Đặt nền tảng cho các chiến lược robot trong bảo vệ môi trường

Dọc theo các bờ sông phát triển, các rào cản vật lý có thể giúp ngăn chặn lũ lụt và chống xói mòn. Ở những vùng khô cằn, kiểm tra các đập có thể giúp giữ lại đất sau khi mưa và khôi phục cảnh quan bị hư hại. Trong các dự án xây dựng, các tấm kim loại có thể cung cấp hỗ trợ cho việc khai quật, giữ lại các bức tường trên sườn dốc hoặc nền móng vĩnh viễn. Tất cả các ứng dụng này có thể được giải quyết với việc sử dụng cọc ván, các phần tử được gấp từ vật liệu phẳng và được điều khiển thẳng đứng xuống đất để tạo thành các bức tường và ổn định đất. Ổn định đất thích hợp là chìa khóa để quản lý đất bền vững trong các ngành công nghiệp như xây dựng, khai thác và nông nghiệp; và suy thoái đất đai, mất các dịch vụ hệ sinh thái từ một địa hình nhất định, là yếu tố thúc đẩy biến đổi khí hậu và ước tính trị giá lên tới 10 nghìn tỷ đô la hàng năm.

Với động lực này, một nhóm các nhà nghiên cứu robot tại Viện Kỹ thuật lấy cảm hứng sinh học của Harvard đã phát triển một robot có thể tự động điều khiển các cọc thép đan xen vào đất. Các cấu trúc mà nó xây dựng có thể hoạt động như tường chắn hoặc kiểm tra các đập để kiểm soát xói mòn. Nghiên cứu này sẽ được trình bày tại Hội nghị Quốc tế về Robot và Tự động hóa năm 2019 sắp tới.

Quy trình đóng cọc ván thông thường rất tốn năng lượng. Chỉ một phần trọng lượng của máy móc hạng nặng thông thường được sử dụng để tác dụng lực hướng xuống. Robot “Romu” của nhóm Wyss, mặt khác, có thể tận dụng trọng lượng của chính nó để đẩy các cọc ván xuống đất. Điều này được thực hiện bởi bốn bánh xe của nó được ghép với một bộ truyền động tuyến tính riêng biệt, điều này cũng cho phép nó thích nghi với địa hình không bằng phẳng và đảm bảo rằng các cọc được điều khiển theo chiều dọc. Từ một vị trí nâng lên, Romu nắm chặt một cọc ván và sau đó hạ thấp khung gầm của nó, ấn cọc vào đất với sự trợ giúp của búa rung trên tàu. Bằng cách nắm chặt cọc một lần nữa ở vị trí cao hơn và lặp lại quá trình này, robot có thể lái một cọc cao hơn nhiều so với phạm vi chuyển động thẳng đứng của chính nó. Sau khi lái một cọc đến độ sâu đủ, Romu tiến lên và cài đặt cọc tiếp theo sao cho nó xen kẽ với cọc trước, từ đó tạo thành một bức tường liên tục. Một khi nó đã sử dụng tất cả các cọc mà nó mang theo, nó có thể quay lại bộ đệm cung cấp để bổ sung.

Nghiên cứu phát triển từ công việc trước đây tại Viện Wyss về các đội hoặc nhóm robot cho các ứng dụng xây dựng. Trong công việc lấy cảm hứng từ những con mối xây dựng gò, thành viên Khoa cốt lõi Radhika Nagpal và Nhà khoa học nghiên cứu cao cấp Justin Werfel đã thiết kế một đội xây dựng robot tự trị có tên là TERMES, các thành viên đã cùng nhau xây dựng các cấu trúc phức tạp từ những viên gạch chuyên dụng. Công việc tiếp theo của Werfel và nhà nghiên cứu Nathan Melenbrink đã khám phá các robot leo trèo có khả năng xây dựng các cấu trúc giàn đúc, giải quyết các ứng dụng như cầu. Tuy nhiên, cả hai nghiên cứu này đều không đề cập đến thách thức của các cấu trúc neo xuống đất. Dự án Romu bắt đầu như một cuộc thăm dò các phương pháp để chuẩn bị trang web tự động và cài đặt nền móng cho các hệ thống trước đó để xây dựng; khi nó phát triển,

