Инженерные эксперты из Исследовательского центра NASA в Эймсе и Стэнфордского университета предложили концепцию «универсального швейцарского ножа» для отправки грузов на Марс. Отправка 1 килограмма обойдется примерно в $2,4 миллиона, судя по стоимости миссии Perseverance. Но исследователи предлагают новый подход, используя самоперепрограммируемые метаматериалы, способные изменять свою конфигурацию.
Концепция «нулевой массы» основана на самовоспроизводстве — технологии, предложенной инженером Джоном фон Нейманом в 1940-х годах. Учёные изучают самоперепрограммируемые метаматериалы, способные изменять свою структуру, чтобы инженерные системы могли воспроизводить себя и функционировать в окружающей среде.
«Технология перепрограммируемых метаматериалов продвинулась до такой степени, позволяет задуматься о их применении. Хотя ещё невозможно создать всё необходимое, уже возможно создавать значительную часть компонентов», — говорит сотрудник NASA Кристин Грегг из Исследовательского центра NASA в Эймсе, один из авторов исследования.
Одной из проблем существующих зондов фон Неймана было то, что сбор проб на других планетах и их преобразование в инженерные компоненты было ресурсоёмким и требовало большого количества энергии. Решение — в использовании готовых стандартизированных строительных блоков, основанных на концепции строительных блоков самой природы. Биологические системы, например, используют ограниченное количество аминокислот для создания различных белков, и эту стратегию можно применить и в инженерии.
Исследователи создали набор из 256 прочных 3D-конструкций, изготовленных из полимера, армированного углеродным волокном, под названием как StattechNN-40CF. Каждый блок обладает крепёжными элементами, позволяющими их взаимное соединение и создание прочной конструкции.
3x3 конструкция, состоящая из этих блоков, имеет среднюю разрушающую нагрузку 900 Ньютонов, что означает, что она может выдержать нагрузку массой более 90 килограммов, несмотря на свою небольшую массу — всего 0,0103 грамма на кубический сантиметр. «Мы создали различные конструкции, включая лодку, укрытие и мост, всё весом около 18 килограммов», — рассказывает исследователь Кеннет Чунг из NASA. Но самое важное — это то, что роботы смогли самостоятельно собрать эти конструкции, что открывает новые возможности для автономного строительства с использованием метаматериалов и роботов.
В эксперименте три робота использовали всего 256 блоков для сборки стационарной базы в течение четырёх с половиной дней. Робот-грузчик доставлял блоки из зоны снабжения, робот-кран размещал их на правильных позициях, а робот-крепельщик монтировал блоки на конструкции.
Роботы работали без камер, лидаров и систем управления. «Мы продемонстрировали возможность автоматического планирования, учитывающего столкновения роботов между собой и обеспечивающего устойчивость конструкции. Но мы также рассматривали и модели, наподобие тех, с помощью которых муравьи строят свои колонии», — говорит Кеннет Чунг. Этот подход к строительству имеет потенциал для возведения башен на Луне.
Строительство башен имеет особую важность для миссии Artemis-3, поскольку посадочная площадка для возвращающихся космонавтов находится рядом с южным полюсом Луны. «Угол Солнца там низкий, поэтому, чтобы максимизировать количество солнечного света, следует размещать солнечные панели как можно выше», — говорит Чунг.
Для выполнения этой задачи высота башен должна составлять более 100 метров, а добиться этого при нынешних системах будет крайне сложно. Сейчас команда сосредоточена на демонстрации того, как их строительные блоки и роботы могут быть использованы при возведении коммуникационных и солнечный башен на Луне. Новые работы об этих возможностях авторы обещают уже в марте.