El Space Resources Challenge de la Agencia Espacial Europea (ESA), invitó a grupos de investigación a traer sus prototipos de robots y probar sus habilidades para buscar recursos en un entorno lunar simulado. La idea era buscar ideas brillantes para la próxima generación de exploradores espaciales robóticos que pudieran ayudar a localizar y mapear los recursos lunares, como el agua, que son esenciales para futuras misiones tripuladas.
Uno de los equipos ganadores del desafío fue un trío de robots con patas que trotaban, trepaban y se abrían paso alrededor de la arena, trabajando juntos para mapear, identificar y recolectar muestras científicas. Aunque este desafío se centró en la luna, los mismos principios podrían aplicarse a los robots destinados a Marte y otros cuerpos planetarios, y este enfoque podría permitir a los robots explorar nuevos entornos que nunca antes se habían visto.
Hablamos con Hendrik Kolvenbach del Laboratorio de Sistemas Robóticos de ETH Zurich, el grupo que creó los robots con patas, para obtener más información.
Los aspirantes a robots lunares no se construyen desde cero; comienzan como robots disponibles comercialmente de ANYbotics, que crea robots con patas similares a los de Boston Dynamics. Estos modelos se utilizan principalmente para inspecciones industriales, pero también podrían tener potencial para la exploración fuera del mundo.
El Laboratorio de Sistemas Robóticos ha personalizado el hardware y el software de estos robots, incluso agregando un brazo robótico para agarrar rocas de la superficie marciana y probar diferentes patrones de marcha para hacer frente a los cambios en el terreno. Aproximadamente del tamaño de un perro mediano, la versión de los robots utilizados en el desafío de la ESA pudo transportar una pequeña carga útil de hasta 33 libras, pero Kolvenbach dijo que los sistemas más nuevos pueden transportar hasta 110 libras.
Eso es suficiente para que un robot con patas lleve instrumentos científicos como cámaras, espectrógrafos o incluso un pequeño taladro. Los robots son entrenados utilizando el aprendizaje por refuerzo, por lo que aprenden a moverse por entornos difíciles utilizando simulaciones. Incluso pueden aprender a usar tres de sus piernas para pararse mientras usan su cuarta extremidad para pinchar y manipular objetos en su entorno.
El objetivo final de dicha investigación es crear sistemas de hardware modulares. En lugar de que los exploradores espaciales tengan que construirse desde cero para cada misión, las misiones futuras podrían aprovechar el desarrollo de tecnología robótica aquí en la Tierra que utiliza una configuración base que se puede adaptar con diferentes instrumentos y software según sea necesario.
Kolvenbach lo comparó con la idea de CubeSats, una interfaz estandarizada y factor de forma que permite la incorporación de diferentes cargas útiles, haciendo que el desarrollo para el espacio sea más barato y haciendo que el hardware sea reutilizable.
Explorando lo desconocido
Los robots con ruedas como los rovers Curiosity y Perseverance que actualmente exploran Marte son excelentes para algunas cosas. Viajan relativamente rápido a través de terrenos abiertos, y son capaces de manejar dar vueltas, o sobre, rocas sorprendentemente grandes y otros obstáculos. Incluso cuando sus ruedas inevitablemente sufren daños por años de deslizarse por la superficie marciana, como le sucedió a Curiosity, aún pueden seguir adelante siempre que los conductores tengan cuidado.
Entonces, ¿por qué serían necesarios los robots con patas? Todo depende de los entornos que las misiones quieran explorar. Tanto Marte como la Luna tienen superficies cubiertas de material polvoriento llamado regolito, por ejemplo, que los rovers están diseñados para atravesar.
Pero ambos lugares también tienen regiones subterráneas intrigantes, como tubos de lava, que son estructuras similares a cuevas debajo de la superficie creadas por el paso de lava caliente hace mucho tiempo.
Estos tubos de lava son de gran interés científico, y también hay un interés práctico en usarlos como refugio para futuras misiones tripuladas, ya que los astronautas podrían establecer bases subterráneas en ellos y estar protegidos de la radiación peligrosa en la superficie. Pero nadie sabe exactamente cómo son estos entornos, por lo que cualquier robot que desee explorarlos tendría que ser versátil y capaz de manejar desafíos inesperados.
Los robots con patas son ideales para este tipo de entorno. También son muy adecuados para lidiar con pendientes pronunciadas, como las que se encuentran en los cráteres. Eso es útil para áreas como el polo sur de la luna, un punto caliente actual de actividad de exploración que alberga cráteres que están permanentemente sombreados y que podrían albergar recursos vitales de hielo de agua.
Las pendientes pueden ser complicadas. «Con los robots con ruedas, siempre tenemos un problema de tracción», explicó Kolvenbach. «El regolito es material seco y granular y hay muchos casos en los que los rovers se atascan».
