Inspiracją było wietrzne popołudnie nad Jeziorem Neuchâtel, gdzie doktorant Sanjay Manoharan obserwował kitesurferów. Zdał sobie wtedy sprawę, że rośliny opanowały sztukę żeglowania na wietrze na długo przed człowiekiem. Ta myśl stała się punktem wyjścia dla projektu HERMES, a więc hybrydowego robota, łączącego pasywną mobilność z aktywnym sterowaniem.
Sekret wyjątkowości robota tkwi w jego strukturze
Zespół specjalistów postanowił dogłębnie zbadać, dlaczego biegacze, będące charakterystycznym elementem stepów, pustyń i każdego westernu, toczą się tak efektywnie. Odkryli wcześniej pomijaną cechę ich budow – pionowy gradient porowatości. Okazało się, że górna część rośliny jest o około 20% bardziej porowata niż dolna. Ta pozornie niewielka różnica ma kolosalne znaczenie dla aerodynamiki. Górna część przepuszcza powietrze, podczas gdy gęstszy spód stawia większy opór, generując siłę, która wprawia całość w ruch.
Czytaj też: Odkrycie, które zmieni komputery kwantowe. Klastry złota osiągnęły 40% polaryzacji spinowej
Testy w tunelu aerodynamicznym przyniosły zaskakujące rezultaty. Przy wietrze wiejącym z prędkością 12 metrów na sekundę, porowate osty generowały o połowę większy opór niż gładkie, lite kule. Co więcej, inżynierowie zaobserwowali specyficzne siły nośne, które powodują charakterystyczne ruchy: toczenie przy słabym wietrze, koziołkowanie przy średnim i podskoki przy silnych podmuchach. Na podstawie tych obserwacji zaprojektowali lekką, sferyczną powłokę z precyzyjnie zaprojektowanym gradientem porowatości. Do jej wykonania wykorzystali selektywnego spiekania laserowego, które pozwoliło uzyskać strukturę wystarczająco wytrzymałą, by przetrwać uderzenia, a jednocześnie odpowiednio porowatą i przestronną wewnątrz dla elektroniki.
Cztery tryby HERMES dla maksymalnej efektywności
HERMES nie jest wyłącznie bierną kulą. To inteligentna hybryda, która łączy tanie, wiatrowe toczenie z precyzyjnym sterowaniem za pomocą niewielkich silników drona. Działa w czterech podstawowych trybach. Toczenie służy do pokonywania względnie płaskiego terenu. Wirowanie pozwala na szybką zmianę kierunku. Szybowanie umożliwia ruch tuż nad ziemią, a tryb powietrzny włącza się, gdy trzeba wznieść się ponad przeszkodę. Kluczowa jest filozofia działania, którą twórcy opisują jako “świadomą zużycia energii”. Robot przede wszystkim korzysta z darmowej energii wiatru. Dopiero gdy utknie w miejscu, próbuje się uwolnić za pomocą krótkiego, niskoenergetycznego impulsu silnika. Lot, jako najbardziej energochłonny, jest zawsze ostatecznością.
Co ciekawe, skonstruowana przez naukowców bioinspirowana kula okazała się znacznie wydajniejsza od swojego naturalnego pierwowzoru i od litych kul. Wprawia się w ruch już przy wietrze o prędkości zaledwie 1 m/s, generując przy tym większe siły oporu. Korekty kursu o 25-50 stopni wymagają z kolei impulsu silnika trwającego ułamek sekundy, co przekłada się na oszczędność energii na poziomie 90-95% w porównaniu z ciągłym napędem.
W kontrolowanych testach laboratoryjnych HERMES wyraźnie pokazał swoją przewagę. W eksperymencie polegającym na nawigacji w labiryncie zużył o 48% mniej energii niż konwencjonalny, stale aktywny robot, bo 26 mWh wobec 50 mWh. Jednocześnie pokonał trasę o ponad jedną trzecią szybciej, kończąc zadanie w 105 sekund zamiast 166. Testy terenowe również wypadły obiecująco. Robot radził sobie z nierównym podłożem, kamieniami i korzeniami, wykorzystując głównie siłę wiatru. Był w stanie ciągnąć ładunek wielokrotnie przekraczający jego własną masę, wspinać się po stromych stokach i tworzyć rozproszone sieci pomiarowe. Jego autonomiczny system potrafił rozpraszać się po obszarze i przesyłać dane środowiskowe z geolokalizacją. Pewnym wyzwaniem okazała się zaś wysoka, gęsta trawa, która skutecznie blokowała toczenie.
Od Marsa po pola minowe, czyli wyjątkowość HERMES
Potencjalne zastosowania tego wynalazku są niezwykle szerokie. Na Marsie, gdzie wiatry są stałym elementem środowiska, roje takich pasywnych robotów mogłyby prowadzić szerokie poszukiwania biomarkerów, zastępując skrupulatne planowanie tras przypadkowymi odkryciami na ogromnych obszarach. Z kolei na Ziemi takie urządzenia mogłyby mapować skażenie po katastrofach czy dryfować nad polami minowymi w Ukrainie, Afganistanie lub Jemenie, oznaczając zagrożenia bez narażania życia ludzi. To rozwiązanie wydaje się szczególnie sensowne w sytuacjach, gdzie tradycyjne łaziki są zbyt wolne, drogie lub po prostu zbyt cenne, by nimi ryzykować.
Czytaj też: Czarnobyl znów niepokoi naukowców. Tajemniczy wzrost aktywności neutronowej w zniszczonym reaktorze
Zespół pracuje nad dalszym rozwojem autonomii robota, integracją czujników bezwładnościowych, zbieraniem energii słonecznej oraz nad koordynacją działania całych rojów. Marzeniem są też adaptacyjne powłoki, które mogłyby dynamicznie zmieniać swoją porowatość w locie. Obecne ograniczenie, jakim jest zaledwie dwuminutowy czas lotu, pokazuje, że do praktycznego wdrożenia w ekstremalnych warunkach droga jest jeszcze daleka.