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.
3×3 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.