Este equipo de robots con patas podría ser el futuro de la exploración de Marte

Si hubieras sido una mosca en la pared de la sala de conciertos Rockhal en Luxemburgo en septiembre de 2022, habrías sido recibido por un espectáculo extraño: no había bandas ni multitudes aclamando a la vista, sino un área llena de 220 toneladas de lava. y roca, con equipos de robots arrastrándose por el suelo polvoriento en busca de recursos.

Fue la segunda y última ronda del Desafío de Recursos Espaciales de la Agencia Espacial Europea (ESA), que invitó a grupos de investigación a traer sus prototipos de robots y probar sus capacidades para buscar recursos en un entorno lunar simulado. La idea era buscar ideas brillantes para la próxima generación de exploradores espaciales robóticos que pudieran ayudar a localizar y mapear los recursos lunares, como el agua, que son esenciales para futuras misiones tripuladas.

Uno de los equipos ganadores del desafío fue un trío de robots con patas que trotaban, trepaban y hurgaban por la arena, trabajando juntos para mapear, identificar y recolectar muestras científicas. Aunque este desafío se centró en la Luna, los mismos principios podrían aplicarse a los robots destinados a Marte y otros cuerpos planetarios, y este enfoque podría permitir a los robots explorar nuevos entornos que nunca antes se habían visto.

Hablamos con Hendrik Kolvenbach del Laboratorio de Sistemas Robóticos de ETH Zurich, el grupo que creó los robots con patas, para obtener más información.

Una idea con piernas

Los aspirantes a robots lunares no se construyen desde cero; Comienzan como robots disponibles comercialmente de ANYbotics, que crea robots con patas similares a los de Boston Dynamics. Estos modelos se utilizan principalmente para inspecciones industriales, pero también podrían tener potencial para exploración fuera del mundo.

El Laboratorio de Sistemas Robóticos ha personalizado el hardware y el software de estos robots, incluso agregando un brazo robótico para agarrar rocas de la superficie marciana y probar diferentes patrones de marcha para hacer frente a los cambios del terreno. Aproximadamente del tamaño de un perro mediano, la versión de los robots utilizados en el desafío de la ESA pudo transportar una pequeña carga útil de hasta 33 libras, pero Kolvenbach dijo que los sistemas más nuevos pueden transportar hasta 110 libras.

Eso es suficiente para que un robot con patas pueda transportar instrumentos científicos como cámaras, espectrógrafos o incluso un pequeño taladro. Los robots se entrenan mediante aprendizaje reforzado, por lo que aprenden a moverse en entornos difíciles mediante simulaciones. Incluso pueden aprender a usar tres de sus piernas para pararse mientras usan su cuarta extremidad para pinchar y manipular objetos en su entorno.

El objetivo final de dicha investigación es crear sistemas de hardware modulares. En lugar de tener que construir exploradores espaciales desde cero para cada misión, las misiones futuras podrían aprovechar el desarrollo de tecnología robótica aquí en la Tierra que utiliza una configuración básica que se puede adaptar con diferentes instrumentos y software según sea necesario.

Kolvenbach lo comparó con la idea de CubeSats , una interfaz estandarizada y un factor de forma que permite la incorporación de diferentes cargas útiles, abaratando el desarrollo espacial y haciendo que el hardware sea reutilizable.

Explorando lo desconocido

Los robots con ruedas como los rovers Curiosity y Perseverance que actualmente exploran Marte son excelentes para algunas cosas. Viajan relativamente rápido a través de terrenos abiertos y son capaces de sortear o pasar por encima de rocas sorprendentemente grandes y otros obstáculos. Incluso cuando sus ruedas inevitablemente sufren daños por años de arrastrarse por la superficie marciana, como le sucedió al Curiosity , aún pueden seguir adelante siempre que los conductores tengan cuidado.

Entonces, ¿por qué serían necesarios robots con patas? Todo depende de los entornos que las misiones quieran explorar. Tanto Marte como la Luna tienen superficies cubiertas de material polvoriento llamado regolito, por ejemplo, que los vehículos exploradores están diseñados para atravesar.

Pero ambos lugares también tienen regiones subterráneas intrigantes, como tubos de lava, que son estructuras similares a cuevas debajo de la superficie creadas por el paso de lava caliente hace mucho tiempo.

Estos tubos de lava son de gran interés científico , y también existe un interés práctico en utilizarlos como refugio para futuras misiones tripuladas, ya que los astronautas podrían establecer bases subterráneas en ellos y estar protegidos de la peligrosa radiación en la superficie. Pero nadie sabe exactamente cómo son estos entornos, por lo que cualquier robot que desee explorarlos tendría que ser versátil y capaz de afrontar desafíos inesperados.

Los robots con patas son ideales para este tipo de entorno. También son muy adecuados para afrontar pendientes pronunciadas, como las que se encuentran en los cráteres. Esto es útil para áreas como el polo sur de la Luna, un punto actual de actividad de exploración que alberga cráteres que están permanentemente en sombra y que podrían albergar recursos vitales de hielo de agua.

