A novel concept for Titan robotic exploration based on soft morphing aerial robots

要約

この研究では、柔軟な適応材料の使用を活用したソフトモーフィング航空機ロボットに基づいたタイタン探査のための新しいアプローチが導入されています。
空気圧システムと腱機構の組み合わせによって作動するマルチコプター アームの制御された変形により、探検ロボットは全身で止まったり、岩が多い、不規則な、または不均一な地形に着陸したりできるため、新たな探査の地平が開かれます。
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さらに、着陸後は、空気圧システムがサンプルを吸い込み、腱駆動の連続体マニピュレーターとして効率的なサンプリングに使用できます。
提案されたアームにより、機体を回転させずにローター推力を誘導し、空気抵抗を低減することで、無人機がタイタンの大気圏で長距離を効率的に移動できるようになります。
探査コンセプトが回転翼航空機惑星着陸船として想定されていることを考えると、ロボットの折りたたみ機能により、極超音速エアロシェルの直径を 30$\%$ 以上削減できます。
この折りたたみ機能に基づいて、アームは飛行中に部分的に変形して、狭い空間を移動できます。
推進力に関しては、CFD シミュレーションによって正当化されたローター設計は、Titan の高いレイノルズ数に合わせて調整されたダクトファン構成を利用しています。
ローターはロボットの変形可能な材料内に組み込まれており、環境とのスムーズな相互作用を促進します。
この研究では、タイタンの独特なメタンサイクルと地球に似た特徴を明らかにする可能性があるソトラ・パテラ氷火山地域に焦点を当て、ガゼボ環境での探査シミュレーションに焦点を当てている。
この研究では、タイタンを模倣した条件下で小型の変形可能なアームの動作をテストすることで、このコンセプトの主要な課題の 1 つに取り組んでいます。
極低温の液体窒素を使用した画期的な実験がさまざまな材料で行われ、低充填率 (15 ～ 30%) のテフロン (PTFE) が有望な選択肢として浮上しました。

要約(オリジナル)

This work introduces a novel approach for Titan exploration based on soft morphing aerial robots leveraging the use of flexible adaptive materials. The controlled deformation of the multirotor arms, actuated by a combination of a pneumatic system and a tendon mechanism, provides the explorer robot with the ability to perform full-body perching and land on rocky, irregular, or uneven terrains, thus unlocking new exploration horizons. In addition, after landing, they can be used for efficient sampling as tendon-driven continuum manipulators, with the pneumatic system drawing in the samples. The proposed arms enable the drone to cover long distances in Titan’s atmosphere efficiently, by directing rotor thrust without rotating the body, reducing the aerodynamic drag. Given that the exploration concept is envisioned as a rotorcraft planetary lander, the robot’s folding features enable over a 30$\%$ reduction in the hypersonic aeroshell’s diameter. Building on this folding capability, the arms can morph partially in flight to navigate tight spaces. As for propulsion, the rotor design, justified through CFD simulations, utilizes a ducted fan configuration tailored for Titan’s high Reynolds numbers. The rotors are integrated within the robot’s deformable materials, facilitating smooth interactions with the environment. The research spotlights exploration simulations in the Gazebo environment, focusing on the Sotra-Patera cryovolcano region, a location with potential to clarify Titan’s unique methane cycle and its Earth-like features. This work addresses one of the primary challenges of the concept by testing the behavior of small-scale deformable arms under conditions mimicking those of Titan. Groundbreaking experiments with liquid nitrogen at cryogenic temperatures were conducted on various materials, with Teflon (PTFE) at low infill rates (15-30%) emerging as a promising option.

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