asteroïden. Het is gebaseerd op het concept van 'dynamisch lopen', iets dat dieren op aarde gebruiken.
Rovers als Spirit, Opportunity en Curiosity hebben geweldig werk verricht om Mars te verkennen. Maar die wielvoertuigen hebben hun beperkingen: er zijn een aantal plaatsen waar ze gewoon niet kunnen komen. Zoals de kleine springrobot MASCOT ons op het oppervlak van de asteroïde Ryugu liet zien, hebben springrobots iets te bieden.
Een groep studenten van instellingen in Zürich ontwikkelt een van de meest geavanceerde robotverkenners ooit. SpaceBok is een vierbenige robot die wordt getest in het technische centrum van ESA's ESTEC in Nederland. Het hele idee is geïnspireerd op de astronauten die naar de maan zijn gegaan.
Toen Amerikaanse astronauten op de maan arriveerden, kwamen ze er al snel achter dat hoppen een natuurlijke manier was om zich te verplaatsen. Door de lage zwaartekracht was het een efficiënte manier van voortstuwing, althans voor lichamen met een laag gewicht.
"Voor omgevingen met een lagere zwaartekracht van de maan, Mars of asteroïden, blijkt het op deze manier van de grond springen een zeer efficiënte manier te zijn om je te verplaatsen."
Hendrik Kolvenbach van het Robotic Systems Lab van ETH Zürich
Het team van studenten uit Zürich, onder leiding van promovendus Hendrik Kolvenbach van ETH Zurich's Robotic Systems Lab, werkt al een tijdje aan de RobotBok. Hun ontwerp is gebaseerd op dieren zoals herten en antilopen (Sprinbok) en hoe ze onder bepaalde omstandigheden snel bewegen.
"In plaats van statisch lopen, waarbij ten minste drie benen te allen tijde op de grond blijven, zorgt dynamisch lopen voor gangen met volledige vluchtfasen waarin alle benen van de grond blijven", zei Kolvenbach in een persbericht.
In het verleden was het bouwen van dit soort robots niet mogelijk. Maar technologische vooruitgang maakt hun ontwikkeling haalbaar. "Dieren maken vanwege hun efficiëntie gebruik van dynamische gangen, maar tot voor kort maakten de rekenkracht en algoritmen die nodig zijn voor de besturing het een uitdaging om ze op robots te realiseren", aldus Kolvenbach.
Toen astronauten op de maan landden, was springen een instinctieve reactie op de lage zwaartekracht daar. Maar het was gemakkelijker voor hen; wij mensen hebben een natuurlijk evenwicht. Voor robots moet die mogelijkheid zorgvuldig worden ontworpen en ingebouwd, net als een ruimtevaartuig.
“Astronauten die in de een-zesde zwaartekracht van de maan bewegen, namen instinctief het springen over. SpaceBok kan mogelijk tot 2 m hoog worden in de zwaartekracht van de maan, hoewel een dergelijke hoogte nieuwe uitdagingen met zich meebrengt. Zodra hij van de grond komt, moet de robot met poten zichzelf stabiliseren om weer veilig naar beneden te komen - hij gedraagt zich op dit moment eigenlijk als een mini-ruimtevaartuig '', zegt teamlid Alexander Dietsche.
"Dus wat we hebben gedaan, is een van de methoden gebruiken die een conventionele satelliet gebruikt om zijn oriëntatie te regelen, een reactiewiel genoemd. Het kan worden versneld en vertraagd om in SpaceBok zelf een gelijke en tegengestelde reactie te veroorzaken ', legt teamlid Philip Arm uit.
Ook al kunnen mensen en dieren met natuurlijk gemak springen, toch heeft een springrobot als SpaceBok enkele voordelen. Het kan energie opslaan.
"Bovendien bevatten de SpaceBok-poten veren om energie op te slaan tijdens de landing en deze af te geven bij het opstijgen, waardoor de energie die nodig is om die sprongen te bereiken aanzienlijk wordt verminderd", voegt een ander teamlid, Benjamin Sun.
Hoewel het team denkt dat SpaceBok op de maan tot een hoogte van 2 meter (6,5 voet) zou kunnen springen, zijn ze er nog niet. Tot dusver hebben ze een hoogte van 1,3 (4,2 ft) meter bereikt in gesimuleerde maanzwaartekracht.
Met de testfaciliteit in Nederland kan het team verschillende zwaartekrachtomgevingen simuleren. Op asteroïden kan de robot zelfs hoger dan 2 meter springen en voor langere tijd, maar dat vereist nog betere controles om veilige landingen uit te voeren.
Een andere test maakte gebruik van een extreem vlak oppervlak, de Orbital Robotics Bench for Integrated Technology (ORBIT.). ORBIT kan SpaceBok in twee dimensies testen. Bij deze test werd de robot op zijn kant geplaatst en op een vrij zwevende basis bevestigd. Vervolgens stuiterde het heen en weer op ORBIT, om de extreem lage zwaartekracht van asteroïden te simuleren.
Testen gaat goed voor SpaceBok. Maar dit is allemaal vlak oppervlak, vastgebonden testen in laboratoriumomstandigheden. Het team heeft wat testen uitgevoerd op oneffen oppervlakken op de ESA-werf in Mars, maar het moet meer worden getest met obstakels die moeten worden overwonnen. Een deel daarvan zal uiteindelijk buitenshuis worden gedaan.
Bronnen:
- Persbericht: Jumping Space Robot Flies Like A Spacecraft
- ESA: automatisering en robotica
- Space Magazine: Een Duits-Franse springrobot is net geland op het oppervlak van de asteroïde Ryugu
