Kochanie, skurczyli łazik

Jeśli sędziowie Nobla przyznali nagrodę za nadmierne osiągnięcia, dobrym kandydatem może być sześciokołowy robot wielkości pudełka na chleb o imieniu Sojourner. W miarę jak roboty chodzą, łazik, który w zeszłym roku badał Marsa, był skromnym urządzeniem; pokonywał zaledwie dwie stopy na minutę i wykonywał tylko dwie proste operacje naukowe, fotografując skały i odczytując ich sygnatury chemiczne. A maszyna kosztowała zaledwie 25 milionów dolarów, a misja Pathfinder, która zabrała ją na Marsa, była okazją na 266 milionów, co stanowi jedną czwartą kosztu pojedynczego lotu wahadłowca kosmicznego. Ale Sojourner był Energizer Bunny wśród robotów, łazikiem, który po prostu wędrował dalej. Urzędnicy ostrożnie przewidywali, że na Marsie może działać przez miesiąc; odesłał dane za trzy.

Zawładnął także publiczną wyobraźnią, jak żadne przedsięwzięcie kosmiczne, odkąd Neil Armstrong i Buzz Aldrin założyli na Księżycu flagę Stanów Zjednoczonych. W pierwszych intensywnych tygodniach misji wiele witryn Pathfinder World Wide Web NASA odnotowało około 45 milionów trafień dziennie. Time i Newsweek przyznały, że lądowanie Pathfindera 4 lipca i późniejsze opuszczenie statku przez Sojournera były równoczesne, a także rodzaje spreadów zwykle zarezerwowane dla rozpoczęcia wojen lub śmierci księżniczek. Mattel natychmiast wyprzedał pierwszą serię swojej zabawki Sojourner Mighty Wheels. Na przyjęciu w środku lata wiceprezydent Al Gore żartował, że został zastąpiony przez Sojournera jako ulubiony robot na świecie. Czy ludzkość kiedykolwiek utożsamiała się tak blisko z?
maszyna?

W ten sposób łazik i jego wierny lądownik uratowały NASA przed piętnem dwóch dekad kosztownych marud, śmiertelnych katastrof i bezsensownych oczekiwań. Zasadnicza strategia zreformowanej NASA-nix, czyli kosztowne, niebezpieczne ekspedycje załogowe i pozwolenie robotom i innym narzędziom do zdalnej eksploracji, zakończyła się niepowodzeniem.

To był dopiero początek. NASA przygotowuje teraz kolejne generacje badaczy planet, które sprawią, że Sojourner będzie wyglądał zdecydowanie nudno: łaziki, które przemierzą wiele mil przestrzeni Marsa, zbierając odległe próbki do transportu z powrotem na Ziemię; penetratory do sondowania żywych światów, które mogą leżeć pod pozaziemskimi skałami i skorupami lodowymi; i aeroboty do badania innych planet i ich księżyców, od Wenus do księżyca Jowisza, Tytana, a może nawet Urana i Neptuna, z powietrza.

Choć urządzenia te mogą wydawać się egzotyczne i szalenie zróżnicowane, wszystkie wywodzą się z tej samej krytycznej zmiany w podejściu NASA do bezzałogowej eksploracji planet prawie dziewięć lat temu – szybciej, taniej, lepiej. Ta zmiana została zainicjowana nie przez oficjalną politykę NASA, ale wbrew jej, przez małą grupę heretyków budujących roboty, którzy widzieli lepszy sposób na podróż na Marsa niż widzieli ich szefowie i którzy potajemnie pracowali, aby ten pomysł stał się możliwy. Docenienie korzeni tej buntu robotów pomaga zrozumieć, dlaczego eksploracja planet obiera teraz taki kierunek.

