רגליים רובוטיות בסגנון “נחום תקום” עשויות לעזור לאסטרונאוטים על הירח להתרומם מנפילות

זקוקים לרגע של קלילות? נסו לצפות בסרטונים של אסטרונאוטים נופלים על הירח. קטעי הווידאו של נאס”א מהאסטרונאוטים של אפולו המועדים ומתקשים בעוד הם מקפצים באיטיות הם קטעים מהנים ביותר.

עבור מהנדסי MIT, הקטעים המשעשעים האלה מהווים גם הזדמנות לחדשנות.

“האסטרונאוטים הם בעלי יכולת פיזית מרשימה, אך עשוי להיות להם קשה על הירח, שבו הכבידה היא שישית מזו של כדור-הארץ אך האינרציה שלהם נותרת זהה. בנוסף, לבישת חליפת חלל מהווה נטל משמעותי ויכולה להגביל את תנועותיהם,” אומר הארי אסדה, פרופסור להנדסת מכונות ב-MIT. “אנו רוצים לספק דרך בטוחה לאסטרונאוטים לחזור לעמידה אם הם נופלים.”

אסדה ועמיתיו מעצבים זוג גפיים רובוטיות לבישות ושיכולות לתמוך פיזית באסטרונאוט ולהחזירו לעמידה במקרה שהוא נופל. המערכת, שהחוקרים כינו Supernumerary Robotic Limbs או “SuperLimbs”, מיועדת להיות מחוברת לתרמיל הגב, שישא גם את מערכת התמיכה בחיים של האסטרונאוט, יחד עם הבקר והמנועים להנעת הגפיים.

החוקרים בנו אב טיפוס, וכן מערכת בקרת שמבוססת על משוב מהאסטרונאוט המשתמש בה. הצוות בדק גרסה ראשונית על נבדקים בריאים שהתנדבו ללבוש חליפה מגבילה, הדומה לחליפת חלל של אסטרונאוט. כאשר הנבדקים ניסו לקום ממצב ישיבה או שכיבה, הם עשו זאת במאמץ מופחת כשהם נעזרים ב-SuperLimbs, בהשוואה לניסיונותיהם להתרומם בכוחות עצמם.

צוות MIT מעריך ש-SuperLimbs תוכל לסייע פיזית לאסטרונאוטים במקרה של נפילה, ובכך לעזור להם לשמר אנרגיה למשימות חיוניות אחרות. העיצוב עשוי להיות שימושי במיוחד בשנים הקרובות, עם השקת משימת ארטמיס של נאס”א, שמתוכננת לשלוח אסטרונאוטים חזרה לירח, לראשונה מזה יותר מ-50 שנה. בניגוד למשימת החקר של אפולו, האסטרונאוטים של ארטמיס ישאפו לבנות את הבסיס הקבוע הראשון על הירח – משימה פיזית תובענית שתדרוש פעילויות חוץ-רכביות ממושכות (EVAs).

“במהלך תקופת אפולו, כאשר האסטרונאוטים היו נופלים, ב-80 אחוז מהמקרים זה קרה כשהם עסקו בחפירה או בשימוש בכלי עבודה כלשהו,” אומר חבר הצוות וסטודנט לדוקטורט ב-MIT, אריק בלסטרוס. “משימות ארטמיס יתמקדו מאוד בבנייה וחפירה, ולכן הסיכון לנפילות גבוה יותר. אנו חושבים ש-SuperLimbs יכולים לעזור להם להתאושש כדי להיות פרודוקטיביים יותר ולהאריך את ה-EVAs שלהם.”

אסדה, בלסטרוס ועמיתיהם יציגו את העיצוב והמחקר שלהם השבוע בכנס הבינלאומי לרובוטיקה ואוטומציה של IEEE (ICRA). מחברי שותפים כוללים את הדוקטורנט של MIT סאנג-יופ לי ואת קאלינד קרפנטר ממעבדת הנעה סילונית (JPL).

העיצוב של הצוות הוא היישום האחרון של SuperLimbs, שאסדה פיתח לראשונה לפני כעשור והתאים מאז למגוון יישומים, כולל סיוע לעובדים בתעשיית התעופה, הבנייה והספנות.

לאחרונה, אסדה ובלסטרוס תהו האם SuperLimbs יכולים לסייע לאסטרונאוטים, במיוחד כיוון שנאס”א מתכננת לשלוח אסטרונאוטים חזרה לפני הירח.

“במהלך העבודה עם נאס”א, למדנו כי הנושא של נפילות על הירח הוא סיכון חמור,” אומר אסדה. “הבנו שאנו יכולים לערוך שינויים בעיצוב שלנו כדי לעזור לאסטרונאוטים להתרומם חזרה מנפילות ולהמשיך בעבודתם.”

