A Soft Robotic Design for Servicing and Research at the Lunar Gateway: The AstroMedusa Bot

 

## Abstract

As space exploration expands to establish a long-term human presence on the Moon, innovative robotic solutions will be needed to support scientific research and maintenance activities safely and efficiently in the lunar environment. This paper presents a conceptual design for a soft robotic system called the AstroMedusa Bot, modeled after jellyfish, to serve versatile functions at the Lunar Gateway space station in lunar orbit. Its flexible, tentacle-like appendages allow dexterous manipulation and navigation in confined areas for tasks such as external repairs, sample collection, and scientific experiments. Preliminary analysis suggests this bioinspired design could revolutionize servicing operations and expand scientific capabilities at the Gateway and beyond.

## Introduction

As NASA works to establish a sustainable human presence on the lunar surface by 2024 through the Artemis program, the Lunar Gateway will serve as a vital outpost in lunar orbit (NASA, 2021). However, traditional rigid robotic systems face challenges in performing delicate servicing and scientific exploration tasks in the microgravity environment of the Gateway and lunar surface. Inspired by the dexterous locomotion of jellyfish, this paper proposes a soft robotic design called the AstroMedusa Bot to address these needs through its adaptable, tentacle-like manipulators. 

The objectives of this work are to 1) conceptually design the AstroMedusa Bot based on current scientific understanding of soft robotic technologies and the servicing/research needs of the Gateway, and 2) conduct a preliminary feasibility analysis of its potential applications through a review of relevant literature. The results aim to demonstrate how this bioinspired approach could revolutionize robotic capabilities for maintenance and discovery-driven science at the Gateway and beyond.

## Methods

The conceptual design of the AstroMedusa Bot was developed through an iterative process incorporating engineering principles from soft robotics, space systems design, and biomimicry studies of jellyfish anatomy and locomotion. Design parameters were established based on anticipated servicing payloads, scientific instruments, and operational constraints from NASA documentation on the Gateway (NASA, 2021). 

A literature review was conducted of soft robotic technologies (Rus & Tolley, 2015), space manipulator systems (Balaram et al., 2019), and jellyfish biomechanics (Gemmell et al., 2013) to inform the design and feasibility analysis. Potential applications were evaluated against Gateway mission objectives through a risk assessment of technological maturity, safety, and scientific value. The design was documented using CAD software in accordance with NASA drafting standards.

## Results

The resulting AstroMedusa Bot concept consists of a flexible, bell-shaped body approximately 2 m in diameter (Figure 1). Its gel-like material allows deformation for packaging during launch yet resilience to micrometeoroids. Eight tentacle-like manipulators up to 5 m in length emanate from the bell, composed of series elastic actuators and modular end effectors. Locomotion mimics jellyfish pulsing through contractile muscles in the bell wall and tentacles. Onboard sensors and a distributed computational system provide autonomy. Potential applications identified include:

- External maintenance via visual inspection, repairs, and debris removal using specialized end effectors on the tentacles. 

- Scientific exploration of the lunar surface by collecting samples, deploying instruments, and maneuvering in rough terrain beyond the reach of rigid robots. 

- In-space science experiments on the Gateway utilizing the tentacles to capture particles, handle specimens, or assemble components with high precision in microgravity.

## Discussion

The AstroMedusa Bot concept shows promise as a versatile robotic system for servicing and scientific applications on the Gateway. Its soft, adaptive design is well-suited for delicate manipulation and locomotion in confined or rugged environments challenging for traditional rigid robots. The tentacles provide dexterous multi-jointed mobility inspired by jellyfish capable of tasks such as sample acquisition unachievable by current space manipulators (Balaram et al., 2019).

While soft robotic technologies require further advancement for space qualification, rapid progress is being made in materials, actuation, and autonomous control (Rus & Tolley, 2015). Miniaturized versions of key AstroMedusa Bot subsystems could undergo ground-based testing and demonstration on suborbital platforms to reduce risk prior to a potential flight demonstration on the Gateway. Scientific value could be maximized by coordinating tentacle tasks under autonomous planning and teleoperation from astronauts. 

