چگونه می‌توان رباتی ساخت که بتواند در مریخ راه برود؟

از مریخ‌نورد سوجورنر که سال ۱۹۹۷ روی مریخ فرود آمد تا پرسویرنس که اسفند سال گذشته به جمع کاوشگران مریخی پیوست، ربات‌های سیاره سرخ همگی از ویژگی تعیین‌کننده مشترکی برخوردار هستند: چرخ‌ها. غلتیدن درمقایسه‌با راه‌رفتن که حتی ربات‌های روی زمین هنوز به‌سختی در تکاپو برای یادگیری کامل آن هستند، بسیار پایدارتر و بهینه‌تر ازنظر مصرف انرژی است. علاوه‌براین‌، ناسا به‌هیچ‌وجه نمی‌خواهد کاوشگر مریخی بسیار گران‌قیمتش حین مأموریت واژگون شود و همانند لاک‌پشت به پشت خود بیفتد. بااین‌حال، مشکل چرخ‌ها این است که توانایی مریخ‌نورد در کاوش مکان‌های مختلف را محدود می‌کنند.

برای اکتشاف سطوح ناهموار مریخی همچون تپه‌های شیبدار، به پاهایی نیاز دارید که تکامل آن‌ها را به حیوانات روی زمین بخشیده است؛ ازاین‌رو، تیمی از دانشمندان از مؤسسه فناوری فدرال زوریخ در سوئیس و مؤسسه پژوهش‌های منظومه شمسی ماکس پلانک در آلمان در حال آزمودن ربات چهارپای کوچکی به نام اسپیس‌باک هستند که به‌منظور شبیه‌سازی نوعی شاخ‌دراز به‌ نام غزال جهنده طراحی شده است.

غزال جهنده واقعی همان‌طورکه از نامش برمی‌آید، احتمالا به‌منظور گیج‌کردن شکارچیاندر صحراهای آفریقا جست‌وخیز می‌کند. طرح مفهومی اصلی ربات که سال ۲۰۱۸ معرفی شد، درواقع می‌خواست کاوشگر همانند فضانوردانی روی سطح ماه بپرد که برای جابه‌جایی در گرانش ضعیف قمری به هوا می‌پریدند. عمل پریدن ممکن است روی قمر ما جواب دهد که چشم‌انداز نسبتا مسطحی دارد؛ اما انجام آن در مریخ باتوجه‌به سطوح ناهموار مملو از شن و سنگ و دامنه‌های شیبدار احتمالا بسیار خطرناک خواهد بود. درنتیجه، اکنون پژوهشگران در حال اصلاح اندام‌های حرکتی و نحوه راه‌رفتن ربات هستند تا دریابند آیا می‌تواند ازپسِ جابه‌جایی در چشم‌اندازهای خشن‌تر بربیاید یا نه.

تیم پژوهشی در آزمایش‌های جدید اسپیس‌باک را با طرز راه‌رافتن سنتی‌تر و کمتر جهنده برنامه‌ریزی کرد. به‌طور مشخص، پژوهشگران می‌خواستند دو نوع راه‌رفتن را با یکدیگر مقایسه کنند: گام‌برداشتن «ایستا» که در آن دست‌کم سه عضو حرکتی در زمان مشخص در تماس با زمین هستند و روش «پویا» که در آن هم‌زمان بیش از یک عضو حرکتی می‌تواند از زمین جدا شود. روش اول قاعده‌مند‌تر است؛ اما شیوه دوم بدین‌دلیلکارآمدتر است که امکان حرکت سریع‌تر را به ربات می‌دهد.

پژوهشگران نسخه‌هایی از اسپیس‌باک را نیز به دو نوع پا مجهز کردند: نقطه‌ای و مسطح. پای نقطه‌ای همانند سم غزال جهنده واقعی مساحت سطحی کمی دارد. درمقابل، پاهای مسطح درواقع دایره‌های چرخان صافی هستند که هنگام تماس پا با زمین در یک زاویه خم می‌شوند. این مدل پا بیش از سُم به کفش برفی شباهت دارد یا درحقیقت به‌دلیل داشتن برآمدگی‌هایی که در چسبیدن به زمین به آن کمک می‌کنند، مشابه کفش برفی با گل‌میخ است.

^{به سطح بزرگ پای مسطح توجه کنید.}

به‌محض آنکه پژوهشگران پیکربندی‌های متفاوتی از طرز راه‌رفتن‌ها و پاها داشتند، توانستند ربات را سفارشی‌سازی کنند. آن‌ها ربات را در جعبه‌شنی بسیار بزرگ مورب و پرشده از موادی رها کردند که به خاک موجود روی مریخ شباهت دارد. بدین‌ترتیب، تیم پژوهشی توانست بیازماید آیا هیچ‌یک از آن پیکربندی‌ها به ربات امکان می‌دهند از سطح ۲۵ درجه بالا رود یا نه. پژوهشگران با نظارت بر مصرف انرژی ربات، توانستند میزان بهینگی هرکدام از پیکربندی‌های طرز راه‌رفتن و پاها را کمیت‌سنجی کنند.

