Esta equipe de robôs com pernas pode ser o futuro da exploração de Marte

Se você fosse uma mosca na parede da sala de concertos Rockhal, em Luxemburgo, em setembro de 2022, seria saudado por uma visão estranha: nenhuma banda ou multidão à vista, mas sim uma área cheia de 220 toneladas de lava e rock, com equipes de robôs rastejando pelo chão empoeirado em busca de recursos.

Foi a segunda e última ronda do Desafio de Recursos Espaciais da Agência Espacial Europeia (ESA), que convidou grupos de investigação a trazerem os seus protótipos de robôs e testarem as suas capacidades de prospeção de recursos num ambiente lunar simulado. A ideia era procurar ideias brilhantes para a próxima geração de exploradores espaciais robóticos que pudessem ajudar a localizar e mapear os recursos lunares, como a água, que são essenciais para futuras missões tripuladas.

Uma das equipes vencedoras do desafio foi um trio de robôs com pernas que trotaram, escalaram e abriram caminho pela arena, trabalhando juntos para mapear, identificar e coletar amostras científicas. Embora este desafio se centrasse na Lua, os mesmos princípios poderiam ser aplicados a robôs destinados a Marte e outros corpos planetários — e esta abordagem poderia permitir aos robôs explorar novos ambientes nunca antes vistos.

Conversamos com Hendrik Kolvenbach, do Laboratório de Sistemas Robóticos da ETH Zurich, o grupo que criou os robôs com pernas, para saber mais.

Uma ideia com pernas

Os aspirantes a bots lunares não são construídos do zero; eles começam como robôs comercialmente disponíveis da ANYbotics, que cria robôs com pernas semelhantes aos da Boston Dynamics. Esses modelos são usados ​​principalmente para inspeções industriais, mas também podem ter potencial para exploração fora do mundo.

O Laboratório de Sistemas Robóticos personalizou o hardware e o software desses robôs, incluindo a adição de um braço robótico para agarrar rochas da superfície marciana e testar diferentes padrões de marcha para lidar com as mudanças do terreno. Aproximadamente do tamanho de um cão médio, a versão dos robôs utilizados no desafio da ESA foi capaz de transportar uma pequena carga útil de até 33 libras, mas Kolvenbach disse que os sistemas mais recentes são capazes de transportar até 110 libras.

Isso é suficiente para um robô com pernas carregar instrumentos científicos como câmeras, espectrógrafos ou até mesmo uma pequena furadeira. Os robôs são treinados por meio de aprendizado por reforço, para que aprendam a se movimentar em ambientes difíceis por meio de simulações. Eles podem até aprender a usar três pernas para ficar de pé enquanto usam o quarto membro para cutucar e manipular objetos em seu ambiente.

O objetivo final dessa pesquisa é criar sistemas de hardware modulares. Em vez de os exploradores espaciais terem de ser construídos do zero para cada missão, as missões futuras poderiam tirar partido do desenvolvimento de tecnologia robótica aqui na Terra que utiliza uma configuração básica que pode ser adaptada com diferentes instrumentos e software, conforme necessário.

Kolvenbach comparou-o à ideia do CubeSats , uma interface padronizada e formato que permite a incorporação de diferentes cargas úteis, tornando o desenvolvimento de espaço mais barato e tornando o hardware reutilizável.

Explorando o desconhecido

Robôs com rodas, como os rovers Curiosity e Perseverance que atualmente exploram Marte, são ótimos para algumas coisas. Eles viajam relativamente rápido em terreno aberto e são capazes de contornar ou passar por rochas surpreendentemente grandes e outros obstáculos. Mesmo quando as suas rodas inevitavelmente sofrem danos devido a anos de arrastamento pela superfície marciana, como aconteceu com o Curiosity , eles ainda podem continuar em frente desde que os condutores sejam cuidadosos.

Então, por que seriam necessários robôs com pernas? Tudo depende dos ambientes que as missões pretendem explorar. Tanto Marte como a Lua têm superfícies cobertas por um material empoeirado chamado regolito, por exemplo, que os rovers são projetados para atravessar.

Mas ambos os locais também têm regiões subterrâneas intrigantes, como tubos de lava, que são estruturas semelhantes a cavernas abaixo da superfície, criadas pela antiga passagem de lava quente.

Esses tubos de lava são de grande interesse científico , e há também um interesse prático em usá-los como abrigo para futuras missões tripuladas, já que os astronautas poderiam estabelecer bases subterrâneas neles e ficar protegidos de radiações perigosas na superfície. Mas ninguém sabe exatamente como são estes ambientes, por isso qualquer robô que pretenda explorá-los terá de ser versátil e capaz de lidar com desafios inesperados.

Robôs com pernas são ideais para esse tipo de ambiente. Eles também são adequados para lidar com encostas íngremes, como aquelas encontradas em crateras. Isso é útil para áreas como o pólo sul da Lua, um ponto atual de atividade de exploração que abriga crateras permanentemente sombreadas e que podem abrigar recursos vitais de gelo de água.

