אחד האיומים הגדולים על רכב רובוטי החוקר את מאדים אינו בהכרח סלע גדול או מדרון תלול, אלא חול דק ורופף. גלגלים רגילים עלולים להחליק, לשקוע בהדרגה ולחפור לעצמם בור שממנו הרכב אינו מצליח להיחלץ.
חוקרים מאוניברסיטת וירצבורג (University of Würzburg) בגרמניה מציעים להתמודד עם הבעיה באמצעות גלגלים שאינם מסתפקים בגלגול רגיל. העיצוב החדש מחקה את תנועתו של החומט הרפואי (Scincus scincus), לטאה מדברית המכונה באנגלית Sandfish Skink בשל יכולתה לנוע בתוך חול כאילו היא שוחה בו.
אב הטיפוס פותח בידי צוות שבראשו עומד פרופ' מרקו שמידט (Marco Schmidt), מומחה למערכות משובצות ולחיישנים לתצפית על כדור הארץ. הפרויקט הוא חלק מיוזמת VaMEx, ראשי תיבות של Valles Marineris Explorer, שמוביל המרכז הגרמני לתעופה ולחלל (German Aerospace Center – DLR).
החומט שאינו נבהל מחול
החומט הרפואי חי במדבריות צפון אפריקה, סיני וישראל. גופו מותאם להתחפרות ולתנועה בתוך חול רופף. לאחר שהוא צולל מתחת לפני השטח, הוא מצמיד את רגליו לגופו ומניע את הגוף והזנב בתנועה גלית, בדומה לשחייה.
מחקרים קודמים שבהם צולם החומט בקרני רנטגן הראו כי הוא מתקדם מתחת לחול באמצעות גל המתפשט לאורך גופו. התנועה מאפשרת לו להגיע למהירות של כ־1.5 אורכי גוף בשנייה בתוך חומר גרגירי צפוף.
החוקרים מווירצבורג לא ניסו לבנות רכב המזדחל כולו כמו לטאה. במקום זאת הם תרגמו את עקרון התנועה לצורתם ולתנועתם של הגלגלים.
לדברי אמנוסיס לופז (Amenosis Lopez), חוקר בצוותו של שמידט, הגלגלים מחקים את האופן שבו החומט מפעיל כוח על החול. כך הם יוצרים לא רק כוח אורכי הדוחף את הרכב קדימה, אלא גם כוח צדי. התוצאה היא תנועה המזכירה שחייה ומותירה מאחור עקבות גליים, או סינוסואידליים, בחול.
מדוע גלגל רגיל מתקשה בחול?
בעת נסיעה על קרקע מוצקה, גלגל עגול מסוגל להעביר ביעילות את כוח המנוע לתנועה קדימה. בחול רופף המצב מורכב יותר: החול נע ומתקפל מתחת לגלגל, חלק מן האנרגיה מתבזבז על הזזת הגרגרים, והגלגל עלול להסתובב בלי לקדם את הרכב.
ככל שהגלגל מחליק, הוא עלול לשקוע עמוק יותר. ככל שהוא שוקע, ההתנגדות לתנועה גדלה ונדרשת אנרגיה רבה יותר. כך נוצרת לולאה שבה ההחלקה והשקיעה מחזקות זו את זו.
הבעיה אינה תאורטית בלבד. רכב המאדים ספיריט (Spirit) של נאס"א נתקע בשנת 2009 בקרקע חולית רכה. צוות המשימה ניסה במשך חודשים לחלצו, אך בסופו של דבר נאלץ להשתמש בו כתחנת מחקר נייחת. לאחר שלא הצליח להתאים את לוחות השמש לזווית שתספק לו די אנרגיה בחורף, הקשר עמו אבד.
גם הגלגלים החדשים שקעו בתחילה
הניסויים באב הטיפוס נערכו על משטחי חול ובשטח פתוח, בשיתוף המרכז הגרמני לחקר הבינה המלאכותית (German Research Center for Artificial Intelligence – DFKI) בברמן ואוניברסיטת ברמן (University of Bremen).
לדברי החוקרים, הרכב הצליח לנוע בצורה יציבה על חול. עם זאת, הניסויים הראשונים חשפו גם חולשות ברורות בתכנון: גלגלי ה־Sandfish הראשונים היו כבדים וצרים יותר מגלגלים פנאומטיים דומים. כתוצאה מכך הופעל לחץ גדול יותר על הקרקע והרכב שקע בחול.
הצוות שינה את התכנון, הרחיב את הגלגלים והפחית את משקלם. הגלגל הרחב חילק את משקל הרכב על שטח גדול יותר, הפחית את הלחץ על החול וצמצם את השקיעה. הפחתת המשקל וההחלקה שיפרה גם את יציבות הרכב ואת יכולת השליטה בו.
