Mīļā, viņi ir samazinājuši Roveru

Ja Nobela tiesneši piešķirtu balvu par pārāk lielu sasniegumu, labs kandidāts varētu būt sešu riteņu, maizes kastes izmēra robots, vārdā Sojourner. Robotiem ejot, marsētājs, kas pagājušajā gadā izpētīja Marsu, bija pieticīgs izdomājums; tas pārvietojās tikai aptuveni divas pēdas minūtē un veica tikai divas vienkāršas zinātniskas darbības, fotografējot akmeņus un nolasot to ķīmiskos parakstus. Un mašīna maksāja tikai 25 miljonus ASV dolāru, un Pathfinder misija, kas to nogādāja uz Marsu, izdeva 266 miljonus ASV dolāru, kas ir ceturtā daļa no viena kosmosa lidojuma izmaksām. Bet Sojourner bija robotu zaķis Energizer, rover, kas tikai turpināja klīst. Amatpersonas piesardzīgi prognozēja, ka tas varētu darboties uz Marsa mēnesi; tas nosūtīja atpakaļ datus par trim.

Tas aizrāva arī sabiedrības iztēli, jo neviens kosmosa uzņēmums nebija noticis kopš Nīls Ārmstrongs un Buzs Oldrins uz Mēness uzlika ASV karogu. Pirmajās misijas satraucošajās nedēļās NASA vairākās Pathfinder globālās tīmekļa vietnes reģistrēja aptuveni 45 miljonus apmeklējumu dienā. Time un Newsweek piešķīra Pathfinder nolaišanos 4. jūlijā un tai sekojošo Sojourner nolaišanos vienlaicīgi ar vākiem un tādiem izplatības veidiem, kas parasti ir paredzēti karu sākšanai vai princešu nāvei. Mattel uzreiz izpārdeva savu Sojourner Mighty Wheels rotaļlietu pirmo reizi. Līgo svētku pieņemšanā viceprezidents Als Gors jokoja, ka viņu ir nomainījis Sojourners kā pasaulē iecienītākais robots. Vai cilvēce jebkad būtu tik cieši identificējusies ar
mašīna?

Tādējādi roveris un tā uzticamais nolaižamais aparāts izglāba NASA no stigmas, ko divu gadu desmitu laikā radīja dārgi sarežģījumi, nāvējošas katastrofas un satriektas cerības. Reformētās NASA galvenā stratēģija — likvidēt dārgās, bīstamas pilotējamās ekspedīcijas un ļaut robotiem un citiem attālinātas izpētes rīkiem paveikt darbu — bija izvērsusies.

Tas bija tikai sākums. NASA tagad gatavo nākamās planētu pētnieku paaudzes, kas liks Sojourneram izskatīties nepārprotami niecīgam: roveriem šķērsot daudzas jūdzes pa Marsa plašumiem, vācot tālus paraugus transportēšanai atpakaļ uz Zemi; caurstrāvotāji, lai izpētītu dzīvās pasaules, kas varētu atrasties zem ārpuszemes iežu un ledus garozām; un aeroboti, lai no gaisa apsekotu citas planētas un to pavadoņus no Venēras līdz Jupitera pavadonim Titānam un, iespējams, pat Urānam un Neptūnam.

Lai arī cik eksotiskas un daudzveidīgas šīs ierīces varētu šķist, tās visas izriet no tām pašām kritiskajām izmaiņām NASA pieejā bezpilota planētu izpētei gandrīz pirms deviņiem gadiem — ātrāk, lētāk, labāk. Šīs izmaiņas aizsāka nevis ar oficiālo NASA politiku, bet gan, neskatoties uz to, neliela robotu būves ķeceru grupa, kas redzēja labāku veidu, kā nokļūt uz Marsu, nekā redzēja viņu priekšnieki, un kuri slēpti strādāja, lai šī ideja būtu iespējama. Šīs robotu veidošanas sacelšanās sakņu novērtējums palīdz saprast, kāpēc planētu izpēte tagad norisinās.

