Микрошипы — один из самых простых способов заставить робота держаться за поверхность: крошечные острия цепляются за микронеровности материала, и аппарат висит на стене или потолке без магнитов и присосок. Робототехники из Канады применили ту же идею к куда более сложной и куда более удалённой цели — посадке дронов на айсберги.
Амортизирующие лапы с когтями позволяют дрону закрепляться на крутых и скользких айсбергах. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Аппарат, получивший имя Ice Dart, по-паучьи садится и фиксируется на крутых скользких поверхностях вроде айсбергов и ледников. Он удерживается на ледяных склонах крутизной почти 60 градусов — заметно больше того, что человек преодолеет без специального снаряжения. По мере роста активности в Арктике такая способность из экзотики превращается в прикладной инструмент.
В опубликованном исследовании описано, как разработчики довели до рабочего состояния особое шасси: оно гасит энергию жёсткого приземления и одновременно удерживает дрон на месте крошечными шипами, которые проникают в лёд и цепляются за него.
Работа вышла в IEEE Transactions on Field Robotics и описывает полевые испытания на айсбергах и леднике на юго-востоке Исландии. Тесты шли при постоянном ветре и температуре от 0 до 10 °C у ледника Фьяльсйёкюдль, который спускается в лагуну, заполненную айсбергами. Дрон успешно закреплялся при скорости подхода до 3 метров в секунду и на склонах крутизной до 58 градусов, а доля удачных посадок достигала 100% даже при ветре 30 км/ч.
Мотивация у группы была предельно практичной. Наличие безопасной площадки — одно из главных ограничений на то, где и как вообще можно применять беспилотник: если сесть некуда, аппарат вынужден висеть в воздухе и тратить заряд. У этой же лаборатории уже есть опыт посадок на быстро едущие грузовики, прицепы, лодки и крутые крыши, так что лёд стал логичным следующим шагом.
Посадка вместо зависания
Ключевой выигрыш даёт не сам полёт, а возможность выключить двигатели и остаться на месте. Один из авторов работы, профессор инженерного факультета Университета Шербрука в Квебеке Алексис Люссье Дебьен, объясняет это так:
«Возможность садиться, а не висеть, способна принципиально изменить то, как дроны используются в поле. После посадки энергопотребление резко падает, что позволяет вести гораздо более длительные наблюдения силами небольшого аппарата. Дрон также становится совершенно бесшумным и может снизить или вовсе убрать тепловую и радиочастотную заметность, отключив основные бортовые системы».
Посадка именно на айсберг открывает то, чего не даёт ни один облёт: наблюдение за конкретной льдиной в течение дней и месяцев вместо короткого пролёта с камерой. По оценке исследователей, это способно упростить слежение за айсбергами по сравнению с высадкой людей на вертолёте, сбрасываемыми приборами и трекерами-дротиками, а также добавить самостоятельный слой данных к спутниковому и судовому обнаружению. Отдельный сценарий — наблюдение за объектами, которые иначе отследить попросту нечем.
Для читателя из СНГ тема совсем не абстрактная. Ледовая обстановка напрямую влияет на арктическое судоходство и безопасность морских платформ, а прогнозирование дрейфа отдельных айсбергов остаётся дорогой задачей, где ценен каждый дополнительный источник данных. Аппарат массой в пару килограммов, способный неделями сидеть на льдине и передавать её координаты, выглядит в этом ряду куда привлекательнее вертолётной высадки.
Как устроен Ice Dart
Конструкция из углепластика весит всего 2,65 кг. Четыре лапы расположены X-образно и крепятся к корпусу через шарнир — это шасси группа отрабатывала ещё в предыдущих проектах, и его задача рассеять энергию удара, а не просто смягчить его.
Фрикционные амортизаторы собраны из 38 дисков, которые при ходе лап вверх-вниз создают момент трения. За счёт этого центр масс аппарата опускается, а кинетическая энергия приземления распределяется вместо того, чтобы подбросить дрон обратно в воздух: на скользком склоне отскок означал бы срыв.
Главная находка спрятана в лапах: на каждой стопе установлено по два убирающихся шипа — отдельно для упора вверх по склону и вниз. Более крупный шип срабатывает на сильнее нагруженных нижних опорах, а тонкий и мелкий легко входит в лёд на верхних лапах даже при очень малой нагрузке, что критично на крутизне. Важно, что шипы проникают в лёд только по мере сжатия подвески: так они и обеспечивают хват, и остаются защищены от ударных нагрузок в момент касания.
Ведущий автор статьи Айзек Танни, постдок Университета Шербрука в области машиностроения и робототехники, описывает источник идеи буквально:
«Вдохновением для убирающихся шипов в лапах послужили кошачьи когти и их способность выпускаться только тогда, когда это нужно. Мне хотелось сделать стопы, которые сами, пассивно вводят шипы в лёд в нужный момент — независимо от ориентации дрона, геометрии поверхности и состояния льда».
Пассивность здесь принципиальна. Любая активная механика на морозе означает лишние приводы, питание и точки отказа, а лёд — материал куда более капризный, чем камень или кирпич, для которых микрошипы разрабатывались изначально: он скользкий, крошится под нагрузкой и меняет свойства вместе с температурой. Система, срабатывающая от самого веса аппарата, обходит эту проблему без единого дополнительного мотора.
Что говорят независимые специалисты
Уильям Д. Харкорт из Абердинского университета в Шотландии занимается арктическими ледниками, снегом и морским льдом, а также дистанционным зондированием и методами машинного обучения. В исследовании он не участвовал, но видит у технологии сразу несколько интересных применений.
«У фронта приливных ледников такие системы могли бы позволить измерять напряжения и деформации и помочь понять процессы откола льда. Дроны можно использовать как мобильный GPS — буквально в роли приёмника, стоящего на льду, — но системе нужно решить проблему наклона, поскольку для измерения трёхмерных смещений антенна обычно должна быть горизонтальной. Если эти проблемы удастся решить, технологию можно будет применять для отслеживания движения айсбергов».
Что дальше
Разработчики намерены довести Ice Dart до реальных задач, и в ближайших планах два ключевых пункта: автономный выбор площадки для посадки и режим аварийного взлёта на случай, если айсберг перевернётся или расколется прямо под аппаратом. В августе дрон отправился в канадскую арктическую экспедицию — садиться на айсберги, собирать данные и помогать проверять корабельные системы обнаружения льда.
