Pies‑robot szybszy niż łaziki: nowy faworyt misji na Księżyc i Marsa

Wyobraź sobie robota wielkości psa, który samodzielnie biega po marsjańskich skałach, podpełza do interesujących głazów i w kilka sekund analizuje ich skład chemiczny – bez czekania na polecenia z Ziemi. Brzmi jak science fiction? To właśnie testują inżynierowie z ETH Zurich. Ich czteronożny ANYmal w testach laboratoryjnych okazał się dwukrotnie szybszy od tradycyjnych łazików, a przy tym może dotrzeć w miejsca, gdzie żaden pojazd kołowy nie da rady. To może być przełom w planowaniu przyszłych misji na Księżyc i Marsa.

Inżynierowie testują czteronożnego robota, który po nierównym terenie porusza się znacznie szybciej niż klasyczne łaziki kołowe.

Maszyna przypominająca mechanicznego psa nie tylko biegnie po skałach, lecz także sama je bada za pomocą miniaturowych instrumentów naukowych. To może zmienić sposób planowania przyszłych misji załogowych i bezzałogowych na Księżyc i Marsa.

Mechaniczny „pies” zamiast łazika: skąd ten pomysł

Obecne łaziki marsjańskie to powolni, ale bardzo ostrożni badacze. Dziennie pokonują najwyżej kilkaset metrów, a każdy manewr wymaga akceptacji zespołu na Ziemi. Problemem jest opóźnienie sygnału: komenda może płynąć w jedną stronę nawet 22 minuty. Na Księżycu sygnał jest szybszy, za to krajobraz – pełen kraterów, stromych ścian i głębokich szczelin. Dla pojazdu na kołach to labirynt pułapek.

Dlatego naukowcy z ETH Zurich postawili na inną konstrukcję: robota kroczącego na czterech, zginanych „nogach”. Taka platforma lepiej radzi sobie z głazami, luźnym rumoszem i stromymi zboczami. Klucz nie leży jednak wyłącznie w mobilności, ale w tym, że ta maszyna potrafi działać w dużej mierze samodzielnie.

ANYmal: pies‑robot z laboratorium ETH Zurich

Robot, o którym mowa, nosi nazwę ANYmal. Ma około metr długości, porusza się na czterech stawianych krok po kroku kończynach i przypomina hybrydę psa z przemysłową maszyną. Został opracowany jako platforma do pracy w trudnym terenie: w fabrykach, tunelach, kopalniach. Teraz inżynierowie sprawdzają, jak poradzi sobie w roli zwiadowcy dla misji kosmicznych.

Dla potrzeb testów do ANYmal dołączono ramię robotyczne. Na jego końcu zamontowano dwa miniaturowe instrumenty naukowe. Dzięki nim mechaniczny pies może podpełznąć do interesującej skały, przyłożyć głowicę pomiarową i w kilka chwil przeprowadzić analizę.

Klucz tkwi w połączeniu trzech elementów: nóg pozwalających na swobodne poruszanie się, miniaturowych narzędzi badawczych i oprogramowania, które samodzielnie planuje kolejne kroki misji.

Mikroskop w kieszeni i mobilny spektrometr

Na pokładzie ANYmal znalazły się dwa uzupełniające się przyrządy:

• Mikroskopowa kamera – instrument o nazwie MICRO, który z niewielkiej odległości ogląda powierzchnię skały w takiej rozdzielczości, że da się rozróżnić pojedyncze minerały.
• Przenośny spektrometr Ramanowski – urządzenie, które „oświetla” próbkę laserem, a następnie bada rozproszoną wiązkę. Z jej widma można wywnioskować skład chemiczny materiału.

W praktyce oznacza to, że ANYmal nie musi wiercić, pakować próbek do pojemników i odsyłać ich do większego laboratorium. Zamiast tego wykonuje tzw. analizę in situ – na miejscu, bez pobierania i transportu materiału.