Na początku

Filozofia leżąca u podstaw szybciej, taniej, lepiej znaczy mniej znaczy więcej. W lotach kosmicznych masa to mnóstwo pieniędzy, a złożoność oznacza ryzyko. Aby, powiedzmy, łaziki były przystępne cenowo i niezawodne, stwórz je tak lekkie i proste, jak to możliwe – 25 funtów w przypadku Sojournera, z słabą, ale wytrzymałą 8-bitową jednostką przetwarzającą mózg z lat 70. XX wieku. Ta strategia wydaje się tak oczywista, jak teraz, pod koniec lat 80. Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA (JPL) koncentrowało się na zbudowaniu czegoś zupełnie innego: naprawdę ogromnej maszyny pod względem rozmiarów, zasięgu oraz zdolności obliczeniowych i operacyjnych – oraz kosztów. Ten pojazd Mars Rover Sampler Return (MRSR) miałby długość do 8 stóp i ważyłby pół tony. Miałby pływać przez półtora roku na marsjańskim mrozie, pokonując 700 mil jego zróżnicowanych, nierównych terenów, zbierając próbki i przecierając ścieżki dla ludzkich misji. Kosztowałoby to nawet 10 miliardów dolarów.

Wtedy uderzyła rzeczywistość fiskalna, wspomina David Lavery, kierownik programu badawczego NASA dotyczącego telerobotyki. Zdaliśmy sobie sprawę, że to się po prostu nie wydarzy.

Na szczęście, bez wiedzy kierownictwa NASA, w zapleczu laboratoriów JPL czekała alternatywa — zaniedbany eksperyment dotyczący automatyzacji i uproszczenia robotów. Nawet gdy JPL jako instytucja gonił marzenie MRSR do ślepego zaułka, mała grupa nowicjuszy i inna grupa renegatów sztucznej inteligencji, obaj w JPL, po cichu szukała własnych rozwiązań.

Wysiłki rozpoczęły się w 1988 roku, kiedy Howard Eisen, obecnie główny inżynier ds. mobilności w łazikach JPL, porzucił studia na MIT, aby pracować w laboratorium. Przywiózł ze sobą szczególnie trafny projekt pracy magisterskiej: zbudowanie modelu w skali ósmej potężnego MRSR. Odkrył, że model, prowadzony za pomocą linki elektrycznej, działał znacznie lepiej niż oczekiwano. Rzeczywiście, jego pięciocalowe koła mogły wspinać się po obiektach o wysokości do ośmiu cali. Więc może jumbo MRSR był niepotrzebny, pomyślał; czy znacznie mniejsza platforma mogłaby pokonać skalistą powierzchnię Marsa?

Eisen i jego koledzy z JPL postanowili samodzielnie zbudować taką platformę w garażu inżyniera (i byłego hot-roddera) Dona Bicklera. Po kilku próbach Bickler wynalazł sześciokołowe podwozie, które mogło utrzymać równą wagę i przyczepność na wszystkich kołach. Inżynierowie nazwali go rocker/bogey po dwóch kluczowych elementach mechanicznych i z całym szacunkiem nazwali kolejne prototypy łazików Rocky. Wszyscy żartowali, czy będziemy mieli tyle sequeli, co filmy Rocky'ego, wspomina Eisen. (Oni by.)

W połowie budowy pierwszego Rocky'ego renegaci łazików uzyskali przestrzeń laboratoryjną w JPL i zyskali nowych współpracowników: zespół projektantów sztucznej inteligencji (AI). Zainspirowany podejściem opartym na architekturze subsumpcji, pioniera AI w MIT, Rodneya Brooksa, projektującego roboty do działania z wykorzystaniem hierarchii prostych reakcji na bodźce, David Miller, który niedawno przybył do sekcji AI JPL, zatrudnił na lato studenta Brooksa, Colina Angle’a. W MIT Angle stworzył pionierskiego robota Czyngis, który pomimo niskiego potencjału umysłowego mógł samodzielnie wykonywać dość złożoną funkcję – zbierać wszystkie filiżanki kawy w biurze. (Ta maszyna znajduje się teraz w Narodowym Muzeum Lotnictwa i Kosmosu). W JPL Angle zbudował podobnego robota o nazwie Tooth, używając podwozia modelu samochodu, za mniej niż 500 USD na części i 5000 USD na robociznę. Moim jedynym ograniczeniem, wspomina Angle, było to, że nie mogłem wydać więcej niż 50 dolarów na każdą część, więc wszystko mogło pochodzić z drobnej gotówki.