As encostas podem ser complicadas. “Com robôs com rodas, sempre temos problemas de tração”, explicou Kolvenbach. “O regolito é um material seco e granular e há muitos casos em que os rovers ficam presos.”

Os robôs com pernas são “geralmente mais móveis, mas têm um custo”. Para áreas planas sem grandes desafios, os robôs com rodas são mais eficientes e não há necessidade de robôs com pernas mais complexos. Para obter uma visão ampla de uma grande região, existe a opção de levantamento aéreo, conforme demonstrado pelo helicóptero Mars Ingenuity. Mas quando se trata de terreno imprevisível e não estruturado, os robôs com pernas são “muito ágeis e robustos”, disse Kolvenbach. “É aqui que reside o valor único desses robôs.”

Trabalhando em equipe

Outra forma de abordar os desafios da exploração robótica é considerar as possibilidades de trabalho em equipe. Como cada robô com pernas é muito menor do que um rover atual em Marte, vários deles seriam necessários para transportar a mesma carga que um robô com uma única roda. Mas isso pode ser uma vantagem, pois os robôs podem trabalhar individualmente e em equipe.

Para o desafio da ESA, o laboratório utilizou uma equipa de robôs de três pernas, embora uma equipa pudesse teoricamente ser maior ou menor conforme exigido por uma missão. Ao alterar a forma como as diferentes cargas são distribuídas entre os membros da equipe, você pode criar robôs especialistas. Por exemplo, um robô pode transportar ferramentas para mapear rapidamente uma grande área, enquanto outro transporta instrumentos científicos para investigar detalhadamente pontos de interesse específicos.

Isto também traz os benefícios da redundância, já que as funções mais vitais podem ser compartilhadas entre os membros da equipe. Portanto, se um robô falhar por qualquer motivo, os outros ainda poderão continuar operando e assumir a maioria das tarefas do robô que falhou.

Quanto à forma como uma equipe de robôs poderia se comunicar entre si, existem diversas abordagens sendo consideradas na comunidade robótica. Uma delas é ter uma base central que coordene as ações de cada robô. Isso seria ideal para explorar áreas grandes e abertas, já que os robôs poderiam ser enviados em diferentes direções para realizar tarefas como coletar amostras, que poderiam então ser trazidas de volta à base para análise. Instrumentos maiores e mais pesados ​​poderiam permanecer na unidade base central, com robôs atuando como mensageiros.

Outra abordagem é usar nós de comunicação, com robôs atuando como retransmissores para envio de comandos. Isso seria ideal para explorar regiões subterrâneas onde as comunicações podem ser limitadas. Os robôs poderiam deixar um rastro de sensores para retransmitir comandos, permitindo-lhes se comunicar mesmo em ambientes desconhecidos.

O verdadeiro benefício desta abordagem é a flexibilidade. As cargas úteis que cada robô carrega, quantos robôs fazem parte de uma equipe e como essa equipe está estruturada são ajustáveis ​​com base nas necessidades de uma missão ou ambiente específico.

Chegando ao espaço

Os robôs com pernas com os quais os pesquisadores têm trabalhado são hardware comercial, portanto, embora mostrem a promessa da tecnologia para a exploração espacial, estão muito longe de serem dignos do espaço. Colocar hardware numa missão espacial tem requisitos rigorosos, desde a capacidade de suportar uma ampla gama de temperaturas, até lidar com as vibrações e choques do lançamento, até à necessidade de uma fiabilidade extremamente elevada, uma vez que não existem oficinas de reparação fora da Terra.

Então, em preparação, a equipe está trabalhando em um robô com pernas pronto para voos espaciais chamado Space Hopper . “É um robô de escala relativamente pequena”, disse Kolvenbach. Ele pesa menos de 22 libras e usa hardware de voo espacial pronto para uso. Foi um primeiro passo pragmático porque “a transferência de um protótipo de pesquisa para uma sonda espacial real exige muito trabalho de engenharia. Então decidimos fazer algo em pequena escala.”

Eles esperam que Hopper esteja pronto para voar como uma demonstração de tecnologia nos próximos anos, bem a tempo para o aumento da agência espacial e das missões comerciais à Lua. Esperançosamente, isso abrirá a porta para o desenvolvimento de robôs com pernas maiores e mais complexos para explorar novos ambientes.

Kolvenbach descreve o uso futuro de robôs com pernas como algo “acéfalo”. Há muitos casos em que um robô com rodas ainda faz sentido para a exploração planetária, mas quando se trata de explorar ambientes mais desafiadores e cientificamente interessantes, ele vê os robôs com pernas como o futuro.

“Há uma clara necessidade disso”, disse ele. “Fizemos muitas missões no passado em ambientes relativamente planos e fáceis em outros corpos celestes. Mas a tendência agora vai para esses ambientes mais desafiadores, porque lá você pode fazer ciência muito interessante. Da parte da comunidade científica, há claramente uma exigência para ir até lá. E os robôs com pernas são uma das tecnologias emergentes que podem nos levar até lá para fazer essa ciência.”