Czteronożny robot szybszy niż łazik. Nowy faworyt misji na Księżyc i Marsa

Choć współczesne łaziki marsjańskie to szczyt myśli technicznej, ich tempo poruszania się po Czerwonej Planecie pozostaje frustrująco powolne. Przełom przynosi europejski projekt ANYmal – czworonożny robot przypominający zwinne zwierzę, który radzi sobie w trudnym terenie znacznie lepiej niż pojazdy kołowe. Dzięki zaawansowanej autonomii maszyna ta eliminuje największą barierę misji kosmicznych: konieczność czekania na każdą komendę z odległej o miliony kilometrów Ziemi.

Nowy, czteronożny robot naukowców z Europy biega po sztucznym Marsie szybciej niż tradycyjne łaziki na kołach.

Maszyna nie tylko sprawnie omija kamienie i uskoki, ale od razu bada skały w terenie. W praktyce oznacza to wielokrotne przyspieszenie pracy przyszłych misji księżycowych i marsjańskich – bez czekania na każdą pojedynczą komendę z Ziemi.

Dlaczego łaziki są tak wolne, choć potrafią tak wiele

Dzisiejsze łaziki marsjańskie potrafią analizować skład skał z imponującą precyzją, ale poruszają się w żółwim tempie. W typowy dzień przemierzają zaledwie kilkaset metrów. Główny hamulec to opóźnienie w komunikacji między Ziemią a Marsem, sięgające nawet 22 minut w jedną stronę. Każdy ruch, każda zmiana trasy wymagają serii ostrożnych decyzji operatorów.

Na Księżycu problem jest inny. Tam sygnał dociera szybko, lecz krajobraz pełen kraterów, stromych zboczy i luźnego regolitu sprawia, że pojazd na kołach ma ograniczone możliwości. Zbyt duże ryzyko zakopania się albo wywrócenia wymusza bardzo zachowawczą jazdę.

Nowy czteronożny robot ma wypełnić lukę: przemieszczać się niemal jak żywe zwierzę, a przy tym prowadzić zaawansowane pomiary bez nieustannego nadzoru z Ziemi.

Czteronożny ANYmal – mechaniczny „pies” z własnym laboratorium

Bohaterem badań jest robot ANYmal, opracowany na uczelni ETH Zurich. Ma około metr długości i porusza się na czterech ruchomych „nogach”, zbliżonych konstrukcyjnie do kończyn psa czy kozy. Każda kończyna składa się z wielu przegubów, które pozwalają podnosić korpus, przeskakiwać niewielkie przeszkody i stabilizować się na nierównym podłożu.

Inżynierowie wyposażyli ANYmal w ramię robotyczne z dwoma miniaturowymi instrumentami naukowymi. To w praktyce małe, samowystarczalne laboratorium terenowe, a nie tylko mobilna platforma z kamerą.

MICRO – kamera, która widzi minerały z bliska

Pierwszy instrument nosi nazwę MICRO. To kamera mikroskopowa z obiektywem zdolnym uchwycić bardzo drobne szczegóły na powierzchni skały. Powiększenie i rozdzielczość są na tyle wysokie, że naukowcy rozpoznają strukturę minerałów, ich ułożenie i drobne pęknięcia.

• analizuje fakturę skały z bliska,
• pomaga odróżnić różne typy minerałów na podstawie obrazu,
• pozwala wybierać najciekawsze fragmenty do dokładniejszych badań.

Takie zbliżenia są kluczowe, gdy naukowcy szukają śladów dawnych procesów geologicznych lub warunków sprzyjających powstaniu życia. W grę wchodzą detale, których nie widać na zwykłych zdjęciach terenowych.

Spektrometr Raman – chemia skał w kilka chwil

Drugim narzędziem jest przenośny spektrometr Raman. Urządzenie kieruje w punkt skały wiązkę lasera, a następnie analizuje sposób, w jaki materiał rozprasza światło. Ten wzór rozproszenia zależy od składu chemicznego próbki, dzięki czemu instrument szybko wskazuje, z jakimi minerałami robot ma do czynienia.

Podczas testów ANYmal bez pobierania próbek rozpoznawał m.in. gips, różne typy karbonatów, bazalt, dunit i anortozyt. Badania przeprowadzono w specjalnym laboratorium Marslabor na uniwersytecie w Bazylei, gdzie naukowcy tworzą wierne kopie marsjańskich i księżycowych krajobrazów.

Połączenie kamery mikroskopowej i spektrometru Raman sprawia, że robot może w terenie samodzielnie „przesłuchać” skałę: najpierw obejrzeć jej powierzchnię, a następnie odczytać chemiczny podpis.

Autonomiczny tryb pracy: 12 minut zamiast 41

Zespół badawczy pod kierunkiem Gabrieli Ligezy porównał dwa scenariusze pracy robota. W pierwszym naukowiec zdalnie kierował ANYmalem. Wskazywał jeden cel, prowadził robota krok po kroku, zlecał pomiary, a po zakończeniu przechodził do kolejnego punktu na trasie. Taki „klasyczny” sposób działania zajął aż 41 minut.

