IMPRESSIÓ I DISSENY 3D

1. INTRODUCCIÓ

El Curiosity i el Perseverance són dos ròvers desenvolupats per la NASA amb l'objectiu d'explorar la superfície de Mart i aprofundir en el coneixement del planeta. El Curiosity va aterrar el 2012 i es va centrar a investigar la possibilitat d'habitabilitat de Mart, analitzant les condicions climàtiques i buscant indicis d'aigua. Per altra banda, el Perseverance es va llançar l'any 2020 amb un propòsit més ambiciós: detectar rastres de vida microbiana antiga i preparar el terreny per a futures missions de retorn de mostres a la Terra.

Tots dos ròvers estan estretament lligats a les STEAM (Ciència, Tecnologia, Enginyeria, Art i Matemàtiques), atès que la seva creació ha estat possible gràcies a l'avenç de diverses disciplines científiques i tecnològiques. La seva construcció i el seu funcionament son un clar exemple de treball multidisciplinari i de la interconnexió entre les ciències per resoldre reptes complexos, com en aquest cas l'exploració del planeta Mart. Els instruments avançats d'aquests ròvers incorporen l'última tecnologia d'enginyeria i ciències espacials, així com innovacions en robòtica i anàlisi química, posant en pràctica els coneixements científics i tecnològics.

Els ròvers Curiosity i Perseverance exemplifiquen els avenços tecnològics en robòtica i enginyeria espacial (ODS 9), contribuint a innovacions que també es poden aplicar a la Terra. La seva investigació climàtica de Mart ajuda a entendre els processos de canvi climàtic i a desenvolupar estratègies per mitigar-ne els efectes (ODS 13). A més, la recerca de vida microbiana antiga per part del Perseverance proporciona informació valuosa sobre com poden evolucionar ecosistemes en entorns extrems, contribuint al coneixement necessari per protegir els ecosistemes terrestres (ODS 15).

2. RECERCA DE LES RODES

Les rodes del Curiosity les vam trobar en la pàgina web Printables i les del Perseverance en la una pàgina de la NASA i les vam descarregar en format STL per tal de poder-les posar en l'aplicació OrcaSlicer per posteriorment buscar la mida proporcional i imprimir-les amb la impressora 3D.

Com les primeres rodes són les del model més antic no hi havia l'arxiu 3D en la pàgina de la NASA, tanmateix, sí que vam poder trobar la mida del diàmetre de les dues rodes i l'amplada de les del Curiosity. Més tard, vam aconseguir l'amplada del Perseverance.

Quan ja teníem les mesures reals de les rodes dels dos ròvers, vam haver d'utilitzar els factors de conversió per calcular la mida que haurien de tenir en el laminador. Vam començar amb l'amplada del Curiosity, a la qual li vam donar un valor de 38,68 mm i a partir d'aquesta vam fer el càlcul de totes les mesures, de manera que les mides de l'amplada i el diàmetre en el laminador fossin proporcionals a les mides reals de les rodes.

Font pròpia. (2024) Conversió rodes Curiosity. [Imatge]

Font pròpia. (2024) Conversió rodes Perseverance. [Imatge]

Finalment, un cop les rodes tenien les mesures adients, vam exportar-les en arxiu G-Code per tal de poder imprimir-les més tard en la impressora BAMBU LAP P1P.

Font pròpia. (2024) Rodes a mida proporcional del Curiosity i del Perseverance. [Imatge] OrcaSlicer. https://drive.google.com/file/d/1bwJOabB67LpilJcoYBveF8jEgFoHpsDS/view?usp=sharing 

3. ANÀLISI DEL DISSENY

Justificació: les rodes del Perseverance tenen més diàmetre i són menys amples que el Curiosity perquè el primer té un pes superior, exactament 1025 kg; en canvi, el Curiosity només en té 899 kg.

Justificació: al Perseverance s'han duplicat el nombre de fulles de la roda perquè llavors es redueix l'espai entre fulla i fulla i, per tant, també es redueix la quantitat de superfície d'alumini que queda exposada al terra de Mart, prevenint que aquesta es desgasti. A més, les fulles del Perseverance ja no formen un patró chevron, sinó que les fulles són lleugerament corbes, per tal de prevenir que la roda llisqui i que se subjecti correctament al terra de Mart.

Justificació: els radis del robot Curiosity estaven fets de titani i els van canviar al robot Perseverance per alumini, atès que aquest material té memòria de forma i això permet que els pneumàtics puguin circular pel terreny de Mart, que és molt rocós, de forma fàcil, lleugera, estable i disminuint el percentatge de danys.

