Vi lever i en värld där flera teknologiska revolutioner äger rum samtidigt. Medan sprången som sker inom datorer, robotik och bioteknik får mycket uppmärksamhet, ägnas mindre uppmärksamhet åt ett fält som är lika lovande. Detta skulle vara tillverkningsområdet, där teknologier som 3D-utskrift och autonoma robotar visar sig vara en enorm spelväxlare.
Till exempel finns det arbetet som bedrivs av MIT: s Center for Bits and Atoms (CBA). Det är här som forskarstuderaren Benjamin Jenett och professor Neil Gershenfeld (som en del av Jenetts doktorsavhandling) arbetar med små robotar som kan montera hela strukturer. Detta arbete kan ha konsekvenser för allt från flygplan och byggnader till bostäder i rymden.
Deras arbete beskrivs i en studie som nyligen dök upp i oktoberutgåvan av IEEE Robotics and Automation Letters. Studien författades av Jenett och Gershenfeld, som förenades av doktorand 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 nyligen utgåva av MIT News har det historiskt varit två breda kategorier av robotik. Å ena sidan har du dyra robotteknik tillverkade anpassade komponenter som är optimerade för specifika applikationer. Å andra sidan finns det de som är tillverkade av billiga massproducerade moduler med lägre prestanda.
Roboterna 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 roboten. Å andra sidan är de mycket mer kapabla än massproducerade robotar och kan bygga en bredare variation av strukturer.
Kärnan i konceptet är idén att större strukturer kan monteras genom att integrera mindre 3D-bitar - vilket CBA-teamet kallar ”voxels”. Dessa komponenter består av enkla stagar och noder och kan enkelt fästas tillsammans med enkla spärrsystem. Eftersom de mestadels är tomma utrymmen är de lätta men kan fortfarande arrangeras för att fördela laster effektivt.
Roboterna liknar under tiden en liten arm med två långa segment som är gångjärn i mitten med en klämanordning i varje ände som de använder för att greppa till voxelstrukturerna. Dessa bilagor gör att robotarna kan röra sig som tummaskar, öppna och stänga sina kroppar för att flytta från en plats till en annan.
Huvudskillnaden mellan dessa monterare och traditionella robotar är emellertid förhållandet mellan robotarbetaren och materialet den arbetar med. Enligt Gershefeld är det omöjligt att skilja den nya typen av robot från strukturerna de bygger eftersom de fungerar tillsammans som ett system. Detta är särskilt uppenbart när det gäller robotarnas navigationssystem.
Idag kräver de flesta mobila robotar ett mycket exakt navigationssystem för att hålla reda på sin position, till exempel GPS. De nya monteringsrobotarna behöver emellertid bara veta var de befinner sig i förhållande till voxels (små underenheter som de för närvarande arbetar med). När en monterare flyttar till nästa justerar den sin känsla av position med hjälp av vad den arbetar för att orientera sig.
Var och en av BILL-E-robotarna kan räkna sina steg, som förutom navigering gör att den kan korrigera eventuella fel som den gör under vägen. Tillsammans med kontrollprogramvara utvecklad av Abdel-Rahman kommer denna förenklade process att göra det möjligt för svärmar av BILL-Es att koordinera sina insatser och arbeta tillsammans, vilket påskyndar monteringsprocessen. Som Jenett sa:
”Vi lägger inte precisionen i roboten; precisionen kommer från strukturen [eftersom den gradvis tar form]. Det skiljer sig från alla andra robotar. Det behöver bara veta var nästa steg är. ”
Jenett och hans medarbetare har byggt flera proof-of-concept-versioner av monterarna, tillsammans med motsvarande voxel-design. Deras arbete har nu kommit fram till den punkt där prototypversioner kan visa montering av voxelblocken i linjära, tvådimensionella och tredimensionella strukturer.
Denna typ av monteringsprocess har redan väckt intresset hos NASA (som samarbetar med MIT om denna forskning), och Nederländerna-baserade flygbolag Airbus SE - som också sponsrade studien. I NASA: s fall skulle denna teknik vara en välsignelse för deras Automated Reconfigurable Mission Adaptive Digital Assembly Systems (ARMADAS), som medförfattaren Cheung leder.
Syftet med detta projekt är att utveckla nödvändig teknik för automatisering och robotmontering för att utveckla djup rymdinfrastruktur - som inkluderar en månbas och rymdhabitat. I dessa miljöer erbjuder robotmonterare fördelen att kunna montera strukturer snabbt och mer kostnadseffektivt. På samma sätt kan de enkelt utföra reparationer, underhåll och modifieringar.
"För en rymdstation eller en månmiljö 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 lansera stora förmonterade strukturer från jorden. I kombination med tillsatsstillverkning (3D-utskrift) skulle de också kunna använda lokala resurser som byggnadsmaterial (en process som kallas In-Situ Resource Utilization eller ISRU).
Sandor Fekete är chef för Institutet för operativsystem och datornätverk vid Tekniska universitetet i Braunschweig, Tyskland. I framtiden hoppas han att gå med i teamet för att vidareutveckla kontrollsystemen. Även om att utveckla dessa robotar så att de kommer att kunna bygga strukturer i rymden är en betydande utmaning, är de applikationer de kan ha enorma. Som Fekete sa:
”Roboter 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 kollaboratörer gör ett gigantiskt språng mot konstruktion av dynamiskt justerbara flygvingar, enorma solseglar eller till och med rekonfigurerbara rymdmiljöer. ”
Det råder ingen tvekan om att om mänskligheten vill leva hållbart på jorden eller våga sig ut i rymden kommer det att behöva lita på någon ganska avancerad teknik. Just nu är det mest lovande av dem de som erbjuder kostnadseffektiva sätt att se till våra behov och utvidga vår närvaro över solsystemet.
I detta avseende skulle robotmonterare som BILL-E inte bara vara användbara i omloppsbana, på månen eller bortom, utan också här på jorden. När de på samma sätt kopplas ihop med 3D-tryckteknologi, kunde stora grupper av robotmonterare som är programmerade att arbeta tillsammans ge billiga, modulära hus som kan hjälpa till att få slut på bostadskrisen.
Som alltid kan tekniska innovationer som hjälper till att främja rymdutforskningen utnyttjas för att göra livet på jorden också enklare!
