Cuerpo de serpiente, tripas de robot: este invento de la NASA aspira a revolucionar la exploración lunar
Estudiantes de ingeniería de la Universidad Northeastern (Estado Unidos) prueban en el desierto de Mojave su robot con forma de serpiente, el Articulador Rodante Bioinspirado para la Observación de Cráteres (COBRA, por sus siglas en inglés). Su robot, diseñado para explorar el cráter Shackleton en el polo sur de la Luna, se llevó el máximo galardón en el concurso de la NASA Breakthrough, Innovative, and Game-changing (BIG) Idea Challenge, una competición de ingeniería espacial.
Había llegado la hora de la verdad para el robot COBRA.
El viento azotaba. El sol abrasaba. La grava resbalaba bajo los pies de los jóvenes estudiantes de ingeniería de la Universidad Northeastern (Estados Unidos), que se encaramaban con cuidado a una ladera escarpada y rocosa en un desolado paraje del desierto de California.
Activaron un programa y el robot adoptó la forma de un hexágono. Equilibrado sobre un lado plano y cubierto con una funda negra, parecía un neumático delgado. De repente, el robot se precipitó cuesta abajo, rebotando contra las rocas a tal velocidad que se lanzó momentáneamente por los aires, pero manteniéndose erguido y estable en todo momento.
El robot era una de las siete máquinas concebidas, diseñadas y construidas durante los 18 meses anteriores en universidades de todo Estados Unidos. Los equipos de ingenieros competían en un concurso de la NASA para construir robots innovadores capaces de explorar el terreno accidentado y las brutales condiciones de la Luna, e incluso más allá.
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Diseñado para enfrentarse a las dificultades de los cráteres del polo sur lunar, el robot COBRA dispone de locomoción lateral para desplazarse por terreno llano o cuesta arriba, un modo de voltereta mediante la conexión de su cabeza y cola, y una configuración en forma de sacacorchos, que se ve aquí, para salir de los lugares difíciles.
En noviembre, los equipos mostraron una auténtica colección de robots y vehículos exploradores construidos para atravesar el desierto, un tosco sustituto de la superficie lunar. COBRA, un conjunto de 13 minirobots que se unen formando una cadena serpenteante, no fue el único diseño estrafalario. La Universidad del Estado de Arizona presentó CHARLOTTE, un robot de seis patas capaz de escalar pendientes pronunciadas, y la Universidad del Estado de Florida mostró un robot de cuatro patas del tamaño de un terrier llamado "Extreme Terrain Quad", o ET-Quad, que correteaba por las rocas.
"Estas son áreas en las que realmente queremos ideas innovadoras", afirma Vandi Verma, ingeniera jefa del vehículo explorador Perseverance de la NASA y una de las jueces del concurso. Los equipos propusieron ideas muy diferentes, dice, "lo que nos hace darnos cuenta de que hay una gran variedad de soluciones: realmente tenemos muchas opciones".
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Cerca del polo sur de la Luna, el cráter Shackleton tiene forma de cuenco, 20 kilómetros de ancho y más de tres kilómetros de profundidad. Está cerca de los campamentos base que la NASA tiene previstos para las misiones Artemis, pero para explorar eficazmente este cráter de gran riqueza geológica, los astronautas necesitarán la ayuda de robots capaces de sortear el traicionero terreno.
En esta visualización del agua en la Luna, las zonas azules representan hielo de agua en la superficie lunar. Los datos, procedentes del Moon Mineralogy Mapper de la NASA, muestran que la mayor parte del hielo superficial de la Luna se concentra cerca de los polos.
Por qué necesitamos robots en la Luna
Una de las principales misiones de la NASA en los próximos años es volver a poner humanos en la Luna por primera vez desde el programa Apolo hace más de 50 años. Y esta vez, el objetivo es quedarse.
"Si vamos a volver a la Luna para quedarnos, los robots van a ser una parte muy importante", afirma Verma. "Va a estar inculcado en todo lo que haya allí".
Para establecer una base, la NASA no tiene como objetivo las regiones ecuatoriales lisas y planas donde aterrizaron las misiones Apolo, sino el terreno accidentado y los cráteres potencialmente ricos en hielo del polo sur lunar. Debido a la inclinación de sus laderas, estos cráteres tienen regiones permanentemente sombreadas en sus cuencas interiores que probablemente alberguen reservas de agua congelada, un recurso crítico para una presencia lunar a largo plazo.
La idea de un robot lunar inspirado en una serpiente, que se ve en este diagrama, partió del profesor adjunto de la Universidad Northeastern Alireza Ramezani, que investiga la locomoción robótica bioinspirada.
