Planetární MicroBots. Obrazový kredit: NASA Klikněte pro zvětšení
Rozhovor s Penny Boston, část I
Pokud chcete cestovat do vzdálených hvězd nebo najít život v jiném světě, vyžaduje to trochu plánování. Proto NASA založila NIAC, institut NASA pro pokročilé koncepty. Za posledních několik let NASA povzbuzuje vědce a inženýry, aby mysleli mimo krabici, aby přišli s nápady právě na této straně sci-fi. Jejich naděje je, že některé z těchto nápadů se vynoří a poskytnou agentuře technologie, které může použít 20, 30 nebo 40 let po silnici.
NIAC poskytuje financování na konkurenčním základě. Financováno je pouze několik z desítek předložených návrhů. Financování fáze I je minimální, pro vědce stačí, aby svůj nápad vypracovali na papíře. Pokud se myšlenka ukáže jako výhodná, pak může získat financování fáze II, což umožní, aby výzkum pokračoval od fáze čistého konceptu k fázi hrubého prototypu.
Jedním z projektů, které získaly finanční prostředky ve fázi II počátkem tohoto roku, byla spolupráce mezi Dr. Penelope Boston a Dr. Steven Dubowsky s cílem vyvinout „hopping mikroboty“ schopné prozkoumat nebezpečný terén, včetně podzemních jeskyní. Pokud se projekt zastaví, mohou být někdy poskočeny mikroboty, aby hledaly život pod hladinou Marsu.
Boston tráví v jeskyních spoustu času studováním mikroorganismů, které tam žijí. Je ředitelkou studijního programu Jeskyně a kras a docentem v New Mexico Tech v Socorro v Novém Mexiku. Dubowsky je ředitelem laboratoře MIT Field and Space Robotics Laboratory v MIT v Cambridge v Massachusetts. Částečně je známý pro svůj výzkum umělých svalů.
Astrobiologický časopis provedl rozhovor s Bostonem krátce poté, co ona a Dubowsky obdrželi grant NIAC fáze II. Toto je první ze dvou částí rozhovoru. Astrobiologický časopis (AM): Ty a Dr. Steven Dubowsky jste nedávno získali finanční prostředky od NIAC, abyste pracovali na myšlence využití miniaturních robotů k prozkoumání podpovrchových jeskyní na Marsu? Jak vznikl tento projekt?
Penny Boston (PB): Dělali jsme hodně práce v jeskyních na Zemi s výhledem na mikrobiální obyvatele těchto jedinečných prostředí. Myslíme si, že mohou sloužit jako šablony pro hledání životních forem na Marsu a dalších mimozemských tělech. V roce 1992 jsem publikoval referát s Chrisem McKayem a Michaelem Ivanovem, který naznačoval, že pod povrchem Marsu by bylo poslední útočiště života na této planetě, protože se během geologického času ochladilo a vyschlo. To nás přimělo k tomu, abychom se podívali do podzemí na Zemi. Když jsme to udělali, zjistili jsme, že existuje úžasná řada organismů, které jsou zjevně domorodci v podpovrchu. Interagují s mineralogií a vytvářejí jedinečné biologické podpisy. Stalo se tak velmi úrodnou oblastí pro studium.
Dostat se do obtížných jeskyní i na této planetě není tak snadné. Přeložit to do robotických mimozemských misí vyžaduje nějakou myšlenku. Máme dobré obrazové údaje z Marsu, které ukazují zřetelný geomorfologický důkaz alespoň pro jeskyně s lávovými trubkami. Takže víme, že Mars má alespoň jeden typ jeskyně, který by mohl být užitečným vědeckým cílem pro budoucí mise. Je věrohodné si myslet, že existují i jiné typy jeskyní a máme papír v tisku v nadcházejícím speciálním dokumentu Geologické společnosti Ameriky, který zkoumá jedinečné mechanismy formování jeskyní (speleogenetické) na Marsu. Velkým nalepovacím bodem je, jak se obejít v tak přísném a obtížném terénu.