Miller i jego koledzy z drużyny dostrzegli potencjał mechanicznego Rocky'ego, który rozwinęła grupa Bicklera. Poślubiając elektroniczny mózg Tootha z ciałem Rocky'ego 3, stworzyli pierwszy autonomiczny łazik, który mógł działać na zewnątrz, na prawdziwej ziemi.

Menedżerowie JPL byli pod wrażeniem, ale nadal byli oddani swojemu wielkiemu MRSR. Wtedy członkowie Kongresu zawyli na jego koszt i ten projekt był martwy. NASA w międzyczasie znalazła fundusze na jeden mały lądownik Pathfinder i szukała czegoś do jego przenoszenia. Powiedziałem: Tak się składa, że ​​mamy tego jednego łazika – wspomina Miller. W końcu renegaci mieli rzeczywistą misję do wykonania.

Ale nie na długo. Jak to często bywa, gdy innowacje trafiają do głównego nurtu, innowatorzy zostali pozostawieni na lodzie. Miller i jego koledzy z drużyny stracili kontrolę nad projektem Rocky, a wszyscy oprócz jednego przeszli z JPL do sektora prywatnego. Wzrosły budżety łazików, podobnie jak harmonogramy. Grupa Millera potrzebowała zaledwie półtora roku, aby przejść od Tooth do czwartej generacji Rocky, ale JPL zajęło potem jeszcze pięć lat, aby przejść do Sojourner, szóstego w linii Rocky.

Brian Wilcox z JPL, który po Millerze przejął ster projektu mikrołazika, twierdzi, że była to naturalna odpowiedź na wyzwania związane z zapewnieniem niezawodności technologii, która będzie działać w surowym marsjańskim środowisku. Rzeczywiście, jak się wydawało telewidzom, Pathfinder był raczej konserwatywną misją; JPL sięgnął do sprawdzonej technologii poleceń, zamiast próbować w pełni autonomicznego działania. Lepiej bezpieczne niż ryzykowne, gdy cały świat patrzy.

Dzieci Rocky'ego

Ale teraz, gdy Sojourner utorował drogę, inni badacze planet mogą zdać sobie sprawę z potencjału, o którym tylko sugerowała. Rocky 7 - wyposażony w ramię robota i maszt kamery, a także podwozie w stylu Sojourner - przechodzi przez suche jezioro Lavic na pustyni Mojave. Dno jeziora jest szczególnie trafnym odpowiednikiem Marsa, dzięki lotnikom z pobliskiej bazy morskiej Twentynine Palms; ich praktyka bombardowania sprawiła, że ​​​​jest podziurawiony kraterami, w przybliżeniu tysiącami, które asteroidy rozcięły na powierzchni Marsa.

Wędrówki długodystansowe, które Rocky 7 ćwiczy w trybie autonomicznym i z ulepszonymi systemami sensorycznymi i nawigacyjnymi, będą miały kluczowe znaczenie dla przyszłych łazików marsjańskich. Sojourner przeczołgał się zaledwie kilkadziesiąt metrów pod czujnym, elektronicznym okiem sprawdzającym pozycję swojego statku-matki Pathfinder. Ale Rocky 8, łazik, który pojawił się na misji na Marsa w 2001 roku i jego następca w 2003 roku, będzie musiał przebyć wiele mil, prawdopodobnie na bardziej nierównym, starszym terenie górskim, gdzie z większym prawdopodobieństwem można znaleźć ślady dawnego życia. NASA chce, aby te łaziki przechowywały w pamięci podręczne interesujące próbki, które jeszcze trzecia maszyna – bardziej krzepki, bardziej wyspecjalizowany łazik do wyszukiwania – ma zostać odebrana w 2005 r. za pomocą elektronicznych beaconów pozostawionych w pamięci podręcznej. Być może ten łazik będzie musiał przewieźć próbki jeszcze więcej mil do lądownika, aby powrócić na Ziemię i dokładniejsze zbadanie, które może ostatecznie rozstrzygnąć kwestię życia na Marsie.