پژوهشگران درپیش‌مقاله‌ای جدیدکه برای انتشار در نشریه فیلد رباتیکس پذیرفته شده است، تلاششان را توصیف کردند. آن‌ها نشان دادند ربات می‌تواند به‌طرز ماهرانه و کارآمد و بدون آنکه واژگون شود، از تپه مریخی شبیه‌سازی‌شده بالا رود.هندریک کولونباخ، متخصص رباتیک مؤسسه فناوری فدرال زوریخ و نویسنده اصلی مطالعه می‌گوید: «می‌خواستیم نشان دهیم این سامانه‌های فعال پویا امروزه می‌توانند واقعا روی خاک مریخی راه بروند. این فناوری ظرفیت‌های فراوانی برای اکنون و آینده دارد.»

به‌طرز جالبی ربات صرفا با استفاده از پاهای مسطح و پاهای نقطه‌ای به‌خوبی از تپه بالا رفت. نسخه مسطح به ربات امکان داد روی شن قرار گیرد؛ درعوض، نسخه نقطه‌ای در شن فرومی‌رود و نوعی تکیه‌گاه فراهم می‌کند. کولونباخ بیان می‌کند: «یکی از یافته‌های غافلگیرکننده این بود که پای نقطه‌ای در این شیب، به‌خصوص به‌دلیل فرورفتن زیاد عملکرد آن‌چنان بدی نداشت. درواقع آن پاها موضع کاملا پایداری ارائه می‌دهند.»

هر دو نوع پا عملکرد موفقی در خاک مریخی شبیه‌سازی‌شده داشتند؛ اما در محیط واقعی سیاره سرخ، احتمال می‌رود سنگ‌های پنهان زیر شن وجود داشته باشد و ربات ممکن است درصورت برخورد به یکی از آن‌ها روی زمین بیفتد. سنگ‌های دفن‌شده به‌طور خاص موانع دشواری هستند؛ زیرا ربات با دوربین‌هایش نمی‌تواند آن‌ها را شناسایی کند؛ در‌نتیجه تا وقتی سقوط نکند، به وجود مانع پی نخواهد برد. پژوهشگران می‌توانند اسپیس‌باک را به دوربینی برای ناوبری خودکار مجهز کنند؛ اما ربات در آن آزمایش‌ها به‌صورت کور راه می‌رفت. در زمین سنگلاخی پوشیده از شن، ربات مجهز به پای نقطه‌ای به احتمال بیشتر به سنگ‌های پنهان برخورد خواهد کرد. تیم پژوهشی دریافت پای مسطح سرعت ربات را کم می‌کند؛ اما شکل آن احتمال عبور ایمن از روی موانع دفن‌شده را افزایش می‌دهد.

^{ربات درتلاش برای راه‌رفتن ایستا با پای مسطح.}

دراین‌میان، پای مسطح نیز معایب خود را داشت. ازآنجاکه جعبه‌شنی زاویه‌دار بود، لغزش مواد مشکل بزرگ دیگری به‌حساب می‌آمد. تصور کنید چه اتفاقی می‌افتد وقتی به‌سختی در تلاش برای بالارفتن از تپه شنی هستید و شن‌های ریز اطراف پاهای شما ناگهان فرو می‌ریزند. اگر شن‌ها پیوسته زیر پاهایتان درحال لغزیدن باشند، بالارفتن از سراشیبی نیازمند صرف انرژی بیشتر خواهد بود؛ زیرا در این وضعیت هم باید با شیب و هم ریزش مواد مقابله کنید. برای اسپیس‌باک ازآنجاکه پای مسطح موجب آشفتگی سطحی بیشتر می‌شود، لغزش افزایش می‌یابد؛ درحالی‌که پای نقطه‌ای که همانند میخ درون زمین فرو می‌رود، لغزش را به‌حداقل می‌رساند. کولونباخ گفت: «پای مسطح درواقع به‌دلیل لغزش بیشتر ازنظر مصرف انرژی عملکرد بدتری داشت.»

طراحی ایدئال احتمالا چیزی بین دو مدل آزمایش‌شده با شباهت بیشتر به پای شتر است؛ نه به‌طور نامعقول پهن مانند کفش برفی و نه آن‌چنان نازک همچون سُم شاخ‌دراز. کولونباخ می‌افزاید: «نقطه مطلوب وجود دارد. تصور می‌کنم قطعا به این مساحت سطحی افزایش‌یافته درمقایسه‌با پای نقطه‌ای نیاز دارید؛ زیرا واقعا می‌خواهید از فرورفتن شدید اجتناب کنید؛ اتفاقی که ممکن است موجب شود دیگر نتوانید از شن خارج شوید. درمقابل، لزوما نمی‌خواهید این پاهای مسطح بزرگ را داشته باشید.» در آینده، پژوهشگران شاید حتی بتوانند پایی برای اسپیس‌باک طراحی کنند که مساحت سطحی‌اش را به‌طور آنی با انواع مختلف خاک سازگار کند.