AM: Můžete popsat, co jste udělali v první fázi projektu?
PB: Ve fázi I jsme se chtěli zaměřit na robotické jednotky, které byly malé, velmi početné (a proto je možné je spotřebovat), do značné míry autonomní a které měly mobilitu, která byla potřebná pro vstup do drsných terénů. Na základě pokračující práce Dr. Dubowského s robotickým pohybem aktivovaným umělým svalem jsme přišli s myšlenkou mnoha, mnoha, malých malých koulí, o velikosti tenisových míčků, které v podstatě poskakují, téměř jako mexické skákající fazole. Ukládají svalovou energii, abych tak řekl, a pak se sami potápí různými směry. Takto se pohybují.
kredit: Render od R. D. Guse Fredericka
Planetární nastavení pro rozsáhlý průzkum planetárních povrchů a pod povrchů. Pro větší náhled klikněte na obrázek.
Image Credit: Render od R. D. Guse Fredericka
Vypočítali jsme, že bychom asi mohli zabalit asi tisíc těchto lidí do hmotnosti užitečného zatížení velikosti jednoho ze současných MER (Mars Exploration Rovers). To by nám poskytlo flexibilitu, kdybychom utrpěli ztrátu velkého procenta jednotek a stále měli síť, která by mohla dělat průzkum a snímání, zobrazování a možná i některé další vědecké funkce.
AM: Jak se všechny tyto malé sféry vzájemně koordinují?
PB: Chová se jako roj. Vztahují se k sobě navzájem pomocí velmi jednoduchých pravidel, ale to vytváří velkou flexibilitu v jejich kolektivním chování, které jim umožňuje splnit požadavky nepředvídatelného a nebezpečného terénu. Konečným produktem, který si představujeme, je flotila těchto malých chlapců, kteří jsou posíláni na nějaké slibné místo přistání, vystupují z landeru a poté se dostávají do nějakého podpovrchového nebo jiného nebezpečného terénu, kde se rozmístí jako síť. Vytvářejí celulární komunikační síť na základě uzlu k uzlu.
AM: Jsou schopni ovládat směr, kterým doufají?
PB: Máme pro ně touhu být v konečném důsledku velmi schopní. Když přecházíme do fáze II, pracujeme s Fritzem Printzem ve Stanfordu na ultra-miniaturních palivových článcích, abychom tyto malé lidi mohli pohánět, což by jim umožnilo dělat poměrně složitou řadu věcí. Jednou z těchto schopností je mít určitou kontrolu nad směrem, kterým se ubírají. Existují určité způsoby, jak je lze postavit a které jim umožní přednostně jít jedním nebo druhým směrem. Není to tak přesné, jak by to bylo, kdyby šlo o kolové vozy, které jedou rovnou cestou. Ale mohou se přednostně převýšit víceméně ve směru, kterým se chtějí vydat. Předpokládáme tedy, že budou mít alespoň hrubou kontrolu nad směrem. Ale hodně z jejich hodnoty má co do činění s jejich rojovým pohybem jako rozšiřujícím se mrakem.
Jak úžasné jsou MER rovery, pro druh vědy, kterou dělám, potřebuji něco podobného nápadu na hmyzího robota, který propagoval Rodney Brooks na MIT. Schopnost proniknout do modelu inteligence hmyzu a adaptace na průzkum mě dlouho oslovovala. Přidám-li to k jedinečné mobilitě, kterou poskytuje myšlenka skákání dr. Dubowského, myslím, že přiměřené procento těchto malých jednotek může přežít nebezpečí podpovrchového terénu - to mi připadalo jako magická kombinace.
HB: Takže ve fázi I se něco z toho skutečně postavilo?
PB: Ne. Fáze I, s NIAC, je šestiměsíční studie zaměřená na namáhání mozku, která posouvá nejmodernější technologie příslušných technologií. Ve fázi II budeme provádět omezené množství prototypů a testování v terénu během dvou let. To je mnohem méně, než by bylo potřeba pro skutečnou misi. Ale samozřejmě, to je mandát NIAC, zkoumat technologii od 10 do 40 let. Myslíme si, že je to pravděpodobně v rozmezí 10 až 20 let.