Justificació: van decidir ficar més gruix a les rodes del Perseverance per tal que aquestes es desgastessin molt menys i que poguessin resistir millor les condicions del terreny de Mart.

Justificació: tant el Curiosity com el Perseverance es mouran a velocitats molt lentes per assegurar una navegació més precisa en terrenys accidentats, evitant obstacles i estalviant energia d'aquesta manera. Aquesta velocitat més reduïda allarga la vida útil de la missió, ja que en condicions com les de Mart, l'eficiència energètica dels robots és clau.

Justificació: aquí no hi ha hagut cap canvi significatiu, ja que hi ha el mateix nombre de rodes i a més, cadascuna té el seu propi motor i poden girar 360°.

Justificació: pel que fa al sistema de suspensió, tampoc ha presentat canvis. Es segueix emprant el sistema de rocker-bogie.

Justificació: tampoc s'han vist canvis significatius pel que fa a la inclinació.

4. POSSIBLES MILLORES

Després d'analitzar les rodes dels robots Curiosity i Perseverance, es podrien fer una sèrie de millores per tal de garantir una millor durabilitat d'aquestes i una major eficiència.

Pel que fa als materials, es podria substituir per altres més lleugers però més resistents al desgast i a les característiques que presenta el terreny. Alguns exemples són els aliatges de titani, materials compostos de fibra de carboni i kevlar, acer inoxidable d'alta resistència, entre d'altres. A més, reduir el pes del ròver sense comprometre la seva resistència i fortalesa podria millorar l'eficiència energètica de manera que la durada de la missió pogués ser superior. També es podrien afegir panells solar addicionals o sistemes de bateria més innovadors que permetessin emmagatzemar l'energia de manera més eficient.

D'altra banda, també seria una bona opció utilitzar materials amb memòria de forma, com per exemple el nitinol, que permet tornar a la seva forma inicial després d'una gran deformació. Alhora, també resisteix molt bé els impactes.

També s'ha vist que les rodes poden patir danys i fins ara, no s'ha establert un sistema d'autodiagnòstic i reparació, on el robot sigui capaç de desfer-se de la roda en mal estat i canviar-la per una altra de nova. Això seria molt útil en tota mena de missions espacials, però sobretot en les de llarga durada, atès que podria continuar realitzant les diverses tasques.

D'altra banda, seria interessant introduir un sistema de navegació dins el robot que sigui capaç d'identificar quines rutes són més segures i que tenen un terreny adequat per on passar. D'aquesta manera, s'identificarien amb antelació els riscos i es podrien evitar múltiples danys a les rodes del robot.

Waldek, S. (2024) Curiosity Mars rover's wheels are more battered than ever — but they still work. [Imatge]. Space.com. https://www.space.com 

5. APRENENTATGE DIALÒGIC

En els projectes d'impressió 3D els alumnes no només han de treballar l'elaboració del prototip, sinó que també han d'aprendre a comunicar les seves idees d'una forma crítica i escoltar els altres per millorar els seus dissenys. Durant el procés els estudiants poden explicar per què han escollit aquest disseny, com van començar, els materials utilitzats o els paràmetres d'impressió que han configurat, mentre que la resta d'alumnes donen la seva opinió o alguna possible millora sempre des del respecte, creant un diàleg a l'aula. Per guiar-lo podem fer preguntes com ara "Per què has triat aquesta estructura?", "Creus que aquest disseny serà prou resistent?", o "Com podries fer-lo més eficient en termes de material?"

En el context d'aquesta activitat, el treball en grup inclou comparar i analitzar els dissenys de les rodes dels robots Curiosity i Perseverance de la NASA, com també discutir les raons tècniques que expliquen les diferències entre ambdós dissenys. Una vegada s'han respost les preguntes més generals, és l'hora de respondre les preguntes clau com ara "L'ús de més tacs millora la tracció?" o "Quins materials resisteixen millor les terres de Mart?". Així, el diàleg construeix l'aprenentatge dels alumnes i aprendre les estratègies dels seus companys.