W drugim trybie operator wyznaczał jedynie kilka punktów zainteresowania, a robot sam planował kolejność odwiedzin i wykonywał pomiary po kolei, bez ingerencji człowieka między kolejnymi skałami. W tym wariancie misje trwały od 12 do 23 minut.

Przewaga trybu półautonomicznego stała się natychmiast widoczna. Maszyna skracała czas całej sekwencji zadań nawet trzykrotnie, a ludzie mogli skupić się na interpretacji danych, zamiast na drobiazgowym pilotowaniu każdego kroku.

Księżyc jako poligon poszukiwania zasobów

W przypadku Księżyca głównym celem nie jest sama geologia, lecz przyszłe wykorzystanie surowców. Planowane bazy będą potrzebować wody, metali i materiałów budowlanych, których nikt nie zamierza w całości dostarczać z Ziemi. Szybkie rozpoznanie zasobów w obrębie kraterów polarnych może przesądzić o powodzeniu takich projektów.

Robot w rodzaju ANYmala mógłby schodzić na strome zbocza kraterów, spacerować po rumowiskach i skanować skały z różnych warstw geologicznych. Dzięki nogom, a nie kołom, łatwiej pokona wystające głazy, uskoki czy depresje, gdzie tradycyjny łazik po prostu by utknął.

Im szybciej inżynierowie zmapują zasoby Księżyca, tym szybciej powstaną konkretne plany budowy stałych instalacji, w tym magazynów paliwa czy habitatów dla astronautów.

Mars i poszukiwanie śladów dawnego życia

Na Marsie priorytety są inne. Kluczowe są tak zwane biosygnatury – chemiczne i mineralne ślady po procesach biologicznych. Mogą to być określone formy związków węgla, wzory ułożenia minerałów czy zmiany w strukturze skał osadowych, które pasują raczej do aktywności mikroorganizmów niż do czystej chemii nieorganicznej.

Spektrometr Raman zamontowany na ANYmalu idealnie nadaje się do takich zadań. Bada minerały w skale bez jej niszczenia, a jednocześnie wskazuje związki, które interesują astrobiologów. Jeśli robot porusza się szybciej i sam dobiera kolejne punkty pomiarowe, może w krótkim czasie „przebiec” przez znacznie więcej lokalizacji niż klasyczny łazik.

Rój chodzących robotów – możliwy scenariusz przyszłych misji

Równolegle różne zespoły pracują nad koncepcjami rojów małych robotów kroczących. Kilkanaście czy kilkadziesiąt takich maszyn mogłoby dzielić się terenem, wymieniać dane i wspólnie tworzyć bardzo dokładne mapy geologiczne dużych obszarów.

Wyniki uzyskane z ANYmalem sugerują, że połączenie nóg, zminiaturyzowanych instrumentów i algorytmów podejmowania decyzji stanie się ważnym kierunkiem rozwoju misji planetarnych. Zamiast jednego ciężkiego łazika inżynierowie mogą wysłać całą ekipę mniejszych, zwinnych pomocników.

Co taki robot faktycznie zmieni w praktyce

Dla zwykłego odbiorcy cała ta dyskusja o mikroskopach i spektrometrach brzmi dość abstrakcyjnie. Tymczasem zmiana jest bardzo przyziemna: chodzi o oszczędność czasu i pieniędzy. Każdy dzień pracy sondy na obcej planecie kosztuje fortunę. Szybsze przemierzanie terenu i większa liczba zbadanych skał w tym samym czasie oznaczają lepszy zwrot z inwestycji w misję.

Druga sprawa to bezpieczeństwo. Robot, który sam ocenia ułożenie terenu i dobiera stabilne kroki, rzadziej naraża się na nieodwracalne zakopanie albo uszkodzenie zawieszenia. Daje to większą szansę na utrzymanie misji przez długie lata, co już pokazały rekordowe łaziki, tyle że teraz dodatkowo dochodzi element szybkiego tempa badań.

Warto też zwrócić uwagę na technologię stojącą za taką półautonomią. Algorytmy używane w ANYmalu – od planowania trasy, przez wykrywanie przeszkód, po wybór najlepszych skał do pomiaru – znajdą zastosowanie nie tylko poza Ziemią. Bardziej zaawansowane roboty kroczące mogą w przyszłości wejść do kopalni, stref katastrof czy budów, gdzie zbyt niebezpiecznie jest wysyłać ludzi.

Dla polskiego czytelnika istotne może być jeszcze jedno: tego typu projekty otwierają pole dla współpracy międzynarodowej, w której liczy się nie tylko sprzęt, lecz także oprogramowanie i analityka danych. Firmy oraz zespoły badawcze z naszego kraju mogą włączyć się w prace nad modułami sterowania, systemami wizyjnymi czy analizą minerałów, bez konieczności budowy całego robota od zera.