החוקרים מעריכים כי שינויים נוספים במרקם פני הגלגל עשויים לשפר את הביצועים בשטח מעורב, הכולל חול, אבנים וחצץ. ואולם ההודעה שפרסמה האוניברסיטה אינה כוללת נתונים מספריים מלאים, השוואה מפורטת בין סוגי גלגלים או הפניה למאמר מדעי שעבר ביקורת עמיתים. לכן מוקדם עדיין לקבוע עד כמה השיטה תהיה יעילה בתנאי מאדים אמיתיים.
לא רק גלגלים: הרכב יצטרך לדעת שהוא שוקע
השלב הבא של הפרויקט אינו מתמקד רק במבנה המכני. הצוות מתכנן לפתח מערכת בקרה שתזהה החלקה ושקיעה ותתאים בזמן אמת את תנועת הגלגלים לתכונות הקרקע.
מערכת כזו עשויה להשתמש בנתוני המנועים, החיישנים והמצלמות כדי להעריך אם הגלגלים מתקדמים בהתאם למהירות הסיבוב שלהם, או שהם מחליקים במקום. תוכנת השליטה תוכל לשנות את מהירות הגלגלים, את כיוון תנועתם ואולי גם את מסלול הרכב לפני שהוא שוקע עמוק מדי.
הצורך באוטונומיה חשוב במיוחד במאדים, משום שהמרחק מכדור הארץ אינו מאפשר לנהוג ברכב בזמן אמת. עיכוב התקשורת יכול להגיע לדקות רבות בכל כיוון, ולכן רכב הנקלע לחול או מתקרב למדרון מסוכן חייב לזהות את הבעיה ולקבל החלטות בעצמו.
חלק מנחיל רובוטים לחקר ואלס מארינריס
יוזמת VaMEx אינה מתמקדת ברכב יחיד בלבד. מטרתה לבחון כיצד נחיל של כלי רכב, רובוטים זוחלים וכלי טיס בלתי מאוישים יוכל לחקור באופן אוטונומי את ואלס מארינריס (Valles Marineris), מערכת הקניונים העצומה של מאדים.
אורכו של ואלס מארינריס כ־4,000 קילומטרים ועומקו מגיע במקומות מסוימים ליותר משבעה קילומטרים. השטח כולל מדרונות, קניונים, מערות, ערוצים ואזורים המכוסים בחול דק. בשל המרחק מכדור הארץ ומורכבות השטח, הרובוטים יצטרכו לנווט, לשתף מידע ולהחליט באופן עצמאי אילו נתיבים בטוחים.
גלגלי ה־Sandfish הם בשלב זה אב טיפוס שנבדק בכדור הארץ, ולא מערכת שאושרה לטיסה למאדים. עם זאת, הפיתוח מדגים כיצד חיקוי של בעל חיים שהתפתח במשך מיליוני שנים בסביבה חולית עשוי להציע למהנדסים דרך חדשה להתמודד עם אחת הבעיות העקשניות ביותר בחקר כוכבי לכת.
שאלות ותשובות
מהו החומט הרפואי?
החומט הרפואי (Scincus scincus) הוא מין ממשפחת החומטיים החי באזורים חוליים בצפון אפריקה, בסיני ובישראל. באנגלית הוא מכונה Sandfish Skink בשל יכולתו לנוע מתחת לחול בתנועה המזכירה שחייה.
האם רכב המאדים באמת שוחה מתחת לחול?
לא. הרכב נשאר מעל פני החול. המונח “שחייה” מתייחס לתנועתם המיוחדת של הגלגלים ולכוחות האורכיים והצדיים שהם מפעילים על החול.
במה הגלגלים שונים מגלגלים רגילים?
הם אינם מסתמכים רק על גלגול קדימה. צורתם ותנועתם מייצרות דפוס גלי, המסייע לדחוף את הרכב דרך החול ומותיר עקבות סינוסואידליים.
האם הרכב כבר נוסה במאדים?
לא. עד כה נערכו ניסויים על חול ובשטחים פתוחים בכדור הארץ. תנאי הכבידה, האטמוספרה, הטמפרטורה והקרקע במאדים שונים, ולכן יידרשו בדיקות ופיתוח נוספים.
האם הגלגלים החדשים כבר טובים יותר מכל גלגל רגיל?
האוניברסיטה דיווחה על תנועה יציבה ועל שיפור לאחר הרחבת הגלגלים והפחתת משקלם. עם זאת, לא פורסמו בהודעה נתוני השוואה מלאים או מאמר שעבר ביקורת עמיתים, ולכן אין עדיין בסיס לקביעה גורפת.
מהי יוזמת VaMEx?
VaMEx – Valles Marineris Explorer – היא יוזמה של המרכז הגרמני לתעופה ולחלל לפיתוח טכנולוגיות שיאפשרו לנחיל מגוון של רובוטים לחקור באופן אוטונומי את אזור ואלס מארינריס במאדים.