• A continuació s'esmenten diverses preguntes que afavoreixen el diàleg i l'argumentació crítica, que es poden utilitzar per guiar el debat:
• Quin impacte té el diàmetre de la roda en la capacitat del robot per moure's? En què canvia en un terreny accidentat?
• Com milloraries el disseny de la roda perquè pugui suportar millor les condicions del terreny?
• Si tinguessis la possibilitat de triar altres materials per millorar el disseny, quins triaries i per què?
• Com afectaria el moviment del robot si reduíssim o augmentéssim del diàmetre de la roda?
• A Mart, les condicions són diferents que a la Terra. Com creus que un terreny amb molta pols o roques afilades afecta el disseny de les rodes?
• Com influeix el disseny del robot en l'ús de cada roda en particular? Hi ha components de la roda del Curiosity que creus que haurien anat bé en el Perseverance i viceversa?
• En què creus que podríem fixar-nos per saber si el disseny d'una roda funciona bé en un entorn diferent de la Terra?
• Si pensessis en un altre tipus de terreny (com sorra fina o gel), quin tipus de roda seria més eficaç?
• Com aplicaríem una estructura o disseny de rodes similar en altres dispositius o vehicles, com drons o vehicles submarins?

6. ESCENARIS EDUCATIUS STEM

El principal objectiu d'aquestes activitats són les d'integrar coneixements de ciències, tecnologia, enginyeria i matemàtiques en una activitat pràctica que simuli un problema real. Al llarg d'aquesta sessió connectarem conceptes i habilitats de diverses disciplines per abordar els diferents problemes que s'han de resoldre. En aquest cas, integrarem els continguts de diferents àmbits, com ciències, tecnologia, enginyeria, arts i matemàtiques (STEM o STEAM), creant així, una experiència d'aprenentatge significativa.

En aquest projecte d'impressió 3D, treballarem en el disseny i la creació d'un prototip de roda per a robots exploradors com el Curiosity i el Perseverance de la NASA. En aquesta activitat no només aprendrem conceptes de cada matèria sinó que també, veurem com aquests coneixements es relacionen entre ells a l'hora de resoldre l'activitat. Per ficar una mica en context, en aquest projecte es treballarà física per entendre com la força i la tracció afecten el moviment, fer ús de la tecnologia i enginyeria per dissenyar i construir el nostre prototip… entre altres disciplines. Amb aquest projecte, promourem el pensament lògic i crític, ja que els estudiants han de prendre decisions basades en l'anàlisi de dades i evidències per assegurar la consistència i la fiabilitat del seu disseny.

A més, els alumnes hauran de reflexionar sobre les possibles diferències que trobaran en els dissenys de les rodes entre el Curiosity i el Perseverance. Per exemple, com està explicat anteriorment, es podrà dur a terme una sèrie de preguntes amb les quals poder analitzar diferents aspectes dels nostres prototips com: l'ús de tacs addicionals en les rodes del Perseverance millora la tracció o com el canvi en el gruix i materials de les rodes aporta més durabilitat en terrenys rocosos. Amb aquest procés d'anàlisi comparant uns prototips o uns altres promourem l'ús d'habilitats de pensament crític, cosa que permetrà als estudiants justificar les seves idees amb criteris tècnics i discutir possibles millores.

Aquesta activitat d'impressió 3D la podem relacionar de forma directa amb l'ODS 4, que té com a finalitat promoure una educació inclusiva i de qualitat, ja que ofereix als estudiants una experiència pràctica i aplicable en STEM, on es fa ús d'una gran varietat de competències i prepara per a reptes reals. En treballar en el disseny i construcció de prototips, els estudiants desenvolupen habilitats pràctiques i transversals, com el pensament crític, la resolució de problemes i el treball en equip, habilitats les quals necessitaran un cop es trobin en el món professional. També cal comentar que l'activitat és inclusiva, ja que permet la participació de tots els alumnes, independentment del seu nivell de coneixements, i fomenta la col·laboració i l'equitat dins de l'aula, en tot cas, aquesta activitat també podria rebre una adaptació per ajustar el nivell/dificultat si és que fos necessari.

7. REFERÈNCIES 

Bruce Murray Space Image Library (7 novembre de 2024). Diagram of a Curiosity wheel. The planetary society. https://www.planetary.org 

Curiosity rover wheel for LEGO. (19 setembre de 2022). Printables. https://www.printables.com/model 

Hong, P. (15 abril de 2021). Wheels of Mars 2020 Perseverance Rover. Mars Rovers Studio. https://buymarsrovers.com 

In Collaboration with NASA. (3 agost de 2021). Perseverance Rover - Wheels and Legs. Labxchange. https://www.labxchange.org 

M2020 Wheel. (15 maig de 2020). 3D Resources. https://nasa.gov 

Marín, D. (5 abril de 2020). Las ruedas marcianas de Perseverance. Eureka. https://danielmarin.naukas.com. 

SMD Content Editors (7 novembre de 2024). Mars 2020: Perseverance Rover. Rover Components. NASA. https://science.nasa.gov 

Waldek, S. (3 octubre de 2024). Curiosity Mars rover's wheels are more battered than ever — but they still work. SPACE.COM. https://www.space.com