Sākumā

Filozofija, kas ir pamatā ātrāk, lētāk, labāk ir mazāk ir vairāk. Kosmosa lidojumā masa ir vienāda ar naudu — daudz tās — un sarežģītība nozīmē risku. Lai, teiksim, roverus padarītu par pieņemamu cenu un uzticamu, izveidojiet tos pēc iespējas vieglus un vienkāršus — Sojourner gadījumā — 25 mārciņas, izmantojot vāju, bet izturīgu 8 bitu 1970. gadu līmeņa procesoru smadzenēm. Lai arī cik acīmredzama šī stratēģija šobrīd šķiet, 80. gadu beigās NASA reaktīvās dzinējspēka laboratorija (JPL) koncentrējās uz kaut kā pavisam cita veidošanu: patiesi milzīgu mašīnu izmēra, diapazona, skaitļošanas un darbības spēju un izmaksu ziņā. Šis Mars Rover Sampler Return (MRSR) transportlīdzeklis būtu līdz 8 pēdām garš un sver pustonnu. Tas tiks būvēts, lai pusotru gadu varētu braukt Marsa šausmīgajā aukstumā 700 jūdžu garumā pa daudzveidīgajiem, nelīdzenajiem reljefiem, vācot paraugus un veidojot ceļu cilvēku misijām. Tas izmaksātu līdz 10 miljardiem dolāru.

Tad skāra fiskālā realitāte, atceras NASA telerobotikas pētniecības programmas vadītājs Deivids Leiverijs. Mēs sapratām, ka tas vienkārši nenotiks.

Par laimi, NASA misiņam nezinot, JPL aizmugurējās laboratorijās gaidīja alternatīva - novārtā atstāts robotu automatizācijas un vienkāršošanas eksperiments. Pat tad, kad JPL kā iestāde dzenāja MRSR sapni līdz tās strupceļam, neliela grupa augstprātīgu roveru un cita mākslīgā intelekta renegātu grupa, abas JPL, klusi meklēja savus risinājumus.

Centieni sākās 1988. gadā, kad Hovards Eizens, tagadējais JPL roveru mobilitātes inženieris, pameta studijas MIT, lai strādātu laboratorijā. Viņš paņēma sev līdzi īpaši trāpīgu disertācijas projektu: varenā MRSR vienas astotdaļas mēroga modeļa izveidošanu. Viņš atklāja, ka modelis, kas vadīts ar elektrisko saiti, darbojās daudz labāk, nekā gaidīts. Patiešām, tā piecu collu riteņi varēja uzkāpt pāri objektiem līdz astoņu collu augstiem. Tātad, iespējams, jumbo MRSR nebija vajadzīgs, viņš domāja; vai daudz mazāka platforma varētu pārvarēt Marsa akmeņaino virsmu?

Eizens un viņa kolēģi JPL nolēma paši uzbūvēt šādu platformu, kas darbotos inženiera (un bijušā karstā rodera) Dona Biklera garāžā. Pēc vairākiem izmēģinājumiem Biklers izgudroja sešu riteņu šasiju, kas spēja saglabāt vienmērīgu svaru un saķeri ar visiem saviem riteņiem. Inženieri to nodēvēja par rokeri/bogey pēc tā diviem galvenajiem mehāniskajiem elementiem un ar visu godu nosauca turpmākos rovera prototipus Rocky. Visi jokoja, vai mums būs tik daudz turpinājumu kā Rokija filmām, atceras Eizens. (Viņi varētu.)

Pirmā Rocky būvniecības vidū rover renegāti ieguva laboratorijas telpu JPL un ieguva jaunus līdzstrādniekus: mākslīgā intelekta (AI) dizaineru komandu. Iedvesmojoties no MIT MI pioniera Rodnija Brūksa, konstruējot robotus, lai darbotos, izmantojot vienkāršu reakciju uz stimuliem hierarhiju, pakārtotās arhitektūras pieeja Deivids Millers, nesen ieradies JPL AI sadaļā, uz vasaru nolīga Brūksa studentu Kolinu Anglu. MIT Angle bija radījis vadošo Čingisa robotu, kas, neskatoties uz savu zemo smadzeņu jaudu, varēja autonomi veikt diezgan sarežģītu funkciju, savācot visas biroja kafijas tases. (Šī iekārta tagad atrodas Nacionālajā gaisa un kosmosa muzejā.) JPL Angle uzbūvēja līdzīgu robotu ar nosaukumu Tooth, izmantojot modeļa šasiju, par mazāk nekā 500 USD daļām un 5000 USD darbu. Mans vienīgais ierobežojums, Leņķis atgādina, bija tas, ka es nevarēju iztērēt vairāk par 50 USD par katru daļu, tāpēc tas viss varēja nākt no sīkas naudas.