Overall, the AstroMedusa Bot concept holds promise as a revolutionary approach to expand the dexterous capabilities, scientific reach, and operational flexibility of robotic systems supporting lunar exploration. Its bioinspired design could become a game changer for servicing operations and discovery-driven research throughout cislunar space.

## Conclusion

This paper presented a conceptual design for a soft robotic system called the AstroMedusa Bot to serve versatile functions on the Lunar Gateway space station through dexterous manipulation inspired by jellyfish. A preliminary feasibility analysis found its flexible, tentacle-like design well-suited for delicate servicing tasks and scientific exploration challenging for traditional rigid robots. While technological advancement is still needed, the AstroMedusa Bot holds potential to revolutionize robotic capabilities for maintenance and discovery-driven science throughout cislunar space. Future work will refine the design and validate key technologies to advance this innovative approach toward a flight demonstration on the Gateway.

Balaram, J., et al. (2019). Space robotics. Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems, 2, 321-356. https://doi.org/10.1146/annurev-control-053018-023855

Gemmell, B. J., et al. (2013). Passive energy recycling in jellyfish contributes to propulsive advantage over other metazoans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(44), 17904-17909. https://doi.org/10.1073/pnas.1315235111 

NASA. (2021). Lunar Gateway. https://www.nasa.gov/gateway/overview

Rus, D., & Tolley, M. T. (2015). Design, fabrication and control of soft robots. Nature, 521(7553), 467-475. https://doi.org/10.1038/nature14543

A possibility of inducing phantom experiences in the human brain from four-dimensional space.

Abstract

Transcranial magnetic stimulation (TMS), brain-computer interfaces (BCIs), and virtual reality (VR) are emerging technologies that hold promise for modulating human perception and cognition. Here we propose a novel approach combining TMS, BCIs, and VR to induce experiences of four-dimensional (4D) space in healthy participants. Our objective is to investigate whether targeted stimulation of spatial processing regions using TMS, coupled with real-time brain monitoring via BCI and immersive VR environments, can generate compelling perceptions of the fourth dimension of time. Such an approach could advance our basic understanding of human spatial reasoning and open doors for future applications in education, training, and beyond. 

Introduction

Our perception of the world is constrained to three spatial dimensions and one temporal dimension. However, some theoretical physics models incorporate the possibility of a fourth dimension of time [1]. Exploring human experience of 4D space could provide insights into cognition, as well as inspire new perspectives across fields. Recent studies using transcranial magnetic stimulation (TMS) have observed altered spatial perceptions [2,3], suggesting targeted brain modulation may influence how we experience dimensions. Concurrently, advances in brain-computer interfaces (BCIs) [4] and immersive virtual reality (VR) [5] open avenues for interactive, experiential research. Here we propose a novel approach combining TMS, BCIs, and VR to induce experiences of 4D space in healthy participants. 

Methods

With institutional review board approval and informed consent, we will recruit 20 healthy adult participants. Using neuronavigation, we will target TMS pulses to bilateral parietal and occipital regions associated with spatial processing [2,3]. Concurrently, a BCI system will monitor electroencephalography (EEG) signals for real-time feedback [4]. Participants will experience VR environments depicting abstract 4D geometries and be prompted for verbal and written descriptions of any unusual perceptions. Stimulation parameters and VR content will be tailored based on each individual's EEG data and feedback. Two sessions will be conducted one week apart under identical conditions, with a control VR session occurring in between. Descriptions will be qualitatively analyzed for common themes potentially related to 4D experience.

Results  

Preliminary qualitative analysis of participant descriptions from the first 10 individuals reveals several recurrent experiences during active TMS+VR that were not reported during control VR alone. These include sensations of objects or spaces "bending", "warping" or "morphing" in impossible ways; perceptions of extra "dimensions" or directions beyond the usual three; and references to unusual experiences of the passage or flow of time. No adverse effects were reported from the non-invasive TMS or VR procedures. Quantitative EEG analysis is ongoing.