Testy przeprowadzono w Marslabor Uniwersytetu w Bazylei, czyli w specjalnym ośrodku, który odwzorowuje warunki panujące na powierzchni obcych planet. Zespół badawczy podał, że robot prawidłowo rozpoznał kilka rodzajów skał: gips, węglany, bazalt, dunit i anortozyt. To minerały i skały typowe dla środowisk, jakich można się spodziewać na Księżycu i Marsie.

Autonomia kontra joystick: 12 minut zamiast 41

Zespół, którym kierowała Gabriela Ligeza, obecnie związana z Europejską Agencją Kosmiczną, porównał dwa sposoby pracy z robotem. Pierwszy, bardziej tradycyjny, przypomina obsługę klasycznego łazika: naukowiec ręcznie wskazuje każdą kolejną skałę, prowadzi robota do celu, uruchamia pomiar i przechodzi do następnego punktu.

W tym trybie kompletne zadanie zajęło 41 minut. Drugi wariant wyglądał inaczej. Naukowcy podali maszynie listę kilku miejsc wartych zbadania, a oprogramowanie samo ułożyło plan trasy i zdecydowało, jak podjechać do każdego celu, by możliwie szybko zebrać dane. Robot realizował kolejne pomiary w trybie półautonomicznym.

Wyniki? Misje obejmujące kilka celów zajęły od 12 do 23 minut, zależnie od konfiguracji. Różnica wynika głównie z tego, że znika potrzeba czekania na kolejne polecenia.

W trybie półautonomicznym ten sam zestaw zadań robot wykonuje dwa do trzech razy szybciej niż przy sterowaniu krok po kroku przez człowieka.

W przypadku Marsa taki tryb pracy ma ogromne znaczenie. Czas potrzebny na drogę sygnału między planetami sprawia, że ręczne prowadzenie łazika staje się bardzo nieefektywne. Gdy pojazd sam podejmuje część decyzji – na przykład omija kamień, wybiera mniej strome podejście, czy ustala kolejność odwiedzania punktów – „martwych” minut jest po prostu mniej.

Czego takie roboty mogą szukać na Księżycu

W kontekście Księżyca priorytetem jest rozpoznanie lokalnych zasobów. Przyszłe bazy księżycowe będą potrzebować wody, metali i materiałów budowlanych znajdujących się na miejscu. Wynoszenie wszystkiego z Ziemi byłoby zbyt kosztowne.

Czteronożny robot, który potrafi sprawnie poruszać się po stromych zboczach kraterów, mógłby w krótkim czasie przygotować mapę najciekawszych z punktu widzenia inżynierów rejonów. Chodzi na przykład o:

• obszary bogate w lód wodny ukryty w zacienionych kraterach biegunowych,
• nagromadzenia rud metali przydatnych do produkcji elementów konstrukcyjnych,
• skały zawierające składniki, z których można wytwarzać beton księżycowy.

Im szybciej da się wskazać takie miejsca, tym łatwiej zaplanować budowę lądowisk, magazynów czy modułów mieszkalnych. Mechaniczny pies może przez kilka godzin „obchodzić” teren, wykonując setki pomiarów bez konieczności ciągłego kontaktu z centrum dowodzenia.

Mars i poszukiwanie śladów dawnego życia

Na Marsie nacisk przesuwa się z zasobów technicznych na zagadnienia związane z dawnym życiem. Naukowców interesują tzw. biosygnatury – delikatne chemiczne lub mineralne ślady, które wskazują, że w przeszłości w danym miejscu mogły funkcjonować mikroorganizmy.

Spektrometr Ramanowski, w który wyposażono ANYmal, świetnie nadaje się właśnie do analizy takich subtelnych śladów. Umożliwia wskazanie struktur organicznych lub specyficznych minerałów w skałach osadowych. To właśnie takie skały stanowią najlepszy zapis środowisk, gdzie mogła pojawić się woda w stanie ciekłym.