הצוות לקח צעד אחורה, כדי ללמוד את הדרכים שבהן בני אדם קמים באופן טבעי מנפילה. במחקר החדש שלהם, הם ביקשו מכמה מתנדבים בריאים לנסות לעמוד זקוף לאחר שכיבה על הצד, הבטן והגב.

החוקרים בחנו כיצד ניסיונות המתנדבים לעמוד השתנו כאשר תנועותיהם היו מוגבלות, בדומה לאופן שבו תנועות האסטרונאוטים מוגבלות על-ידי גודל חליפות החלל שלהם. הצוות בנה חליפה שנועדה לחקות את הנוקשות של חליפות החלל המסורתיות, והמתנדבים לבשו את החליפה וניסו שוב לעמוד ממצבים שונים של נפילה. רצף התנועות של המתנדבים היה דומה, אך נדרש הרבה יותר מאמץ בהשוואה לניסיונותיהם ללא הגבלה.

הצוות מיפה את תנועות כל מתנדב כשהוא עמד, ומצא שהמתנדבים ביצעו רצף נפוץ של תנועות, עוברים מתנוחה אחת, או “נקודת מעבר,” לבאה, בסדר צפוי.

“אותם ניסויים ארגונומיים עזרו לנו למדל בצורה פשוטה את הדרך שבה בני אדם נעמדים”, אומר בלסטרוס. “יכולנו להניח שכ-80 אחוז מהאנשים נעמדים  בצורה דומה. לאחר מכן עיצבנו בקר מסביב לאותו מסלול.”

הצוות פיתח תוכנה ליצירת מסלול לרובוט, בעקבות רצף שיעזור לתמוך באדם ולהרימו חזרה על רגליו. הם יישמו את הבקר על זרוע רובוטית כבדה וקבועה, שהצמידו לתרמיל גדול. החוקרים חיברו את התרמיל לחליפה מגושמת ועזרו למתנדבים ללבוש את החליפה שוב. הם ביקשו מהמתנדבים לשכב על הגב, הבטן או הצד, ואז לנסות ולעמוד כשהרובוט חש את תנועות האדם ומתאים את עצמו כדי לעזור להם לעמוד.

בסך הכל, המתנדבים יכלו לעמוד ביציבות עם הרבה פחות מאמץ כשהם נעזרו ברובוט, בהשוואה לניסיונותיהם לעמוד לבד עם החליפה המגושמת.

“זה מרגיש כמו כוח נוסף שמזיז אותך,” אומר בלסטרוס, שניסה גם הוא את החליפה והסיוע של הזרוע. “תארו לעצמכם ללבוש תרמיל ומישהו אוחז בחלקו העליון ומושך אתכם כלפי מעלה. עם הזמן, זה הופך להיות טבעי.”

הניסויים אישרו שמערכת הבקרה יכולה להנחות רובוט לעזור לאדם לעמוד חזרה לאחר נפילה. החוקרים מתכננים לשלב את מערכת הבקרה עם הגרסה האחרונה של SuperLimbs, שמורכבת משתי זרועות רובוטיות רב-מפרקיות שיכולות להתרחב מתוך תרמיל גב. התרמיל יכיל גם את הסוללה והמנועים של הרובוט, יחד עם מערכת האוורור של האסטרונאוט.

“עיצבנו את הזרועות הרובוטיות הללו על בסיס חיפוש בינה מלאכותית ואופטימיזציית עיצוב, כדי למצוא עיצובים של מניפולטורים רובוטיים קלאסיים עם מגבלות הנדסיות מסוימות,” אומר בלסטרוס. “סיננו בין עיצובים רבים וחיפשנו את העיצוב שצורך את כמות האנרגיה הקטנה ביותר הדרושה כדי להרים אדם. גרסה זו של SuperLimbs היא תוצר של התהליך הזה.”

בקיץ הקרוב, בלסטרוס יבנה את מערכת ה-SuperLimbs המלאה במעבדת ההנעה הסילונית של נאס”א, שם הוא מתכנן לייעל את העיצוב ולהפחית את משקל חלקיו והמנועים שלו באמצעות חומרים קלים ומתקדמים.
לאחר מכן, הוא מקווה להתקין את הגפיים על חליפות אסטרונאוטים ולבדוק אותן בסימולטורים של כבידה נמוכה, במטרה לסייע לאסטרונאוטים במשימות עתידיות לירח ולמאדים.

“לבישת חליפת חלל יכולה להיות נטל פיזי,” מציין אסדה. “מערכות רובוטיות יכולות לעזור להקל על הנטל הזה, ולעזור לאסטרונאוטים להיות פרודוקטיביים יותר במהלך משימותיהם.”

המחקר הזה נתמך, בחלקו, על-ידי נאס”א.