Vi lever i en värld där flera tekniska revolutioner äger rum samtidigt. Medan de språng som sker inom områdena databehandling, robotteknik och bioteknik får stor uppmärksamhet, ägnas mindre uppmärksamhet åt ett område som är lika lovande. Det här skulle vara tillverkningsområdet, där teknologier som 3D-utskrift och autonoma robotar visar sig vara en enorm spelförändring.
Till exempel finns det arbete som bedrivs av MIT:s Centrum för bitar och atomer (CBA). Det är här doktoranden Benjamin Jenett och professor Neil Gershenfeld (som en del av Jenetts doktorsavhandling) arbetar med små robotar som kan montera hela strukturer. Detta arbete kan få konsekvenser för allt från flygplan och byggnader till bosättningar i rymden.
Deras arbete beskrivs i en studie som nyligen dök upp i oktobernumret av IEEE Robotics and Automation Letters . Studien skrevs av Jenett och Gershenfeld, som fick sällskap av doktoranden Amira Abdel-Rahman och Kenneth Cheung – en examen från MIT och CBA, som nu arbetar vid NASA:s Ames Research Center.
Som Gerensheld förklarade i en ny MIT News release , har det historiskt sett funnits två breda kategorier av robotik. Å ena sidan har du dyra robotar tillverkade av anpassade komponenter som är optimerade för särskilda applikationer. Å andra sidan finns det de som är gjorda av billiga massproducerade moduler med lägre prestanda.
Robotarna som CBA-teamet arbetar med – som Jenett har kallat Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer (BILL-E, som WALL-E) – representerar en helt ny gren av robotik. Å ena sidan är de mycket enklare än den dyra, anpassade och optimerade varianten av robotar. Å andra sidan är de mycket mer kapabla än masstillverkade robotar och kan bygga ett större utbud av strukturer.
Kärnan i konceptet är idén att större strukturer kan monteras genom att integrera mindre 3D-bitar – som CBA-teamet kallar 'voxels'. Dessa komponenter är uppbyggda av enkla stag och noder och kan enkelt fästas ihop med enkla låssystem. Eftersom de mestadels är tomma utrymmen, är de lätta men kan fortfarande ordnas för att fördela laster effektivt.
Robotarna liknar samtidigt en liten arm med två långa segment som är gångjärnsförsedda i mitten med en klämanordning i varje ände som de använder för att greppa fast voxelstrukturerna. Dessa bihang låter robotarna röra sig som tummaskar, öppna och stänga sina kroppar för att flytta från en plats till en annan.
Den största skillnaden mellan dessa montörer och traditionella robotar är dock förhållandet mellan robotarbetaren och materialen den arbetar med. Enligt Gershefeld är det omöjligt att skilja denna nya typ av robot från de strukturer de bygger eftersom de fungerar tillsammans som ett system. Detta är särskilt tydligt när det kommer till robotarnas navigationssystem.
Idag kräver de flesta mobila robotar ett mycket exakt navigationssystem för att hålla reda på sin position, som GPS. De nya assemblerrobotarna behöver dock bara veta var de är i förhållande till voxlarna (små subenheter som de för närvarande arbetar med). När en montör går vidare till nästa, justerar den sin positionskänsla genom att använda vad den än arbetar med för att orientera sig.
Var och en av BILL-E-robotarna kan räkna sina steg, vilket förutom navigering gör att den kan korrigera eventuella fel den gör under vägen. Tillsammans med kontrollmjukvara utvecklad av Abdel-Rahman kommer denna förenklade process att göra det möjligt för svärmar av BILL-E att samordna sina ansträngningar och arbeta tillsammans, vilket kommer att påskynda monteringsprocessen. Som Jenett sa :
'Vi lägger inte precisionen i roboten; precisionen kommer från strukturen [när den gradvis tar form]. Det skiljer sig från alla andra robotar. Den behöver bara veta var nästa steg är.'
En prototyp assembler-robot som använder sin tummaskliknande design för att flytta runt en struktur. Kredit: MIT/CBA/Benjamin Jenett
Jenett och hans medarbetare har byggt flera proof-of-concept-versioner av assemblers, tillsammans med motsvarande voxel-designer. Deras arbete har nu kommit till den punkt där prototypversioner kan demonstrera monteringen av voxelblocken till linjära, tvådimensionella och tredimensionella strukturer.
Den här typen av monteringsprocess har redan väckt intresse från NASA (som samarbetar med MIT om denna forskning) och ett holländskt flygföretag Airbus SE – som också sponsrade studien. I NASA:s fall skulle denna teknik vara en välsignelse för dem Automatiserade omkonfigurerbara Mission Adaptive Digital Assembly System (ARMADAS), som medförfattaren Cheung leder.
Syftet med detta projekt är att utveckla den nödvändiga automations- och robotsammansättningstekniken för att utveckla djuprymdinfrastruktur – som inkluderar en månbas och rymdmiljöer. I dessa miljöer erbjuder robotmontörer fördelen av att kunna montera strukturer snabbt och mer kostnadseffektivt. På samma sätt kommer de att kunna utföra reparationer, underhåll och modifieringar med lätthet.
'För en rymdstation eller en månhabitat skulle dessa robotar leva på strukturen och kontinuerligt underhålla och reparera den', säger Jenett. Att ha dessa robotar runt kommer att eliminera behovet av att skjuta upp stora förmonterade strukturer från jorden. När de kombineras med additiv tillverkning (3D-utskrift) skulle de också kunna använda lokala resurser som byggmaterial (en process som kallas In-Situ Resource Utilization eller ISRU).
Konstnärens koncept av en rymdmiljö byggd med ARMADAS-systemet, med ISS i förgrunden. Kredit: NASA
Sandor Fekete är chef för Institutet för operativsystem och datornät vid tekniska universitetet i Braunschweig, Tyskland. I framtiden hoppas han komma in i teamet för att vidareutveckla styrsystemen. Även om det är en betydande utmaning att utveckla dessa robotar till den grad att de kommer att kunna bygga strukturer i rymden, är de applikationer de kan ha enorma. Som Fekete sa :
'Robotar blir inte trötta eller uttråkade, och att använda många miniatyrrobotar verkar vara det enda sättet att få detta kritiska jobb gjort. Detta extremt originella och smarta verk av Ben Jenett och medarbetare gör ett stort steg mot konstruktionen av dynamiskt justerbara flygplansvingar, enorma solsegel eller till och med omkonfigurerbara rymdmiljöer.'
Det råder ingen tvekan om att om mänskligheten vill leva hållbart på jorden eller ge sig ut i rymden, kommer den att behöva förlita sig på en ganska avancerad teknik. Just nu är de mest lovande av dessa de som erbjuder kostnadseffektiva sätt att se till våra behov och utöka vår närvaro över hela solsystemet.
I detta avseende skulle robotmontörer som BILL-E inte bara vara användbara i omloppsbana, på månen eller bortom, utan även här på jorden. När de på liknande sätt paras ihop med 3D-utskriftsteknik, kan stora grupper av robotmontörer programmerade att arbeta tillsammans tillhandahålla billiga, modulära bostäder som kan hjälpa till att få ett slut på bostadskrisen.
Som alltid kan tekniska innovationer som hjälper till att främja rymdutforskningen utnyttjas för att göra livet på jorden enklare också!