Millers un viņa komandas biedri redzēja Biklera grupas izstrādātā mehāniskā Rokija potenciālu. Apvienojot Tooth elektroniskās smadzenes ar Rokija 3 ķermeni, viņi izveidoja pirmo autonomo roveru, kas varēja darboties ārpus telpām uz netīrumiem.

JPL menedžeri bija pārsteigti, taču joprojām apprecējās ar savu lielo MRSR. Tad Kongresa locekļi gaudoja par to, un šis projekts bija miris. NASA tikmēr atrada finansējumu vienai nelielai Pathfinder nolaišanās iekārtai un meklēja kaut ko, ko ar to nēsāt. Es teicu: Mums ir šis viens roveris,” atceras Millers. Beidzot renegātiem bija īsta misija, pie kuras strādāt.

Bet ne uz ilgu laiku. Kā tas bieži notiek, kad inovācijas tiek virzītas uz galveno virzienu, novatori tika atstāti aukstumā. Millers un viņa komandas biedri zaudēja kontroli pār Rocky projektu, un visi, izņemot vienu, pameta JPL privātajā sektorā. Rover budžeti pieauga, un arī laika grafiki. Millera grupai bija vajadzīgs tikai pusotrs gads, lai pārietu no Tooth uz ceturtās paaudzes Rocky, bet pēc tam JPL prasīja vēl piecus gadus, lai sasniegtu Sojourner, sesto Rocky līnijā.

Braiens Vilkokss no JPL, kurš pēc Millera pārņēma mikrorovera projekta stūri, apgalvo, ka tā bija dabiska atbilde uz izaicinājumiem, kas radīja tehnoloģiju padarīt pietiekami uzticamas, lai tās darbotos skarbajā Marsa vidē. Patiešām, lai cik romāns televīzijas skatītājiem šķita, Pathfinder bija diezgan konservatīva misija; JPL atgriezās pie pārbaudītām un patiesām komandu tehnoloģijām, nevis mēģināja darboties pilnībā autonomi. Labāk drošs nekā riskants, kad visa pasaule to skatās.

Rocky’s Kids

Bet tagad, kad Sojourner ir pavēris ceļu, citi planētu pētnieki var apzināties potenciālu, uz kuru tas tikai deva mājienu. Rocky 7, kas aprīkots ar robota roku un kameras mastu, kā arī Sojourner stila šasiju, iet cauri sausajam Lavic ezeram Mohaves tuksnesī. Ezera gultne ir īpaši piemērots Marsa analogs, pateicoties aviatoriem tuvējā Twentynine Palms Marine bāzē; viņu bombardēšanas prakse ir atstājusi to izbāztu ar krāteriem, kas ir aptuveni tūkstošiem, ko asteroīdi ir iespieduši Marsa virsmā.

Garo attālumu pārgājieni, ko Rocky 7 praktizē autonomas darbības režīmā un ar uzlabotām sensorajām un navigācijas sistēmām, būs ļoti svarīgi nākamajiem Marsa roveriem. Sojourner rāpoja tikai dažus metrus zem sava Pathfinder mātes kuģa modrīgās, pozīciju pārbaudošās elektroniskās acs. Taču Rocky 8, šķietamajam 2001. gada Marsa misijas un tā 2003. gada pēcteces roverim, būs jāveic daudzas jūdzes, iespējams, nelīdzenā, vecākā augstienes reljefā, kur, visticamāk, varētu atrast senās dzīves pēdas. NASA vēlas, lai šie roveri kešatmiņā saglabātu interesantus paraugus, kurus 2005. gadā paredzēts uzņemt vēl trešajam aparātam — brašam, specializētākam izguves roverim, izmantojot kešatmiņās atstātās elektroniskās bākas. Šim roverim, iespējams, būs jānogādā paraugi vēl vairāk jūdžu līdz nolaišanās mašīnai, lai atgrieztos uz Zemi un veiktu rūpīgu pārbaudi, kas beidzot varētu atrisināt jautājumu par dzīvību uz Marsa.