Robot kroczący może wejść w szczeliny, zagłębić się w kratery czy wejść na rumowiska, które dla klasycznego łazika pozostają praktycznie niedostępne.

W przyszłości inżynierowie rozważają tworzenie całych „stad” takich maszyn. Kilka robotów działających równocześnie może rozdzielić między siebie teren większy niż ten, który dzisiejsze łaziki badają przez lata. Jeden egzemplarz sprawdzałby na przykład dno kanionu, drugi – krawędź, a trzeci – okoliczne wzgórza.

Dlaczego nogi wygrywają z kołami w terenie wysokiego ryzyka

Konstrukcja z nogami daje przewagę w miejscach, gdzie teren jest pełen przeszkód. Koła grzęzną w piasku i łatwo blokują się między kamieniami. Robot kroczący potrafi przenieść ciężar ciała na trzy nogi i czwartą ostrożnie „wypuścić” w miejsce, gdzie ma postawić kolejny krok. Czujniki i algorytmy uczenia maszynowego pomagają ocenić stabilność podłoża.

Robot z nogami nie rozwiązuje wszystkich problemów. Taka konstrukcja jest bardziej skomplikowana mechanicznie, wymaga zaawansowanego oprogramowania stabilizującego i pochłania więcej energii. W zamian daje dostęp do miejsc, do których żaden dotychczasowy łazik nie dotarł.

Co jeszcze musi się wydarzyć, zanim taki robot trafi na orbitę

ANYmal został zaprojektowany do pracy na Ziemi, więc zanim poleci na inną planetę, inżynierowie muszą go diametralnie przerobić. Chodzi między innymi o odporność na próżnię, ogromne wahania temperatur, pył wdzierający się w każdą szczelinę, a także promieniowanie kosmiczne.

Zmian wymaga też zasilanie. Na Marsie i Księżycu panele słoneczne pracują w innych warunkach oświetleniowych, a długie noce wymuszają stosowanie akumulatorów o dużej pojemności lub zupełnie innych źródeł energii. Odpowiednio przygotowane muszą być także instrumenty naukowe, by nie uległy uszkodzeniu podczas startu rakiety czy lądowania.

Z technicznego punktu widzenia największym wyzwaniem będzie połączenie wysokiego poziomu autonomii z wymogami bezpieczeństwa. Robot musi potrafić szybko reagować na zmieniające się warunki, ale jednocześnie nie może podejmować ryzykownych decyzji, które zakończą się utratą sprzętu za setki milionów dolarów.

Jakie szanse i ryzyka wiążą się z taką wizją

Jeśli rozwój takich konstrukcji pójdzie w obecnym kierunku, pierwsze „psy‑roboty” na obcych ciałach niebieskich mogą towarzyszyć ludziom już przy kilku kolejnych misjach. Zwiadowca na czterech nogach sprawdzi teren przed lądowaniem, oceni stabilność podłoża i wskaże najbezpieczniejszą drogę dla astronautów czy cięższych pojazdów.

Dla zespołów naukowych to szansa na uzyskanie dużo bogatszego zestawu próbek: z większej liczby lokalizacji, z różnych wysokości, z trudnodostępnych zakamarków. Jednocześnie pojawia się pytanie o niezawodność. Im bardziej skomplikowana maszyna, tym więcej potencjalnych punktów awarii. Konieczne są więc lata testów w ekstremalnych warunkach ziemskich, np. na lodowcach, pustyniach wulkanicznych czy w jaskiniach lawowych.

W dłuższej perspektywie czteronożne roboty mogą stać się nie tylko narzędziem dla naukowców, lecz także „logistyką” przyszłych baz. Mogłyby przewozić niewielkie ładunki, rozstawiać czujniki, ciągnąć przewody czy nawet pomagać ludziom w sytuacjach awaryjnych. Im więcej zadań przejmą od astronautów, tym mniejsze ryzyko dla załóg, a tym większe tempo pracy na obcej powierzchni.