AM: Jaké druhy senzorů nebo vědeckého vybavení si myslíte, že je můžete na tyto věci nasadit?
PB: Zobrazování je jasně něco, co bychom chtěli dělat. Jak se kamery stanou neuvěřitelně malými a robustními, existují již jednotky v rozsahu velikostí, které by se na tyto věci mohly namontovat. Některé jednotky by mohly být vybaveny možností zvětšení, takže by se člověk mohl podívat na textury materiálů, na které přistávají. Integrace snímků pořízených malými fotoaparáty na spoustu různých malých jednotek je jednou z oblastí pro budoucí vývoj. To je nad rámec tohoto projektu, ale to je to, o čem uvažujeme pro zobrazování. A pak určitě chemické senzory, které jsou schopné čichat a vnímat chemické prostředí, což je velmi kritické. Vše od malých laserových čoček po iontově selektivní elektrody pro plyny.
Předpokládáme, že nebudou všechny identické, ale spíše celek, s dostatečným počtem různých druhů jednotek vybavených různými druhy senzorů, takže pravděpodobnost by byla stále vysoká, i když dost velké ztráty počtu jednotek, že stále by měla kompletní sadu senzorů. I když každá jednotlivá jednotka nemůže mít na sobě obrovské užitečné zatížení senzorů, můžete mít dost, aby se mohla výrazně překrýt se svými kolegy.
AM: Bude možné provést biologické testování?
PB: Myslím, že ano. Zejména pokud si představujete časový rámec, na který se díváme, s pokroky, které přicházejí online se vším od kvantových teček po laboratorní zařízení na čipu. Obtížnost spočívá v získání vzorku materiálu. Ale když jednáme s malými pozemními kontaktními jednotkami, jako jsou naše skákavé mikroboty, možná byste je mohli umístit přímo nad materiál, který chtějí vyzkoušet. V kombinaci s mikroskopií a širšími snímky si myslím, že je tu možnost vykonávat nějakou vážnou biologickou práci.
AM: Máte představu o tom, jaké milníky jsou, že doufáte, že zasáhnete během svého dvouletého projektu?
PB: Předpokládáme, že do března budeme mít hrubé prototypy, které mají relevantní mobilitu. Ale to může být příliš ambiciózní. Jakmile máme mobilní jednotky, máme v plánu provést polní zkoušky v jeskyních se skutečnými lávovými trubkami, na kterých děláme vědu v Novém Mexiku.
Pole již bylo testováno. V rámci fáze I vyšla skupina MIT a naučil jsem je trochu o jeskyni a jak vlastně byl terén. Byl to pro ně velký otvírač očí. Je to jedna věc, navrhnout roboty pro haly MIT, ale je to jiná věc, navrhnout je pro skutečné skalní prostředí. Pro nás všechny to byla velmi vzdělávací zkušenost. Myslím, že mají docela dobrý nápad, jaké jsou podmínky pro splnění jejich návrhu.
AM: Jaké jsou tyto podmínky?
PB: Mimořádně nerovný terén, spousta štěrbin, do kterých by se tito kluci mohli dočasně zaseknout. Budeme tedy potřebovat způsoby provozu, které by jim umožnily se vysvobodit, alespoň s rozumnou šancí na úspěch. Výzvy komunikace přímou viditelností na velmi drsném povrchu. Překonávání velkých balvanů. Zaseknutí v malých prasklinách. Věci tohoto druhu.
Láva není hladká. Interiér lávových trubek je po jejich vytvoření přirozeně hladký, ale existuje spousta materiálu, který se smršťuje a praská a padá dolů. Takže jsou tu hromady suti, které se obíhají kolem dokola a spousta výškových změn. A to jsou věci, které konvenční roboti nemají.
Původní zdroj: NASA Astrobiology