Los robots con patas son «generalmente más móviles, pero tiene un costo». Para áreas planas sin grandes desafíos, los robots con ruedas son más eficientes y no hay necesidad de robots con patas más complejas. Para obtener una visión general de una gran región, existe la opción de inspeccionar desde el aire, como lo demuestra el helicóptero Mars Ingenuity. Pero cuando se trata de terrenos impredecibles y no estructurados, los robots con patas son «muy ágiles y robustos», dijo Kolvenbach. «Aquí es donde reside el valor único de estos robots».
Trabajar en equipo
Otra forma de abordar los desafíos de la exploración robótica es considerar las posibilidades del trabajo en equipo. Dado que cada robot con patas es mucho más pequeño que un rover actual de Marte, se necesitarían varios de ellos para transportar la misma carga útil que un robot de una sola rueda. Pero eso puede ser una ventaja, ya que los robots pueden trabajar individualmente y en equipo.
Para el desafío de la ESA, el laboratorio utilizó un equipo de robots de tres patas, aunque un equipo teóricamente podría ser más grande o más pequeño según lo requiera una misión. Al cambiar la forma en que se distribuyen las diferentes cargas útiles entre los miembros del equipo, puede crear especialistas en robots. Por ejemplo, un robot podría llevar herramientas para mapear rápidamente un área grande, mientras que otro lleva instrumentos científicos para investigar puntos de interés particulares en detalle.
La tendencia ahora va a estos entornos más desafiantes, porque allí se puede hacer ciencia muy interesante.
Esto también trae los beneficios de la redundancia, ya que las funciones más vitales se pueden compartir entre los miembros del equipo. Entonces, si un robot falla por cualquier motivo, los otros aún pueden seguir operando y hacerse cargo de la mayoría de las tareas del robot fallido.
En cuanto a cómo un equipo de robots podría comunicarse entre sí, hay varios enfoques que se están considerando en la comunidad robótica. Una es tener una base central que coordine las acciones de cada robot. Eso sería ideal para explorar áreas grandes y abiertas, ya que los robots podrían enviarse en diferentes direcciones para realizar tareas como recolectar muestras, que luego podrían devolverse a la base para su análisis. Los instrumentos más grandes y pesados podrían permanecer en la unidad base central, con robots que actúan como mensajeros.
Otro enfoque es utilizar nodos de comunicación, con robots que actúan como relés para enviar comandos. Eso sería ideal para explorar regiones subterráneas donde las comunicaciones podrían ser limitadas. Los robots podrían dejar caer un rastro de sensores similar a una miga de pan para transmitir comandos, lo que les permite comunicarse incluso en entornos desconocidos.
El beneficio real de este enfoque es la flexibilidad. Las cargas útiles que lleva cada robot, cuántos robots forman parte de un equipo y cómo está estructurado ese equipo son ajustables en función de las necesidades de una misión o entorno en particular.
Cómo llegar al espacio
Los robots con patas con los que los investigadores han estado trabajando son hardware comercial, por lo que si bien muestran la promesa de la tecnología para la exploración espacial, están muy lejos de ser aptos para el espacio. Poner hardware en una misión espacial tiene requisitos estrictos, desde la capacidad de soportar una amplia gama de temperaturas, hasta el manejo de las vibraciones y los choques del lanzamiento, hasta la necesidad de una confiabilidad extremadamente alta, ya que no hay talleres de reparación fuera de la Tierra.
Entonces, en preparación, el equipo está trabajando en un robot con patas listo para vuelos espaciales llamado Space Hopper. «Es un robot de escala relativamente pequeña», dijo Kolvenbach. Pesa menos de 22 libras y utiliza hardware de vuelo espacial estándar. Fue un primer paso pragmático porque «la transferencia de un prototipo de investigación a una sonda espacial real es mucho trabajo de ingeniería. Así que decidimos hacer algo a pequeña escala».
Esperan que Hopper esté listo para volar como una demostración de tecnología en los próximos años, justo a tiempo para el aumento de la agencia espacial y las misiones comerciales a la luna. Con suerte, abrirá la puerta para un mayor desarrollo de robots con patas más grandes y complejos para explorar nuevos entornos.
Kolvenbach describe el uso futuro de robots con patas como una «obviedad». Hay muchos casos en los que un robot con ruedas todavía tiene sentido para la exploración planetaria, pero cuando se trata de explorar entornos más desafiantes y científicamente interesantes, ve a los robots con patas como el futuro.
«Hay una clara necesidad de esto», dijo. «Hemos hecho muchas misiones en el pasado a entornos relativamente planos y fáciles en otros cuerpos celestes. Pero la tendencia ahora va a estos entornos más desafiantes, porque allí se puede hacer ciencia muy interesante. De la comunidad científica, claramente hay un requisito para ir allí. Y los robots con patas son una de las tecnologías emergentes que pueden llevarnos allí para hacer esa ciencia».