Vairāk vietas nosegšana ir tikai viens no daudzajiem izaicinājumiem, kas jāsagaida roveru ražotājiem. Citi ir saistīti ar ierobežotākiem budžetiem. Stīvs Saunderss, JPL galvenais projekta zinātnieks Mars 2001 misijai, atzīmē, ka nākotnes transportlīdzekļiem būs jāpaļaujas uz mazāku cilvēku iesaistīšanos. Lai gan Pathfinder misija vairākus mēnešus pēc nosēšanās nodarbināja līdz 10 cilvēkiem ar tādiem jautājumiem kā kontrole un traucējummeklēšana, Mars 2001 budžetā ir paredzēta aptuveni 4 cilvēku operāciju komanda. Arī nākamajiem roveriem ir jāmaksā mazāk, jābrauc ar mazākām raķetēm, jādara vairāk. zinātne (NASA joprojām precīzi noskaidro) un darbojas 3 reizes ilgāk nekā Sojourner. Un neskaitot monetāros faktorus, viņiem ir jāizdzīvo vēl plašāks temperatūras diapazons nekā Sojourner (eksperti uzskata, ka Marsa aukstums beidzot apklusināja Pathfinder misiju).

Liela daļa cerību tikt galā ar šiem izaicinājumiem balstās uz jaunajiem grafīta kompozītmateriāliem, ko JPL mehānisko sistēmu nodaļa rada. Konsekventu kompozītmateriālu izmantošana visā roverā varētu samazināt destruktīvo diferenciālo dzesēšanu un kontrakciju, kas tagad rodas, izmantojot dažādus metālus, padarot mašīnu mazāk jutīgu pret temperatūras izmaiņām. Un kompozītmateriāli varētu samazināt galīgo kravnesību, samazinot izmaksas. Jau tagad vieglā, izdzīvojamā rovera prototips '05. gada misijai sver tikai 15 mārciņas-divas trešdaļas tik daudz nekā Sojourner, vienlaikus izstiepjoties vairāk nekā pusotru reizi garāks un platāks un stāvot gandrīz divreiz augstāks par pēdu. no zemes.

Turklāt šī prototipa riteņi sabrūk līdz trešdaļai no to paplašinātā tilpuma un tādējādi var ielikt mazākā lidojuma kapsulā, saka Pols Šenkers, nodaļas pētniecības un izstrādes vadītājs. Mēs šo ideju attiecinām uz visu rovera rāmi, viņš piebilst, apņemoties padarīt paraugu izguves roveru patiesi saliekamu un līdz ar to vēl lētāku nosūtīšanu.

Schenker komandas lielākais progress ir bijis ieroču būvniecībā no vieglajiem kompozītmateriāliem. Viena roka, kas ir pilnībā salikta līdz motoram, sver tikai aptuveni astoņas mārciņas, bet var pagarināties līdz apmēram sešām pēdām, izrakt tranšeju, pacelt un noglabāt paraugus un piestiprināt mikrokameru. Cits, kas sver divas mārciņas, var pacelt vairākas reizes savu svaru, daļēji pateicoties ultraskaņas motoriem (tā saukto, jo tie čīkst nedzirdamās frekvencēs). Šādi motori palielina griezes momentu, līdz ar to saķeri un sviru, ļoti mazos ātrumos, kas ir tieši tas, ko vēlaties izmantot ārpuszemes vajadzībām, kur liels ātrums palielina negadījumu risku un prasa vairāk informācijas. Turklāt zema ātruma ultraskaņas motoriem nav nepieciešamas pārnesumkārbas, kā tas ir parastajiem motoriem, lai samazinātu to rotāciju līdz lietderīgam ātrumam. Pārnesumkārbas likvidēšana samazina lielāku svaru; atkal mazāk ir vairāk.