Pokonywanie większej ilości terenu to tylko jedno z wielu wyzwań, jakie czekają producentów łazików. Inne obracają się wokół bardziej ograniczonych budżetów. Steve Saunders, główny naukowiec JPL zajmujący się misją Mars 2001, zauważa, że ​​przyszłe pojazdy będą musiały polegać na mniejszym zaangażowaniu ludzi. Podczas gdy misja Pathfinder zajmowała do 10 osób kilka miesięcy po wylądowaniu takimi sprawami, jak kontrola i rozwiązywanie problemów, budżet Marsa 2001 pozwala na zespół operacyjny składający się z około 4 osób. Kolejne łaziki też muszą kosztować mniej, jeździć na mniejszych rakietach, robić więcej nauka (NASA wciąż podaje dokładnie co) i działa 3 razy dłużej niż Sojourner. Poza czynnikami finansowymi, muszą przetrwać jeszcze szerszy zakres temperatur niż Sojourner (eksperci uważają, że marsjański chłód ostatecznie uciszył misję Pathfinder).

Duża nadzieja na sprostanie tym wyzwaniom wiąże się z nowymi kompozytami grafitowymi, które tworzy dział systemów mechanicznych JPL. Stosowanie spójnych kompozytów w całym łaziku może zmniejszyć destrukcyjne chłodzenie różnicowe i kurczenie się, które teraz występuje, gdy używane są różne metale, co czyni maszynę mniej podatną na zmiany temperatury. A kompozyty mogą zmniejszyć wagę końcowego ładunku, zmniejszając koszty. Już teraz prototyp Lekkiego Łazika Survivable na misję z 2005 roku waży tylko 15 funtów, dwie trzecie tego, co Sojourner, a jednocześnie rozciąga się ponad półtora raza dłużej i jest szeroki, a także prawie dwa razy wyższy, o stopę. z ziemi.

Co więcej, koła tego prototypu zapadają się do jednej trzeciej swojej zwiększonej objętości, dzięki czemu można je spakować do mniejszej kapsuły lotniczej, mówi Paul Schenker, lider badań i rozwoju działu. Rozszerzamy ten pomysł na całą ramę łazika, dodaje, przysięgając, że łazik do pobierania próbek będzie naprawdę składany, a przez to jeszcze tańszy do wysłania.

Największy postęp zespołu Schenkera dokonał się w budowie ramion z lekkich kompozytów. Jedno ramię, w całości złożone z silnika, waży tylko około ośmiu funtów, ale może wydłużyć się do około sześciu stóp, wykopać rów, podnieść i umieścić próbki oraz zawiesić mikrokamerę. Inny, ważący dwa funty, może podnieść kilkukrotnie swój ciężar, częściowo dzięki silnikom ultradźwiękowym (tak zwanym, ponieważ wirują z niesłyszalnymi częstotliwościami). Takie silniki maksymalizują moment obrotowy, a więc przyczepność i dźwignię przy bardzo niskich prędkościach, co jest właśnie tym, czego potrzebujesz w zastosowaniach pozaziemskich, gdzie wysokie prędkości zwiększają ryzyko wypadków i wymagają większego przetwarzania informacji. Co więcej, silniki ultradźwiękowe o niskiej prędkości nie wymagają przekładni, tak jak robią to konwencjonalne silniki, aby zmniejszyć obroty do użytecznych prędkości. Wyeliminowanie skrzyni biegów eliminuje większą wagę; znowu mniej znaczy więcej.