El agua podría servir de apoyo a los astronautas, pero también podría ayudar a proteger a las personas de peligrosas ráfagas de radiación. Los átomos de hidrógeno del agua desvían las partículas entrantes de alta energía sin descomponerse en otras radiaciones secundarias, posiblemente aún más dañinas.
Pero los cráteres no son fáciles de explorar. Están rodeados de paredes abruptas, a veces escarpadas, y plagados de fosas y cámaras creadas por antiguos flujos de lava. Su temperatura oscila diariamente más de 232 grados centígrados y a menudo están a la sombra del sol, por lo que es imposible aprovechar la energía solar.
Junto con los humanos, se necesitará un pequeño ejército de robots y vehículos exploradores para explorar este terreno inhóspito.
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Cobra dando tumbos por una colina rocosa. "Las serpientes y su singular patrón de deslizamiento en los desiertos de arena han sido objeto de numerosos estudios, lo que llamó la atención del equipo por su locomoción en terreno llano; sin embargo, las serpientes no dan tumbos. Así que el equipo diseñó COBRA para que cambiara entre las configuraciones de rueda y serpiente", escribió Ramezani.
COBRA en su formación giratoria en forma de rueda.
El reto
Cada año, la NASA reta a estudiantes de todo Estados Unidos a resolver un problema relacionado con el espacio. En 2021, pidió ideas sobre cómo lidiar con el polvo lunar, que es famoso por atascar los artilugios mecánicos, y en 2019, sobre la mejor manera de diseñar un invernadero marciano.
Este año, la agencia espacial ha solicitado diseños de robots lunares. Los robots podían tener cualquier forma o tamaño, pero debían ser capaces de atravesar terrenos difíciles y no podían parecerse a los vehículos con ruedas que hasta ahora han poblado la Luna y Marte.
Diseñar robots robustos, flexibles e independientes es un gran reto, afirma Kevin Kempton, director del programa Game Changing Development de la NASA y uno de los jueces del concurso, al mismo nivel que diseñar verdaderas naves espaciales.
El día anterior a las demostraciones sobre el terreno en el desierto de Mojave, similar a la Luna, los estudiantes expusieron sus robots en el salón de baile de un hotel de Pasadena. Este robot, el Walking Oligomeric Robotic Mobility System (WORMS) de los estudiantes del Instituto Tecnológico de Massachusetts, está diseñado para tener componentes modulares de modo que puedan montarse distintas configuraciones en la Luna.
Inspirándose en animales tan diversos como arañas, cabras y pingüinos, los estudiantes del MIT montan su robot WORMS en el centro de pruebas.
Los equipos propusieron soluciones muy diferentes. Algunos, como el del Estado de Florida, se inclinaron por el biomorfismo, tomando prestadas ideas de insectos y animales. El ET-Quad corre como un pequeño animal de cuatro patas y está diseñado para nadar en el agua o en otras sustancias, como el polvo lunar o la arena, que pueden comportarse como fluidos. También puede trepar y, aunque el equipo sólo lo ha probado en paredes sencillas, se imagina robots similares trepando por un cráter lunar con garras elásticas.
El diseño de la Universidad Estatal de Arizona, un robot de seis patas de un metro y medio de altura, mantiene tres de ellas firmemente apoyadas en el suelo mientras un sistema lidar (similar a un radar pero que utiliza pulsos de luz) escanea el paisaje circundante y decide dónde colocar las otras tres patas. El robusto sistema de desplazamiento, junto con una pequeña cuerda de "rappel", le permitía subir y bajar con seguridad por una pendiente pronunciada.
El rover de 6 patas de la Universidad Estatal de Arizona se llama CHARLOTTE (Crater Hydrogen And Regolith Laboratory for Observation on Technical Terrain Environments). Este robot con forma de araña recibió el premio a la mejor ingeniería de sistemas.
Estudiantes de la Universidad Estatal de Arizona ponen a prueba a CHARLOTTE, su robot de seis patas, en una pendiente pronunciada.
La serpiente COBRA de la Universidad Northeastern, diseñada para descender por las paredes de los cráteres y explorar los tubos de lava, también se inspira en la naturaleza. "Queríamos imitar a la naturaleza, pero mejorándola", explica Alexander Qiu, especialista en software del equipo. Vio horas y horas de vídeos en YouTube de distintas serpientes para entender sus diferentes movimientos. Al final, el equipo diseñó COBRA para que se deslizara y se desplazara lateralmente, movimientos normales de las serpientes. Pero también puede doblarse en forma de hexágono y lanzarse cuesta abajo, y enroscarse en espiral para maniobrar por terrenos rocosos y desnivelados.