Līdz brīdim, kad ultravieglie roveri ar pansionātu ir gatavi lidot, vēl dramatiskāka eseja par rovera miniaturizāciju, iespējams, ir pierādījusi sevi, pirmo reizi nolaižoties uz asteroīda. Arī nepieciešamība, lietderīgās slodzes ierobežojumu veidā, ir dizaina māte. 2003. gada septembrī Japānas kosmosa misijai, kas pazīstama kā Muses-C, ir jānolaižas uz pusjūdzi plata, zemi šķērsojošā asteroīda Nereus. Plāns ir nolaisties trīs vietās (lai paceltos un atkal nolaistos asteroīda zemā gravitācijas apstākļos), savākt paraugus un nosūtīt tos uz zemi līdz 2006. gada janvārim, izmantojot kosmosa lidojumos nomestus izpletņus. Bet vispirms Muses-C vajadzētu izlaist amerikāņu pasažieri - roveri.

Kad Japānas Kosmosa un astronomijas zinātnes institūts (ISAS) ieradās NASA, meklējot tehnisku palīdzību saistībā ar Muses-C, tas piedāvāja NASA iespēju aizpildīt nolaižamās ierīces neizmantoto kravas telpu. Amerikāņi domāja nosūtīt zinātnisku instrumentu komplektu, taču nolēma, ka, ja tie būtu piestiprināti pie nolaišanās ierīces, tie tikai dublētos japāņu centienus. Labāk nosūtiet roveri, lai izpētītu citas Nereus daļas.

Tikai viena aizķeršanās: Muses-C ir tikai divas mārciņas vērta papildu kravas ietilpība, no kuras puse ir nepieciešama datoram un sakaru aprīkojumam, lai NASA varētu runāt tieši ar roveru. Tātad nākamais miniaturizācijas solis: vienu mārciņu smags nanorovers. (Tas ir mākslas termins, jo nanotehnoloģijas parasti apzīmē darbu molekulārā līmenī. Bet kā gan vēl jūs saucat mašīnu, kas ir viena divdesmitā daļa no mikrorovera izmēra?) Nanorovera zinātnes instrumenti būs sarežģītāki nekā salīdzinoši gigantiskā Sojourner's. : infrasarkanais spektrometrs ķīmisko parakstu nolasīšanai ar infrasarkanajiem stariem, attēlveidošanas kamera ar astoņu pozīciju filtra riteņiem dažādu gaismas spektru nolasīšanai un, iespējams, rentgena spektrometrs. Taču mašīnai būs daudz vienkāršāka šasija. Pašreizējam prototipam ir tikai divi riteņi, uz kuriem tas slīdēs un pat apgāzīsies (un pēc tam pats uz labo pusi). Uz asteroīda, kur triecieni ir nepārspējami viegli, šāda pārveidošana nebūs tāda katastrofa, kāda tā būtu uz pilna izmēra planētas. Zemas gravitācijas apstākļos, kur apstāties ir grūti, šādas kustības tik un tā ir neizbēgamas.

Asteroīds rada vēl šausmīgākus temperatūras izaicinājumus nekā Marss. Braiens Vilkokss, JPL robotikas grupas vadītājs, atzīmē, ka Sojourner darbojās tikai tad, kad bija silts, pēc tam, kad tā gēla izolācija katru dienu bija ieslodzījusi pietiekami daudz siltuma. Taču izolēšana ir bezjēdzīga kaut kam tik mazam kā nanoroveram ar tā proporcionāli lielo virsmas laukumu. Un asteroīdu pētniekiem ir jāsaglabājas 250 grādu pēc Celsija temperatūras svārstībām no dienas uz nakti. Elektriskās sastāvdaļas parasti tiek novērtētas tikai līdz automašīnas temperatūras diapazonam - aptuveni 120 grādiem. Galvenais izaicinājums ir atrast komponentus, kas spēj izturēt mīnus 125 grādus, saka JPL sistēmu inženieris Riks Velčs, kurš ir strādājis pie nanorovera. Piemērotās daļas parasti ir CMOS papildinoša metāla oksīda pusvadītāju elektronika, kas uztur vadītspēju un darbojas ārkārtīgi zemā temperatūrā. Asteroīdu rover būs nakts rāpotājs; [apdeguma] dienas laikā mēs to vienkārši izslēgsim, viņš atzīmē.