Zanim ultralekkie łaziki z zasięgiem pensjonatu będą gotowe do lotu, jeszcze bardziej dramatyczny esej na temat miniaturyzacji łazików może się sprawdzić podczas pierwszego w historii lądowania na asteroidzie. Ponownie, konieczność w postaci ograniczeń ładowności jest matką projektu. We wrześniu 2003 roku japońska misja kosmiczna znana jako Muses-C ma wylądować na przecinającej Ziemię asteroidzie Nereus o szerokości pół mili. Plan polega na wylądowaniu w trzech miejscach (podniesienie się i ponowne lądowanie wymaga niewielkiej mocy w warunkach niskiej grawitacji asteroidy), zebranie próbek i wysłanie ich na Ziemię do stycznia 2006 roku za pomocą spadochronów zrzuconych z lotów kosmicznych. Ale najpierw Muses-C powinien wysadzić amerykańskiego pasażera – łazik.

Kiedy Japoński Instytut Nauk Kosmicznych i Astronomicznych (ISAS) zwrócił się do NASA z prośbą o pomoc techniczną dotyczącą Muses-C, zaoferował NASA szansę na wypełnienie niewykorzystanej przestrzeni ładunkowej lądownika. Amerykanie myśleli o wysłaniu kompletu instrumentów naukowych, ale zdecydowali, że gdyby były one dołączone do lądownika, byłyby jedynie powieleniem japońskich wysiłków. Lepiej wysłać łazik, by zbadał inne części Nereusa.

Tylko jeden zaczep: Muses-C ma tylko dwa funty dodatkowej pojemności ładunkowej, z czego połowa potrzebna jest na komputer i sprzęt komunikacyjny, aby umożliwić NASA bezpośrednią komunikację z łazikiem. Ergo kolejny krok w miniaturyzacji: jednofuntowy nanoover. (Jest to pojęcie sztuki, ponieważ nanotechnologia zwykle odnosi się do pracy na poziomie molekularnym. Ale jak inaczej nazwać maszynę o wielkości jednej dwudziestej mikrołazika?) Instrumenty naukowe nanoovera będą bardziej wyrafinowane niż stosunkowo gigantycznego Sojournera. : spektrometr na podczerwień do odczytywania sygnatur chemicznych za pomocą promieni podczerwonych, kamera obrazująca z ośmiopozycyjnymi kołami filtracyjnymi do odczytu różnych widm światła i być może spektrometr rentgenowski. Ale maszyna będzie miała znacznie prostsze podwozie. Obecny prototyp ma tylko dwa koła, na których będzie się ślizgał, a nawet przewracał (a potem sam skręcał). Na asteroidzie, w której uderzenia są znikomo lekkie, takie pieszczoty nie będą katastrofą, jak na pełnowymiarowej planecie. Przy niskiej grawitacji, gdzie zatrzymanie jest trudne, takie ruchy i tak są nieuniknione.

Asteroida stwarza jeszcze bardziej przerażające wyzwania związane z temperaturą niż Mars. Brian Wilcox, kierownik grupy ds. robotyki w JPL, zauważa, że ​​Sojourner działał tylko wtedy, gdy był ciepły – po tym, jak jego żelowa izolacja codziennie wyłapywała wystarczającą ilość ciepła. Ale izolacja jest bezcelowa w przypadku czegoś tak małego jak nanoover, z jego proporcjonalnie dużą powierzchnią. A badacze asteroid muszą przygotować się na wahania temperatury o 250 stopni Celsjusza od dnia do nocy. Podzespoły elektryczne są zwykle oceniane tylko do zakresu temperatury samochodu – około 120 stopni. Znalezienie komponentów, które wytrzymają minus 125 stopni, jest głównym wyzwaniem, mówi inżynier systemów JPL Rick Welch, który pracował nad nanooverem. Odpowiednimi częściami są zwykle układy scalone CMOS z komplementarnymi półprzewodnikami z tlenkami metali, które zachowują przewodnictwo i pracują w ekstremalnie niskich temperaturach. Łazik asteroid będzie nocnym pełzaczem; w ciągu [upalnego] dnia po prostu go wyłączymy, zauważa.