El cuadrúpedo de terreno extremo (ET-Quad) de la Universidad Estatal de Florida se diseñó para "atravesar terrenos abruptos, vadear o nadar por regolitos profundos y blandos y trepar por superficies rocosas escarpadas".
El rover de la Universidad de Connecticut (Morphing Tank-to-Leg Modality for Exploratory Luna Vehicles) utilizó tanto patas como bandas de rodadura de tanques para diseñar un robot que pudiera "resistir diversos entornos encontrados en la Luna, como temperaturas de funcionamiento extremas, regolito helado e inclinaciones superiores a 30 grados".
El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), por su parte, pensó que una vez que los astronautas estuvieran en la Luna, querrían muchos tipos de robots, así que diseñaron "combinaciones que pueden reconfigurarse como si fueran bloques de Lego", explicó el equipo en una presentación. Los "gusanos", que actuaban como patas, se unían a un armazón mediante herrajes universales que permitían añadir o quitar piezas. Los "zapatos", con forma de cuencos poco profundos, actuarían como raquetas de nieve, ayudando al robot a caminar por la esponjosa suciedad lunar, y las herramientas científicas, como taladros o sensores, podrían encajar en las "espinillas" del robot.
La arquitectura lunar del Instituto de Tecnología de California (LATTICE, Lunar Architecture for Tree Traversal In-service of Cabled Exploration) fue elegida por el jurado como el concepto más visionario.
El equipo de Caltech maneja su robot en forma de tirolina, que despliega cables y estacas para transportar materiales en la Luna, "de forma similar a lo que se utiliza en la industria maderera", explica Lucas Pabarcius, estudiante del equipo.
"Podemos imaginarnos un almacén en la Luna con todas las piezas necesarias", explica el equipo, lo que permitiría a los astronautas construir distintas versiones.
En lugar de construir un robot autónomo, CalTech imaginó un sistema de tirolinas desde el borde del cráter hasta la base para transportar equipos, materiales y, tal vez, trozos de hielo a través de un terreno traicionero. Un robot clavaría estacas en el suelo en la parte superior e inferior del cráter y tendería cables entre ellas; un chasis motorizado transportaría las cargas a lo largo de los cables.
El robot de la Universidad de Maryland utilizaba tanto las patas como las ruedas para desplazarse, poniendo las ruedas para rodar cuando el terreno era liso y cambiando al modo de patas para enfrentarse a pendientes y rocas. La máquina de la Universidad de Connecticut también cambiaba entre dos mecanismos de movimiento: caminaba sobre cuatro patas y bajaba sobre las bandas de rodadura como un tractor.
"No hace falta estar loco por el espacio para darse cuenta de que esto es genial", dice Kempton.
El único rover con ruedas de la competición, el Terrapin Rover Allows Versatile Exploration of the Luna Surface (TRAVELS) de la Universidad de Maryland, cuenta con un "sistema de movilidad cuatrimodal que puede rodar, caminar, saltar y descender en rappel por pendientes pronunciadas".
En el desierto
Los equipos presentaron primero sus conceptos y robots en una sala de conferencias de Pasadena iluminada con fluorescentes. Al día siguiente, se dirigieron al desierto, un simulacro de las condiciones del polo sur lunar, sin las gélidas temperaturas ni la mortífera radiación.
Para tratarse de diseños de primera generación, su rendimiento fue admirable, afirma Jennifer López, directora de Astrobotic Technology, una de las empresas contratadas por la NASA para llevar equipos a la Luna. El ET-Quad esprintó unos metros sobre un terreno irregular y luego se cayó. La minitirolina de CalTech subió y bajó con cuidado por los cables tensados. El robot de la Universidad Estatal de Arizona subió y bajó una pendiente de 27 grados moviéndose a unos 3 metros por minuto, es decir, una quinta parte de la velocidad del rover Perseverance, pero en un terreno mucho más duro y escarpado.
"Un pequeño paso para los robots...", bromeó Connor Nail, ingeniero del Estado de Arizona.
Al final, COBRA se llevó los máximos honores. Probó sus tres formas de desplazarse: primero avanzó por un camino de tierra hasta que una pequeña berma le impidió hacerlo. Cuando se enganchó en un arbusto de artemisa, adoptó su configuración en espiral y se alejó con éxito. Por suerte, señaló un estudiante, esto no será un problema en la Luna.
Más tarde, mientras caía cuesta abajo en su configuración de hexágono rodante, todos los asistentes (alumnos de las siete escuelas y jueces por igual) aplaudieron en señal de apoyo. "De esto se trata", afirma Eddie Tunstel, Director de Tecnología de Motiv Space Systems. "Todos buscamos buenas ideas".
Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.
