Cubi robotici mutano forma nello spazio
Gli ElectroVoxel a riconfigurazione automatica utilizzano elettromagneti incorporati per testare le applicazioni per l’esplorazione dello spazio.
Se di fronte alla scelta di inviare uno sciame di robot distinti e a grandezza naturale nello spazio, o un grande equipaggio di moduli robotici più piccoli, potresti voler arruolare quest’ultimo. I robot modulari, come quelli raffigurati in film come “Big Hero 6”, mantengono un tipo speciale di promessa per le loro capacità di autoassemblaggio e riconfigurazione. Ma nonostante tutto l’ambizioso desiderio di un dispiegamento rapido e affidabile in domini che si estendono all’esplorazione spaziale, alla ricerca e salvataggio e ai mutaforma, i robot modulari costruiti fino ad oggi sono ancora un po’ goffi. Sono in genere costruiti da un serraglio di motori grandi e costosi per facilitare il movimento, che richiede un focus tanto necessario su architetture più scalabili, sia in quantità che in dimensioni ridotte.
Gli scienziati del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT hanno fatto appello all’elettromagnetismo – campi elettromagnetici generati dal movimento della corrente elettrica – per evitare il solito riempimento di attuatori ingombranti e costosi in singoli blocchi. Invece, hanno incorporato elettromagneti piccoli, facilmente fabbricabili ed economici nei bordi dei cubi che si respingono e si attraggono, consentendo ai robot di ruotare e muoversi l’uno intorno all’altro e cambiare rapidamente forma.
Gli “ElectroVoxel” hanno una lunghezza laterale di circa 60 millimetri e i magneti sono costituiti da un nucleo di ferrite (sembrano piccoli tubi neri) avvolti con filo di rame, per un costo totale di soli 60 centesimi. All’interno di ogni cubo ci sono minuscoli circuiti stampati ed elettronica che inviano corrente attraverso l’elettromagnete giusto nella giusta direzione.
A differenza delle cerniere tradizionali che richiedono attacchi meccanici tra due elementi, gli ElectroVoxel sono completamente wireless, rendendo molto più semplice la manutenzione e la produzione per un sistema su larga scala.
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Gli ElectroVoxel sono cubi robotici che possono riconfigurarsi utilizzando elettromagneti. I cubi non hanno bisogno di motori o propellente per muoversi e possono funzionare in microgravità.
Per visualizzare meglio l’aspetto di un gruppo di blocchi durante l’interazione, gli scienziati hanno utilizzato un pianificatore software che visualizza le riconfigurazioni e calcola le assegnazioni elettromagnetiche sottostanti. Un utente può manipolare fino a mille cubi con pochi clic o utilizzare script predefiniti che codificano più rotazioni consecutive. Il sistema consente davvero all’utente di guidare il destino dei blocchi, entro limiti ragionevoli: puoi modificare la velocità, evidenziare i magneti e visualizzare le mosse necessarie per evitare collisioni. Puoi istruire i blocchi ad assumere forme diverse (come una sedia o un divano, perché chi ha bisogno di entrambi?)
I piccoli blocchi economici sono particolarmente di buon auspicio per gli ambienti di microgravità, in cui qualsiasi struttura che si desidera lanciare in orbita deve adattarsi all’interno del razzo utilizzato per lanciarlo. Dopo i test iniziali su una tavola aerea, ElextroVoxels ha trovato la vera assenza di gravità quando è stato testato in un volo in microgravità, con l’impulso generale di migliori strumenti di esplorazione dello spazio come la riconfigurazione senza propellente o la modifica delle proprietà di inerzia di un veicolo spaziale.
Sfruttando l’attivazione senza propellente, ad esempio, non è necessario lanciare ulteriore carburante per la riconfigurazione, che affronta molte delle sfide associate alla massa e al volume del lancio. La speranza, quindi, è che questo metodo di riconfigurabilità possa aiutare una miriade di futuri sforzi spaziali: aumento e sostituzione di strutture spaziali su più lanci, strutture temporanee per aiutare con l’ispezione dei veicoli spaziali e l’assistenza degli astronauti e (iterazioni future) dei cubi che agiscono come auto- smistamento dei contenitori di stoccaggio.
“ElectroVoxels mostra come progettare un sistema completamente riconfigurabile ed espone la nostra comunità scientifica alle sfide che devono essere affrontate per avere in orbita un sistema robotico modulare completamente funzionale”, afferma Dario Izzo, capo dell’Advanced Concepts Team presso l’European Space Agenzia. “Questa ricerca dimostra come i cubi pivotanti azionati elettromagneticamente siano semplici da costruire, utilizzare e mantenere, consentendo un sistema flessibile, modulare e riconfigurabile che può servire da ispirazione per progettare componenti intelligenti di future missioni di esplorazione”.
Per far muovere i blocchi, devono seguire una sequenza, come piccoli pezzi di Tetris omogenei. In questo caso, ci sono tre passaggi per la sequenza di polarizzazione: lancio, viaggio e cattura, con ogni fase che ha un cubo viaggiante (per lo spostamento), uno di origine (dove viene lanciato il cubo viaggiante) e destinazione (che cattura il cubo viaggiante cubo). Gli utenti del software possono specificare quale cubo ruotare in quale direzione e l’algoritmo calcolerà automaticamente la sequenza e l’indirizzo delle assegnazioni elettromagnetiche necessarie per farlo accadere (respingere, attrarre o spegnere).
Per il lavoro futuro, il passaggio dallo spazio alla Terra è il passo successivo naturale per ElectroVoxels, che richiederebbe una modellazione e un’ottimizzazione più dettagliate di questi elettromagneti per eseguire qui la riconfigurazione contro la gravità.
“Quando costruisci una struttura grande e complessa, non vuoi essere vincolato dalla disponibilità e dall’esperienza delle persone che la montano, dalle dimensioni del tuo veicolo di trasporto o dalle condizioni ambientali avverse del sito di assemblaggio. Sebbene questi assiomi siano validi sulla Terra, si combinano severamente per la costruzione di cose nello spazio”, afferma Martin Nisser, dottorando del MIT CSAIL, autore principale di un articolo sugli ElectroVoxel. “Se potessi avere strutture che si assemblano da sole da moduli semplici e omogenei, potresti eliminare molti di questi problemi. Quindi, mentre i potenziali benefici nello spazio sono particolarmente grandi, il paradosso è che la dinamica favorevole fornita dalla microgravità significa che alcuni di questi problemi sono in realtà anche più facili da risolvere: nello spazio, anche piccole forze possono far muovere grandi cose.
Nisser ha scritto il documento insieme a Leon Cheng e Yashaswini Makaram del MIT CSAIL; Ryo Suzuki, assistente professore di informatica all’Università di Calgary; e la professoressa del MIT Stefanie Mueller. Presenteranno il lavoro alla Conferenza Internazionale sulla Robotica e l’Automazione del 2022. Il lavoro è stato sostenuto, in parte, da The MIT Space Exploration Initiative.
Dal MIT
