Hoe gekko's ruimtevaart kunnen verbeteren

Toen de Space Race uit de Koude Oorlog in de jaren 1950 begon, dacht niemand echt aan het toekomstige afvalprobleem. Maar nu zijn er meer dan 21.000 stukken orbitaal puin in de baan van de aarde, waaronder een groeiend cluster in een geosynchrone baan waar veel waardevolle satellieten zijn, evenals in de buurt van het internationale ruimtestation in een lage baan om de aarde.

In 2009 vond een botsing plaats waarbij een communicatiesatelliet werd uitgeschakeld en de situatie wordt alleen maar erger. Er is zelfs een Inter-Agency Space Debris Coordination Committee, met actieve deelname van de ruimtevaartprogramma's van een aantal landen, waaronder de VS, India, Duitsland, Rusland, Korea en China.

Dr. Aaron Parness, groepsleider van robotica bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA, heeft een oplossing. Zijn team bouwde een verankeringssysteem dat de afgedankte raketlichamen en niet-operationele satellieten opruimt. Het interessante gedeelte? Het is gemodelleerd naar een gekko (ja, het dier met plakkerige voeten).

Parness begon dit onderzoek toen hij aankwam op Stanford voor de graduate school. "Oorspronkelijk dachten we aan muurklimrobots, dus ik wilde ze meer geavanceerde mobiliteit bieden", vertelde Parness aan PCMag. "Toen wendde ik me tot de natuurlijke wereld voor inspiratie. Gekko's zijn 's werelds beste klimmers; ze kunnen hun hele lichaamsgewicht aan één teen hangen. En de manier waarop ze dit kunnen doen, is deze verbazingwekkende microstructuur gebruiken die aan hun voeten staat: veel kleine haartjes."

"Dus begon ik onderzoek te doen naar het maken van synthetische versies van deze haren en ze toe te passen op onze robots om verticaal klimmen mogelijk te maken, " ging hij verder. "Toen ik bij JPL kwam, begon ik na te denken over microzwaartekracht nulzwaartekracht, wat veel meer een klimprobleem is dan een loopprobleem. Als je niet aan de oppervlakte hangt, val je eraf - je zweeft weg in de ruimte."

Deze synthetische haren, of "stengels", zijn een vereenvoudigde versie van die op een echte gekkopoot; wigvormig met een schuine, paddestoelvormige dop (hierboven afgebeeld). Wanneer het grijpkussen een deel van een voorwerp licht raakt, maken alleen de uiteinden van de haren contact met dat oppervlak. De plakkerigheid gaat aan en uit, afhankelijk van de richting van de haren op een bepaald moment.

De tijdelijke hechting wordt verklaard door Van der Waals Forces (genoemd naar Nobelprijswinnende fysicus Johannes Diderik van der Waals), waar elektronen die om de atoomkernen cirkelen niet gelijkmatig verdeeld zijn, waardoor een lichte elektrische lading ontstaat en de kracht wordt gegenereerd. Er wordt kracht uitgeoefend, waardoor het contactgebied tussen de "stengels" en het oppervlak wordt vergroot, waardoor een grotere hechting wordt verkregen. Wanneer de kracht wordt ontspannen, pingelen de "stengels" terug naar een rechtopstaande positie en wordt de plakkerigheid uitgeschakeld.

De grijper zal het meest nuttig zijn wanneer hij wordt bevestigd aan roboteenheden als eindeffectoren (handen) om deel te nemen aan mens / robot-samenwerkingsteams in de ruimte.

"Astronauten hebben veel beperkingen in de omgeving waarin ze werken", legt Parness uit. "Ze hebben bijvoorbeeld handschoenen onder druk, dus hun behendigheid is niet wat het zou kunnen zijn. Dus het is van cruciaal belang om robots te helpen om hen te helpen effectief te zijn. Onze grijptechnologie kan worden gebruikt door een kruipende robot die zich buiten het internationale ruimtestation beweegt om routine-inspecties uit te voeren, taken schoon te maken, apparatuur te controleren, zodat de mens zich niet hoeft aan te passen en naar buiten te gaan totdat de robot een ernstig probleem vindt.

Het werkt allemaal prachtig zonder zwaartekracht. De grijpers zijn met succes getest bij JPL op meer dan 30 gebruikelijke materialen die worden gebruikt op ruimtevaartuigen, en zijn ook getest in een thermische vacuümkamer bij temperaturen van min 76 graden Fahrenheit om de omstandigheden in de ruimte te simuleren. Ze gingen ook op in een testvlucht via het Flight Opportunities Program van NASA's Space Technology Mission Directorate.

"We hebben getest in het zwaartekrachtsvliegtuig van NASA en niemand heeft overgegeven, wat een opluchting was, omdat het de reputatie heeft mensen bewegingsziekte te geven, " zei Parness. "We demonen de grijpers in verschillende missiescenario's, zoals het verzamelen van puin en op een robot die een satelliet inspecteerde voor onderhoud. We hadden een zwevende kubus van 10 kg met verschillende gestructureerde oppervlakken die vaak op ruimtevaartuigen worden gebruikt en we konden het grijpen, manipuleren, en laat het los net zoals je een stuk puin zou kunnen pakken, naar beneden slepen en loslaten om op te branden bij het binnentreden van de atmosfeer van de aarde. Het moeilijkste deel was om het drijvende puin en de operator tegelijkertijd op dezelfde plaats te krijgen, in dat geval is een robot beter dan een mens."

Bekijk ze in actie in de onderstaande video.