Рождённый ползать по дюнам: марсианский ровер учится «плавать» как ящерица

Принципиально новый подход к исследованию песчаных дюн Марса предлагает проект Valles Marineris Explorer, или VaMEx. VaMEx — это инициатива Немецкого космического агентства при Германском центре авиации и космонавтики (DLR). Цель программы — разработать концепцию автономного гетерогенного роя роботов для изучения долин Маринера на Марсе, которую часто величают «Гранд-Каньоном» Красной планеты.

Долины Маринера — это колоссальная система разломов на Марсе, где учёные хотят искать следы жидкой воды. Вода может сохраняться в укрытых нишах и служить средой обитания для возможных форм жизни. Однако исследовать этот регион крайне сложно из-за его рельефа, создающего серьёзные трудности для роботизированной разведки.

Команда VaMEx изучает возможность комбинирования ездящих, шагающих и летающих систем, чтобы использовать сильные стороны каждой концепции для совместного обследования обширной территории со сложными природными условиями. Один из уникальных подходов в рамках проекта — это марсианский ровер, оснащённый оригинальными изогнутыми колёсами, которые, подобно лапам пустынной ящерицы, способны «плыть» сквозь песок.

Вдохновение природой
Исследовательская группа Вюрцбургского университета обратила внимание на способ передвижения песчаной рыбы (сцинка), адаптировав этот механизм движения для марсохода. Сотрудничая с исследователями DLR в Бремене, специалисты из Вюрцбурга сконструировали колёса, имитирующие характер взаимодействия сцинка с грунтом, создавая как продольные, так и поперечные силы. Такое движение оставляет в песке характерные синусоидальные, или S-образные, следы.

Марсоход, изучаемый в рамках проекта VaMEx, оснащён инновационными колёсами, способными, подобно конечностям пустынной ящерицы, «плыть» сквозь песок. (Изображение предоставлено: Marco Schmidt / Университет Вюрцбурга)

Марсианская техника обязана справляться с песком, гравием, склонами и в целом пересечённой местностью, сохраняя при этом подвижность, устойчивость и эффективность.
Марко Шмидт, специалист по информатике и руководитель кафедры встроенных систем и датчиков для наблюдения Земли (ESSEO), возглавляет это биоинспирированное исследование мобильности.

Команда Шмидта протестировала ровер на песке и открытой местности, работая совместно с Немецким исследовательским центром искусственного интеллекта в Бремене и Бременским университетом. Результаты показали, что аппарат движется по песку стабильно, однако эксперименты также ясно указали на области, требующие улучшения, отмечает Шмидт. Идея «песчаного плавания» была позаимствована у Scincus scincus — ящерицы, обитающей в пустыне Сахара, которая способна зарываться и буквально «проплывать» сквозь песок, охотясь или спасаясь от хищников.

Решения для мобильности
Работа над техникой передвижения в университете продолжается, и дальнейшие усовершенствования, по прогнозам, улучшат проходимость на смешанном рельефе. Команда ESSEO планирует расширить свой вклад в VaMEx в сторону программно-управляемой мобильности. Планы исследований также предусматривают разработку стратегий управления, которые явным образом учитывают проскальзывание, погружение в грунт и взаимодействие между поверхностью и колесом. Результатом должно стать более стабильное и адаптивное поведение ровера в сыпучих средах.

«Создание решений для мобильности, способных надёжно и эффективно преодолевать обширные дюнные поля по всему Марсу, а не только в долинах Маринера, является ключевой задачей для будущих исследований — как роботизированных, так и пилотируемых», — добавляет Паскаль Ли из Института SETI, Института Марса, компании Ceres Robotics и Исследовательского центра Эймса NASA, не принимавший участия в данном исследовании. «Эта разработка биоинспирированных технологий одновременно инновационна и захватывающе интересна», — рассказал Ли порталу Space.com.

От песчаных зёрен к цифровым двойникам
Однако просто скопировать природу недостаточно. Сложность заключается в том, что марсианский песок фундаментально отличается от земного. Из-за отсутствия влаги и миллиардов лет эрозии под воздействием ветра марсианские частицы реголита обладают чрезвычайно острыми гранями и склонны к сильной электризации. Это создаёт эффект налипания пыли на механизмы, способный вывести технику из строя. Поэтому инженеры ESSEO работают над созданием цифрового двойника «песчаного плавания», чтобы смоделировать поведение не только самого ровера, но и каждой песчинки в зоне контакта с колесом.

Рой на страже открытий
Несмотря на революционность ходовой части, «песчаный пловец» — лишь часть большой мозаики. Полноценная архитектура VaMEx подразумевает запуск целой экосистемы машин. Пока колёсный ровер прощупывает дно каньонов, специальные краулеры будут карабкаться по скалистым склонам, а дроны-гексакоптеры — парить в разреженной марсианской атмосфере над обрывами, создавая трёхмерные карты высокого разрешения. Главная инженерная задача здесь — научить этот разношёрстный рой действовать автономно, без постоянной связи с Землёй, обмениваясь данными и страхуя друг друга на опасных склонах древнего марсианского каньона.