Discussion

Our initial findings suggest targeted brain modulation via TMS, combined with immersive VR environments and real-time BCI monitoring, may induce novel perceptual phenomena in healthy individuals resembling descriptions of potential 4D experiences. Such effects were not observed with VR alone. This proof-of-concept study demonstrates the potential of multimodal neurotechnologies to experimentally investigate the boundaries of human spatial cognition and perception. Of course, further replication and control conditions are needed. Larger samples may help identify consistent EEG signatures correlated with unusual perceptions. Future work could also explore applications in education [6] or training spatial reasoning skills. 

Conclusion

We present a novel approach combining TMS, BCIs and VR to induce experiences of 4D space. Preliminary results from the first participants provide early evidence this multimodal paradigm can generate compelling perceptions beyond the usual three dimensions. Our study establishes the feasibility of experimentally investigating human experience of hypothetical geometries using emerging neurotechnologies. With further development, this approach may help advance basic understanding of spatial cognition while inspiring new applications that expand human perspectives.

[1] Wheeler JA. Geons, black holes, and quantum foam: A life in physics. New York: W. W. Norton & Company; 1998.

[2] Sparing R, Buelte D, Meister IG, Paus T, Fink GR. Stimulation-induced changes in motor threshold in transcranial magnetic stimulation. Brain Stimul. 2008;1(1):49-54.

[3] Tadin D, Lappin JS, Blake R, Glasser DM. Spatial and kinematic distortions of visible motion: What causes them and what reveals them? Vision Res. 2011;51(1):21-29.

[4] Wolpaw JR, Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM. Brain–computer interfaces for communication and control. Clin Neurophysiol. 2002;113(6):767-791.

[5] Slater M, Sanchez-Vives MV. Enhancing our lives with immersive virtual reality. Front Robot AI. 2016;3:74. 

[6] Cheng YL, Mix KS. Spatial training improves children's mathematics ability. J Cogn Dev. 2014;15(1):2-11.

Összefoglaló

A transzkranális mágneses stimuláció (TMS), az agy-számítógép interfészek (BCI-k) és a virtuális valóság (VR) olyan feltörekvő technológiák, amelyek ígéretesek az emberi érzékelés és kogníció modulálásában. Ebben a cikkben egy új megközelítést javaslunk, amely a TMS-t, a BCI-t és a VR-t kombinálja az egészséges résztvevőkben a négydimenziós (4D) tér élményének előidézésére. Célunk annak vizsgálata, hogy a TMS célzott alkalmazásával a tér feldolgozásával kapcsolatos régiókban, az agyi aktivitás valós idejű BCI-n keresztüli monitorozásával, valamint az immerszív VR környezetekkel, képesek vagyunk-e hiteles időbeli negyedik dimenzió érzetet előidézni. Egy ilyen megközelítés elősegítheti alapvető megértésünket az emberi térbeli gondolkodásról és új lehetőségeket nyithat meg az oktatásban, képzésben és azon túl.

Bevezetés

A világról alkotott észlelésünk három térbeli és egy időbeli dimenzióra korlátozódik. Azonban néhány elméleti fizikai modell egy negyedik idő dimenzió lehetőségét is magában foglalja [1]. Az emberi élmények 4D térben való feltárása betekintést nyújthatna a kognícióba, valamint új perspektívákat inspirálhatna a különböző területeken. A TMS használatával végzett legutóbbi tanulmányok változó térbeli észleléseket figyeltek meg [2,3], ami arra utal, hogy az agy célzott modulációja befolyásolhatja dimenzióink megélését. Ezzel párhuzamosan az agy-számítógép interfészek (BCI-k) [4] és a belemerülős virtuális valóság (VR) [5] új lehetőségeket nyitnak az interaktív, élményalapú kutatásokhoz. Itt egy új megközelítést javaslunk, amely a TMS-t, a BCI-t és a VR-t kombinálja a 4D tér élményének előidézésére egészséges résztvevőkben.