“Ngoài các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chúng tôi đã chứng minh Romu hoạt động trên một bãi biển gần đó”, Melenbrink nói. “Loại trình diễn này có thể là một tàu phá băng cho một cuộc trò chuyện rộng hơn xung quanh các cơ hội tự động hóa trong xây dựng và quản lý đất đai. Chúng tôi quan tâm đến việc tham gia với các chuyên gia trong các lĩnh vực liên quan, những người có thể thấy lợi ích tiềm năng cho loại can thiệp tự động mà chúng tôi đang phát triển. “

Các nhà nghiên cứu hình dung số lượng lớn robot Romu làm việc cùng nhau như một tập thể hoặc người máy (swarm robotics). Họ đã chứng minh trong các mô phỏng trên máy tính rằng các nhóm robot Romu có thể sử dụng các tín hiệu môi trường như độ dốc để xây dựng các bức tường ở các vị trí hiệu quả, sử dụng hiệu quả các nguồn lực hạn chế. “Cách tiếp cận bầy đàn mang lại những lợi thế như tăng tốc thông qua sự song song, mạnh mẽ đến việc mất từng robot và khả năng mở rộng cho các đội lớn”, ông Werfel nói. “Bằng cách phản ứng trong thời gian thực với các điều kiện mà họ thực sự gặp phải khi làm việc, robot có thể thích nghi với các tình huống bất ngờ hoặc thay đổi, mà không cần phải dựa vào nhiều cơ sở hạ tầng hỗ trợ cho các khả năng như khảo sát địa điểm, giao tiếp hoặc bản địa hóa.”

“Cái tên Terramanus ferromurus (Romu) là một cái gật đầu cho khái niệm” sinh thái máy “, trong đó các hệ thống tự trị có thể được đưa vào môi trường tự nhiên như những người tham gia mới, thực hiện các hành động cụ thể để bổ sung và thúc đẩy quản lý môi trường của con người,” Melenbrink nói. Trong tương lai, “chi” Terramanus có thể được mở rộng bằng các robot bổ sung thực hiện các nhiệm vụ khác nhau để bảo vệ hoặc khôi phục các dịch vụ hệ sinh thái. Dựa trên những phát hiện của họ, nhóm nghiên cứu hiện đang quan tâm đến việc điều tra các biện pháp can thiệp từ các cấu trúc giữ nước ngầm để hỗ trợ nông nghiệp ở các khu vực khô cằn, để đáp ứng việc xây dựng hàng rào chống lũ để chuẩn bị bão. Các phiên bản tương lai của robot có thể thực hiện các biện pháp can thiệp khác như phun các chất liên kết đất hoặc lắp đặt hàng rào phù sa, để gia đình của những robot này có thể hành động và ổn định đất trong nhiều tình huống.

Trong nhiều kịch bản để bảo vệ hoặc phục hồi môi trường, cơ hội hành động bị hạn chế bởi sự sẵn có của lao động con người và truy cập trang web cho máy móc hạng nặng. Máy xây dựng nhỏ hơn, linh hoạt hơn có thể cung cấp một giải pháp. “Rõ ràng, nhu cầu của nhiều cảnh quan xuống cấp không được đáp ứng với các công cụ và kỹ thuật hiện có,” Melenbrink nói. “Bây giờ, 100 năm sau buổi bình minh của thời đại thiết bị nặng, chúng tôi đang hỏi liệu có cách nào linh hoạt và nhạy bén hơn để tiếp cận quản lý và phục hồi đất đai hay không.”

“Robot lái xe cọc số này với khả năng thể hiện trong môi trường tự nhiên báo hiệu một con đường mà khả năng robot và người máy của Viện Wyss có thể được mang trên cả môi trường tự nhiên và nhân tạo, nơi máy móc thông thường, hạn chế sức mạnh của con người, hoặc chi phí không đủ để ngăn ngừa hậu quả tai hại thường xuyên. Robot này cũng có thể giải quyết các tình huống thảm họa trong đó ngăn chặn sự cố tràn hóa chất nguy hiểm hoặc chất lỏng phóng xạ gây khó khăn cho con người hoặc không thể can thiệp “, Giám đốc sáng lập Viện Wyss Donald Ingber, MD, Ph. D., đồng thời là Giáo sư Sinh học Mạch máu Judah Folkman tại HMS và Chương trình Sinh học Mạch máu tại Bệnh viện Trẻ em Boston, cũng như Giáo sư Kỹ thuật Sinh học tại SEAS.

Nguồn tin tức:

Tài liệu được cung cấp bởi Viện Wyss cho Kỹ thuật lấy cảm hứng sinh học tại Harvard . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.