ربات چهارپا اگر بخواهد در محیط واقعی سیاره سرخ راه برود، باید از انعطاف‌پذیری مشابه در نحوه راه‌رفتن خود برخوردار باشد. استفاده از ربات هنگام تحرک ایستا که همواره سه پای آن روی زمین است، درمقایسه‌با تحرک پویا که به حرکت حیوانات چهارپا شباهت بیشتر دارد، ایمن‌تر است. بااین‌حال، معلوم شد تحرک ایستا برای اسپیس‌باک هنگام صعود از سراشیبی کارآمدی کمتری دارد. کولونباخ می‌گوید: «در این حالت یک پایی که شما را به پیش می‌راند، سرعت حرکت را محدود می‌کند؛ درحالی‌که در تحرک پویا دست‌کم دو پا شما را به پیش می‌رانند؛ درنتیجه، سرعتتان بسیار بیشتر می‌شود. درمجموع، ازآنجاکه به مقداری انرژی برای معلق‌ماندن وزن ربات نیاز دارید، تحرک پویا امکان ذخیره قدری انرژی را فراهم می‌کند.»

^{نحوه راه‌رفتن پویا با پاهای نقطه‌ای.}

اسپیس‌باک آینده باید بتواند شیوه‌های راه‌رفتنش را به‌همراه شکل پاهایش تغییر دهد. ربات روی زمین مسطح می‌تواند از تحرک پویا استفاده کند تا حین جابه‌جایی بین نقطه A و B، سریع‌تر باشد و انرژی کمتری مصرف کند. وقتی ربات تلاش می‌کند از تپه شیبدار بالا برود، می‌تواند به تحرک ایستا تغییر حالت دهد تا ایمن‌تر جابه‌جا شود و به بهای مصرف انرژی بیشتر از سراشیبی سقوط نکند.

داشتن راهبردی راهگشا نیز بسیار حیاتی است. در آزمایش‌ها، اسپیس‌باک به الگوریتمی مجهز بود که بر مصرف انرژی‌اش نظارت می‌کرد تا بهینه‌ترین مسیر برای عبور را به‌طور خودکار تعیین کند. به‌کارگیری این الگوریتم، رفتارهای «ناگهانی» را شکل داد و موجب شد ربات به‌جای صعود سریع و سرراست از تپه که سخت‌تر و نیازمند صرف انرژی بیشتر است، چپ‌وراست‌رفتن‌های زیگزاگی را انتخاب کند.

تانس نیگارد، متخصص رباتیک از مرکز تحقیقات دفاعی نروژ،به وایرد گفتاین تعامل نزدیک بین نرم‌افزار و سخت‌افزار ربات و محیط پیرامون بخشی از روندی بزرگ‌تر در رباتیک «بدنمند» است. مهندسان با رباتیک بدنمند در حال آموزش ربات‌ها برای سازگاری با محیط‌های سختی هستند که بدن انسان به‌راحتی با آن‌ها کنار می‌آید. درباره اینکه چگونه باید رقص عضلاتمان را هماهنگ کنیم، دو مرتبه فکر نمی‌کنیم. در حالت ایدئال، ربات راه‌رونده در مریخ نیز به‌طور مشابه سازش‌پذیر خواهد بود؛ به‌خصوص ازآنجاکه به‌دلیل تأخیر ارتباطی از زمین، به خودرانی بسیار بالایی نیاز خواهد داشت.

مقاله‌های مرتبط:

چشم‌انداز رباتی که با چرخ‌هایش محدود نمی‌شود، برای پژوهشگرانی هیجان‌انگیز است که به کاوش زمین‌های شنی یا شیبدار علاقه دارند.ماریا بیکردانشمند سیاره‌ای از موره ملی هوا و فضا است کهدر مأموریت سطح‌نشین اینسایت و مریخ‌نوردهای کیوراسیتی و پرسویرنس مشارکت کرده است. وی به وایرد می‌گوید: «اغلب به این نواحی، به‌خصوص دهانه‌هایی علاقه داریم که می‌دانیم زمانی دریاچه‌های باستانی در آن‌ها وجود داشت. ازآنجاکه زمانی در دهانه‌ها آب در جریان بود، امکان وجود حیات نیز وجود داشت.» او می‌افزاید همان‌طورکه روش‌های جدید پیمایش و اکتشاف را خلق می‌کنیم، احتمالا با این نوع ربات‌های جدید ممکن است دریچه کاوش به‌سوی بخش‌هایی از سیاره را بگشاییم که پیش‌تر نمی‌توانستیم کاوش کنیم.

آن‌گاه نسلی از اسپیس‌باک می‌تواند روزی به مکانی برود که هیچ مریخ‌نوردی پیش‌تر برای جست‌وجوی حیات مریخی به آن نرفته بود. درصورت موفقیت، این ربات به ارتش ربات‌های علمی تنوع بیشتری خواهد داد و در همان مسیری گام خواهد برداشت که هلی‌کوپتر مریخی ناسا امروز با پرواز در سیاره سرخ پیموده است. نیگارد می‌گوید: «ربات‌های پادار احتمالا جایگزین ربات‌های چرخ‌دار در فضا نخواهند شد؛ اما مشارکت آن‌ها قطعا ارزشمند خواهد بود و در تیم نقشی مهم می‌توانند برعهده بگیرند.»