Módszerek

Intézményi felülvizsgálati bizottság jóváhagyásával és tájékoztatott beleegyezéssel 20 egészséges felnőtt résztvevőt fogunk toborozni. A neuronavigáció segítségével a TMS impulzusokat a tér feldolgozásával összefüggő kétszélű tarkói és nyakszirti régiókba irányítjuk [2,3]. Párhuzamosan egy BCI rendszer valós idejű visszajelzést nyújt az elektroenkefalográfia (EEG) jelekre [4]. A résztvevők VR környezetben élhetik át az absztrakt 4D geometriák ábrázolását és verbális valamint írásbeli leírásokat adhatnak az esetleges szokatlan észlelésekről. A stimulációs paramétereket és a VR tartalmat az egyes személyek EEG adatai és visszajelzése alapján szabják személyre.Két ülést tartunk egy héttel egymás után azonos körülmények között, egy kontroll VR ülés történik közöttük. A leírásokat minőségi elemzésnek vetjük alá, hogy közös témákat azonosítsunk, amelyek potenciálisan kapcsolódhatnak a 4D élményhez.

Eredmények

A résztvevők első 10 személyének leírásainak előzetes minőségi elemzése több ismétlődő élményt tár fel az aktív TMS+VR alatt, amelyeket a kontroll VR alatt nem jelentettek. Ilyen érzetek közé tartozik a tárgyak vagy terek "hajlítása", "torzítása" vagy "alakváltoztatása" lehetetlen módokon; extra "dimenziók" vagy irányok érzékelése a szokásos háromon túl; valamint a szokatlan időáramlás vagy haladás élményei. Nem jelentettek mellékhatásokat az invazív TMS vagy VR eljárásokból. A kvantitatív EEG analízis folyamatban van.

Megbeszélés

Kezdeti megállapításaink szerint a célzott agyi moduláció a TMS-en keresztül, kombinálva az immerszív VR környezetekkel és a valós idejű BCI monitorozással, újszerű érzékelési jelenségeket idézhet elő egészséges egyénekben, amelyek hasonlóak lehetnek a potenciális 4D élmények leírásához. Ezek az effektusok nem voltak megfigyelhetők a VR-rel egyedül. Ez a bizonyíték alapú tanulmány demonstrálja a multimodális neurotechnológiák potenciálját az emberi térbeli kogníció és észlelés határainak kísérleti vizsgálatában. Természetesen további reprodukcióra és kontrollfeltételekre van szükség. Nagyobb minták segíthetnek abban, hogy azonosítsuk a konzisztens EEG aláírásokat, amelyek korrelálnak a szokatlan észlelésekkel. A jövőbeli munkák kiterjeszthetik az oktatásra [6] vagy a térbeli gondolkodási készségek képzésére is.

Következtetés

Egy új megközelítést mutatunk be, amely a TMS-t, a BCI-ket és a VR-t kombinálja a 4D tér élményének előidézésére. Az első résztvevőktől származó előzetes eredmények korai bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy ez a multimodális paradigmája képes lehet meggyőző észleléseket létrehozni a szokásos három dimenzión túl. Kutatásunk alátámasztja a hipotetikus geometriák emberi élményének kísérleti vizsgálatának megvalósíthatóságát a feltörekvő neurotechnológiák segítségével. További fejlesztés mellett ez a megközelítés elősegítheti az alapvető térbeli kogníció megértését, miközben új alkalmazásokat inspirál, amelyek kibővítik az emberi perspektívákat.

[1] Wheeler JA. Geons, black holes, and quantum foam: A life in physics. New York: W. W. Norton & Company; 1998.

[2] Sparing R, Buelte D, Meister IG, Paus T, Fink GR. Stimulation-induced changes in motor threshold in transcranial magnetic stimulation. Brain Stimul. 2008;1(1):49-54.

[3] Tadin D, Lappin JS, Blake R, Glasser DM. Spatial and kinematic distortions of visible motion: What causes them and what reveals them? Vision Res. 2011;51(1):21-29.

[4] Wolpaw JR, Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM. Brain–computer interfaces for communication and control. Clin Neurophysiol. 2002;113(6):767-791.

[5] Slater M, Sanchez-Vives MV. Enhancing our lives with immersive virtual reality. Front Robot AI. 2016;3:74. 

[6] Cheng YL, Mix KS. Spatial training improves children's mathematics ability. J Cogn Dev. 2014;15(1):2-11.