Pēdējos četrus gadus JPL ir strādājis arī pie idejas par izpēti no gaisa: aerobotiem, autonomiem robotizētiem baloniem, kas varētu aptvert daudz plašāku teritoriju nekā jebkurš sauszemes rover, vienlaikus radot daudz augstākas izšķirtspējas fotoattēlus nekā satelīti. Ideja nav jauna; 1985. gadā padomju vara un franči nosūtīja uz Venēru izpētes balonu. Tas darbojās īsi, bet labi, virzoties uz augšu, kad tas tuvojās karstajai Venucijas virsmai un maisā esošās gāzes izpletās, pēc tam lejup, kad tas skāra auksto stratosfēru un šīs gāzes kondensējās.

Taču aeroboti, ko izstrādā JPL (un kuru izmēģinājumu platforma tiks uzsākta šī gada sākumā), ir daudz sarežģītāki. Tā vietā, lai peldētu nemainīgā augstumā, tie kontrolēs savu augstumu, izmantojot vārstus, kas var atbrīvot vai ierobežot gāzes, kas tiem nodrošina peldspēju. Tādējādi, skaidro JPL aerobotu sistēmu inženieris Ārons Bakelders, tie kādu laiku varēs lidot (varbūt stundu vai vairāk virs Venēras, jo spēcīgā karstuma dēļ uz tās virsmas ir aptuveni 460 grādi pēc Celsija). Pēc tam viņi atkāpsies stratosfērā, lai atdziestu. Čūskas — gari, karājoši elastīgi piedēkļi — pasargās no sadursmēm, pārnesot svaru no aerobota uz zemi, ja balons lido pārāk zemu. Aerobotos būs arī racionalizēti sensori un zinātniski instrumenti virsmas tuvplānai izpētei. Un, JPL īpašo projektu vadītājs Džims Katss uzstāj, ka franči zemes izmēģinājumos ir pierādījuši, ka tie neķeras uz akmeņiem. Viņš piebilst, paņemot lapu no nanorovera rotaļu grāmatas, ka viņa apkalpe izstrādā pietiekami vieglus aerobotus (aptuveni 22 mārciņas), lai veiktu braucienu ar citām misijām.

NASA domāja par Venēru kā pirmo aerobota galamērķi, jo tās karstums, kas ir pārāk liels zemes roveriem, padara šo planētu par optimālu balonu izvēli. Un Veneras paredzamie vēji arī padara to vienkāršāku vietu, kur plānot maršrutus ierīcēm, nekā burvīgais Marss. Taču tagad, kad Pathfinder triumfs ir padarījis Marsu modernu, Kats arī cer 2003. gadā uz Marsu nosūtīt aerobotu, iespējams, braucot kopā ar tā gada klinšu medību roveru.

Aerobotu izredzes nebeidzas ar divām tuvākajām planētām. JPL ir arī ieskicējis aerobotu misijas uz Džovijas pavadoni Titānu un ārējām gāzes planētām. Tā kā šīm planētām ir daudz vieglāka atmosfēra, vieglās gāzes baloni uz tām nedarbosies tā, kā paredzēts uz cietām planētām. Tātad misijas uz Jupiteru, Saturnu, Urānu un Neptūnu balstītos uz citu, cienījamu tehnoloģiju: karstā gaisa baloniem, ko silda pašu planētu infrasarkanais starojums.

Ja aeroboti izzudīs, tehnoloģija būs apgājusi pilnu apli; gaisa baloni, agrākais gaisa transporta veids, lidos planētu izpētes avangardā. Tā ir tikai vēl viena norāde uz NASA izmantoto pieeju daudzveidību astoņu gadu laikā, kopš tā pārstāja cerēt uz viena masīva Marsa rovera izmeklēšanu.

paslēpties