Когда голливудский режиссер Ридли Скотт снимал астронавтов, ищущих инопланетян, в своем фильме 2012 года «Прометей», он не знал, что однажды это вдохновит Network Rail на создание дронов для исследования пещер. Но, как ни странно, именно это и произошло.
Сложность в картировании пещер и шахт
Компания Network Rail, которая владеет и обслуживает большую часть железнодорожной инфраструктуры в Великобритании - от огромных участков путей до тысяч мостов, туннелей и железнодорожных переездов - давно искала более дешевые и простые способы исследования множества подземных пещер и заброшенных шахт, разбросанных вокруг ее собственности.
Инженеры должны учитывать «неглубокие» подземные пустоты при выполнении строительных работ или перемещении тяжелой техники, потому что пещеры могут обрушиться и вызвать смещение земли наверху. В Великобритании более 5000 подобных пустот.
На семинаре по инновациям в 2018 году главный горный инженер Network Rail Нил Раштон обнаружил, что сидит за столом с экспертами по электронике и исследователями роботов. Он набросал простой рисунок устройства, которое могло бы помочь: чего-то, что могло бы пройти через 15-сантиметровую скважину, войти в подземную пещеру и нанести на карту ее интерьер.
Существующие методы картирования этих областей медленные, а иногда и опасные. Геодезисты либо просверливают в земле несколько скважин, через которые они протыкают датчики на концах длинных стержней, чтобы сканировать пространство внизу; или техники сами входят в шахты и пещеры, чтобы вручную собрать данные. Риск вытекания газа, обвалы и даже взрывы - все это было опасно для рабочих.
Инженер-робототехник Саймон Уотсон придумал складную конструкцию дрона
Когда Саймон Уотсон, инженер-робототехник из Манчестерского университета, увидел рисунок господина Раштона, он сразу сказал: «Я смотрел фильм об этом. Это "Прометей"».
В хорошо известной сцене из научно-фантастического блокбастера четыре сферических дрона взмывают в жуткое, неизведанное место обитания пришельцев, сканируя его лазерами, чтобы построить трехмерную модель окружающей среды. Это мучительный момент, когда космические путешественники осознают огромные масштабы диковинных туннелей, на которые они наткнулись.
Мистер Раштон знал фильм, и поэтому сразу понял аналогию мистера Уотсона. «Такой инструмент был бы бесценным, - говорит сегодня он. - Не только для нас, но и для всего мира».
Так получил свое название проект дронов «Прометей», и хотя пещеры, которые Network Rail надеется исследовать с помощью этого устройства, будут меньше, чем туннели пришельцев в фильме, технологические принципы почти такие же.
Проблемы создания дрона
Однако есть особые проблемы. Во-первых, дрон должен проходить через аккуратную 15-сантиметровую скважину - стандартный размер, используемый для подземных исследований. Господин Уотсон, его научный сотрудник Лиам Браун и коллеги придумали складную конструкцию, в которой вооруженные пропеллером руки дрона поднимаются в положение «полета», как только устройство проталкивается через скважину в шахту внизу.
В этот момент дрон отделяется и приближается к подземному пространству для выполнения своей миссии. Но ни один человек не сможет контролировать, куда он пойдет, из-за недостатка света и трудностей с поддержанием беспроводного сигнала на поверхности. Вместо этого «Прометей» должен исследовать подземное пространство автономно.
Чтобы собрать данные об окружающей среде и избежать врезания в стены пещеры или сталактиты, дрон будет нести камеру, которая использует лазеры и инфракрасные изображения для создания трехмерных карт окружающей среды. Устройство должно быть миниатюрным, чтобы его можно было разместить на дроне. Если все пойдет по плану, то после того как он получит карту внутренней части пещеры, дрон полетит обратно к скважине, где автономно состыкуется с буровой установкой и будет вытянут обратно на поверхность.
Миниатюрное устройство может нести только небольшую батарею, поэтому ему придется выполнить свою миссию всего за 10 минут.
Испытания
Команда уже испытала некоторые технологии во время тестовых полетов, такие как стыковочное оборудование, в котором используются фиксирующие штифты и магниты, чтобы удерживать дрон на месте, пока он не будет готов улететь, и 3D-картографирование. Их работа описана в недавно опубликованной научной статье.
Кроме того, господин Уотсон и его коллеги также протестировали несколько готовых дронов, которые, в отличие от завершенного «Прометея», не могут летать сами по себе и не имеют сканирующего оборудования.
Тем не менее эксперименты в пещерах в Шропшире дали команде представление о том, как устройства справляются с турбулентностью в ограниченном пространстве. Это важно учитывать, потому что если настоящий беспилотник «Прометей» упадет под землю во время одной из своих будущих экспедиций, существует более или менее нулевой шанс, что инженеры смогут его извлечь.
Летные испытания в пещере с использованием прототипа самого «Прометея» запланированы на весну 2021 года.
Другие исследования
Это не первый случай, когда кто-то пытается создать автономный дрон для картирования пещер. Три года назад команда из Австралии продемонстрировала одно такое устройство - хотя оно было намного больше, чем будет «Прометей».
Гвидо де Кроон из Делфтского технологического университета в Нидерландах и его коллеги экспериментировали с парой небольших автономных дронов, предназначенных для картирования неизвестной окружающей среды. Их исследование было опубликовано в прошлом году.
По словам профессора де Кроона, амбиции Network Rail впечатляют. «Я думаю, что это очень интересно, - комментирует он. - Под нами целый мир, который труднодоступен и опасен для человека».
Хотя проект сопряжен со множеством проблем, профессор хвалит подход, выбранный командой. И отмечает, что обсуждение фильма Ридли Скотта возникало и среди его учеников, когда они работали над аналогичными проектами.