Las pendientes pueden ser complicadas. "Con los robots con ruedas siempre tenemos un problema de tracción", explicó Kolvenbach. "El regolito es un material seco y granular y hay muchos casos en los que los rovers se quedan atascados".

Los robots con patas son “generalmente más móviles, pero esto tiene un costo”. Para áreas planas sin grandes desafíos, los robots con ruedas son más eficientes y no hay necesidad de robots con patas más complejas. Para obtener una visión general amplia de una región grande, existe la opción de realizar estudios desde el aire, como lo demuestra el helicóptero Mars Ingenuity. Pero cuando se trata de terrenos impredecibles y no estructurados, los robots con patas son "muy ágiles y robustos", afirmó Kolvenbach. "Aquí es donde reside el valor único de estos robots".

Trabajando en equipo

Otra forma de abordar los desafíos de la exploración robótica es considerar las posibilidades del trabajo en equipo. Dado que cada robot con patas es mucho más pequeño que un rover actual en Marte, se necesitarían varios de ellos para transportar la misma carga útil que un robot de una sola rueda. Pero esto puede ser una ventaja, ya que los robots pueden trabajar individualmente y en equipo.

Para el desafío de la ESA, el laboratorio utilizó un equipo de robots de tres patas, aunque en teoría un equipo podría ser más grande o más pequeño según lo requiera la misión. Al cambiar la forma en que se distribuyen las diferentes cargas útiles entre los miembros del equipo, puedes crear robots especialistas. Por ejemplo, un robot podría llevar herramientas para mapear rápidamente un área grande, mientras que otro llevaría instrumentos científicos para investigar en detalle puntos de interés particulares.

Esto también aporta los beneficios de la redundancia, ya que las funciones más vitales se pueden compartir entre los miembros del equipo. Entonces, si un robot falla por cualquier motivo, los demás aún pueden seguir operando y hacerse cargo de la mayoría de las tareas del robot fallido.

En cuanto a cómo un equipo de robots podría comunicarse entre sí, se están considerando varios enfoques en la comunidad de robótica. Una es tener una base central que coordinaría las acciones de cada robot. Esto sería ideal para explorar áreas grandes y abiertas, ya que se podrían enviar robots en diferentes direcciones para realizar tareas como recolectar muestras, que luego podrían llevarse a la base para su análisis. Los instrumentos más grandes y pesados ​​podrían permanecer en la unidad base central, con robots actuando como mensajeros.

Otro enfoque es utilizar nodos de comunicación, con robots que actúan como relés para enviar comandos. Sería ideal para explorar regiones subterráneas donde las comunicaciones podrían ser limitadas. Los robots podrían dejar un rastro de sensores similar a una ruta de navegación para transmitir comandos, lo que les permitiría comunicarse incluso en entornos desconocidos.

El beneficio real de este enfoque es la flexibilidad. Las cargas útiles que lleva cada robot, cuántos robots forman parte de un equipo y cómo está estructurado ese equipo se pueden ajustar en función de las necesidades de una misión o entorno en particular.

Llegar al espacio

Los robots con patas con los que los investigadores han estado trabajando son hardware comercial, por lo que, si bien muestran la promesa de la tecnología para la exploración espacial, están muy lejos de ser dignos de ser espaciales. Colocar hardware en una misión espacial tiene requisitos estrictos, desde la capacidad de soportar una amplia gama de temperaturas hasta el manejo de las vibraciones y los impactos del lanzamiento, pasando por la necesidad de una confiabilidad extremadamente alta, ya que no hay talleres de reparación fuera de la Tierra.

Entonces, en preparación, el equipo está trabajando en un robot con patas listo para vuelos espaciales llamado Space Hopper . "Es un robot de escala relativamente pequeña", dijo Kolvenbach. Pesa menos de 22 libras y utiliza hardware disponible para vuelos espaciales. Fue un primer paso pragmático porque “la transferencia de un prototipo de investigación a una sonda espacial real requiere mucho trabajo de ingeniería. Entonces decidimos hacer algo a pequeña escala”.

Esperan que Hopper esté listo para volar como demostración de tecnología en los próximos años, justo a tiempo para el aumento de las misiones comerciales y de agencias espaciales a la luna. Con suerte, abrirá la puerta a un mayor desarrollo de robots con patas más grandes y complejos para explorar nuevos entornos.

Kolvenbach describe el uso futuro de robots con patas como algo “obvio”. Hay muchos casos en los que un robot con ruedas todavía tiene sentido para la exploración planetaria, pero cuando se trata de explorar entornos más desafiantes y científicamente interesantes, ve los robots con patas como el futuro.

"Hay una clara necesidad de esto", dijo. “Hemos realizado muchas misiones en el pasado en entornos fáciles y relativamente planos en otros cuerpos celestes. Pero la tendencia ahora va hacia estos entornos más desafiantes, porque allí se puede hacer ciencia muy interesante. Por parte de la comunidad científica, existe claramente una exigencia de ir allí. Y los robots con patas son una de las tecnologías emergentes que pueden llevarnos allí para hacer esa ciencia”.