Przez ostatnie cztery lata JPL pracowało również nad ideą eksploracji z powietrza: aeroboty, autonomiczne balony-roboty, które mogłyby objąć znacznie większy obszar niż jakikolwiek inny naziemny łazik, jednocześnie produkując zdjęcia o znacznie wyższej rozdzielczości niż satelity. Pomysł nie jest nowy; w 1985 roku Sowieci i Francuzi wysłali balon badawczy na Wenus. Działał krótko, ale dobrze, podskakując w górę, gdy zbliżył się do gorącej powierzchni Wenus, a gazy w jego worku rozszerzyły się, a następnie w dół, gdy uderzył w zimną stratosferę i te gazy uległy kondensacji.

Ale aeroboty projektowane przez JPL (i dla których na początku tego roku uruchomi stanowisko testowe) są znacznie bardziej wyrafinowane. Zamiast unosić się na stałej wysokości, będą kontrolować swoją wysokość za pomocą zaworów, które mogą uwalniać lub ograniczać gazy, które zapewniają im pływalność. W ten sposób, wyjaśnia inżynier systemów aerobotów JPL, Aaron Bachelder, będą mogli przez jakiś czas unosić się w powietrzu (być może około godziny nad Wenus, z powodu straszliwego ciepła, około 460 stopni Celsjusza na jej powierzchni). Potem wycofają się do stratosfery, aby się ochłodzić. Węże — długie, zwisające elastyczne wyrostki — chronią przed zderzeniami, przenosząc ciężar z aerobota na ziemię, jeśli balon zawiśnie zbyt nisko. Aeroboty będą również zawierać usprawnione czujniki i przyrządy naukowe do zbliżenia powierzchni. I, jak twierdzi kierownik projektów specjalnych JPL, Jim Cutts, Francuzi udowodnili, że nie łapią się one na skałach podczas prób na ziemi. Dodaje, biorąc stronę z podręcznika do gry Nanorover, że jego załoga projektuje aeroboty wystarczająco lekkie (około 22 funty), aby móc jeździć na stopie z innymi misjami.

NASA uważała, że ​​Wenus jest pierwszym miejscem docelowym aerobota, ponieważ jego ciepło – zbyt duże dla naziemnych łazików – sprawia, że ​​planeta ta jest optymalnym wyborem dla balonów. A przewidywalne wiatry na Wenus sprawiają, że jest to łatwiejsze miejsce do planowania tras dla urządzeń niż wietrzny Mars. Ale teraz, gdy triumf Pathfindera sprawił, że Mars stał się modny, Cutts ma również nadzieję, że wyśle ​​na Marsa aerobota w 2003 r. - być może jadąc razem z tegorocznym łazikiem myśliwskim.

Perspektywy aerobotów nie kończą się na dwóch najbliższych planetach. JPL naszkicowało również misje aerobotów na księżyc Jowisz Tytan i zewnętrzne planety gazowe. Ponieważ te planety mają znacznie jaśniejsze atmosfery, balony z gazem świetlnym nie działałyby na nich w sposób, w jaki oczekiwano by na planetach stałych. Tak więc misje do Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna opierałyby się na innej, czcigodnej technologii: balonach na ogrzane powietrze, ogrzewanych przez własne promieniowanie podczerwone planet.

Jeśli aeroboty się rozwiną, technologia zatoczy pełne koło; balony, najwcześniejsza forma transportu powietrznego, będą latać w awangardzie eksploracji planet. To tylko kolejny dowód na różnorodność podejść stosowanych przez NASA w ciągu ośmiu lat, odkąd przestała wiązać swoje nadzieje z badaniami nad pojedynczym masywnym łazikiem marsjańskim.

ukryć