Как гекконы могут улучшить космические путешествия

Когда в 1950-х годах началась космическая гонка эпохи холодной войны, никто не задумывался о будущей проблеме мусора. Но сейчас на орбите Земли находится более 21 000 осколков орбиты, включая растущий кластер на геосинхронной орбите, где находится много ценных спутников, а также вблизи Международной космической станции на околоземной орбите.

В 2009 году произошло случайное столкновение, которое вырвало спутник связи, и ситуация только ухудшается. Существует даже Межведомственный координационный комитет по космическому мусору, в котором активно участвуют космические программы ряда стран, в том числе США, Индия, Германия, Россия, Корея и Китай.

Доктор Аарон Парнесс, руководитель группы робототехники в Лаборатории реактивного движения НАСА, нашел решение. Его команда создала систему крепления, которая очищает выброшенные корпуса ракет и неработающие спутники. Интересная часть? Это по образцу геккона (да, животное с липкими ногами).

Парнесс начал это исследование, когда он прибыл в Стэнфорд для аспирантуры. «Изначально мы думали о роботах для лазания по стенам, поэтому я был заинтересован в том, чтобы дать им более продвинутую мобильность», - сказал Парнесс PCMag. «Именно тогда я обратился к природному миру для вдохновения. Гекконы - лучшие альпинисты мира; они могут повесить весь свой вес тела с одного пальца на ногу. И способ, которым они могут это сделать, - использовать эту удивительную микроструктуру, которая стоит на ногах: много крошечных волосков."

«Поэтому я начал исследовать создание синтетических версий этих волосков и применять их к нашим роботам для обеспечения вертикального лазания», - продолжил он. «Когда я добрался до JPL, я начал думать о невесомости микрогравитации, которая является гораздо большей проблемой для лазания, чем для ходьбы. Если вы не зависаете на поверхности, вы падаете - вы уплываете в космос».

Эти синтетические волосы, или "стебли", являются упрощенной версией волос на ноге геккона из реальной жизни; в форме клина со скошенным грибовидным колпачком Когда захват слегка касается части объекта, только самые кончики волос касаются этой поверхности. Липкость включается и выключается, в зависимости от направления волос в любое время.

Временная адгезивность объясняется силами Ван-дер-Ваальса (названными в честь нобелевского лауреата по физике Йоханнеса Дидерика ван-дер-Ваальса), где электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов, расположены неравномерно, создавая небольшой электрический заряд и генерируя силу. Усилие прикладывается, увеличивая площадь контакта между «стеблями» и поверхностью, обеспечивая большую адгезию. Когда сила ослаблена, «стебли» возвращаются в вертикальное положение, и липкость отключается.

Захват будет наиболее полезным, когда он присоединен к роботизированным блокам в качестве конечных эффекторов (рук) для участия в совместной работе человека и робота в космосе.

«У астронавтов много ограничений в среде, в которой они работают», - объяснил Парнесс. «У них, например, перчатки под давлением, поэтому их ловкость не такая, как могла бы быть. Поэтому получение роботов, которые помогут им быть эффективными, имеет первостепенное значение. Наша технология захвата могла бы использоваться роботом-ползущим, перемещающимся по внешней стороне Международной космической станции». проводить обычные проверки, уборку, проверку оборудования, чтобы человеку не приходилось одеваться и выходить, пока робот не обнаружит серьезную проблему ».

Все это прекрасно работает в невесомости. Захваты были успешно испытаны в JPL на более чем 30 распространенных материалах, используемых на космических кораблях, а также были испытаны в термовакуумной камере при температуре минус 76 градусов по Фаренгейту для моделирования условий в космосе. Они также прошли испытательный полет в рамках Программы летных возможностей Управления космических технологий НАСА.

«Мы проверили на микрогравитационном самолете НАСА, и никого не вырвало, что было облегчением, потому что оно имеет репутацию человека, больного укачиванием», - сказал Парнесс. «Мы продемонстрировали захваты в нескольких сценариях миссий, таких как сбор мусора и на роботе, осматривающем спутник на предмет технического обслуживания. У нас был плавающий куб весом 10 кг с различными текстурированными поверхностями, обычно используемыми на космическом корабле, и мы смогли захватить его, манипулировать им, и отпустите его так же, как вы можете схватить кусок мусора, буксировать его и отпустить, чтобы он сгорел при входе в атмосферу Земли. Самым сложным было заставить плавающие обломки и оператора находиться в одном и том же месте одновременно, в этом случае робот лучше человека ".

Проверьте их в действии в видео ниже.