Czteronożny robot szybszy niż łaziki. Nowy kandydat do misji na Księżyc i Marsa

Laboratoryjny „pies” na metalowych nogach porusza się po kamienistym terenie szybciej niż klasyczne łaziki i sam analizuje skały.

Ten czteronożny robot, opracowany na uczelni ETH Zurich, łączy zwinność zwierzęcia z precyzją przenośnego laboratorium. Naukowcy sprawdzają, czy właśnie takie maszyny przejmą kiedyś rolę głównych zwiadowców na Księżycu i Marsie.

Dlaczego łaziki marsjańskie są tak wolne

Obecne łaziki na Marsie potrafią przejechać w ciągu dnia najwyżej kilkaset metrów. Nie dlatego, że brakuje im mocy, lecz przez gigantyczne opóźnienia w komunikacji z Ziemią. Sygnał radiowy w jedną stronę leci od 4 do nawet 22 minut, więc każda decyzja wymaga cierpliwego czekania.

Na Srebrnym Globie sytuacja wygląda inaczej, bo dystans jest mniejszy, ale tam z kolei problemem staje się bardzo pofałdowana, pełna kraterów i głazów powierzchnia. Klasyczny pojazd na kołach łatwo się zakopie lub utknie w szczelinie. Właśnie w takich miejscach czteronożny robot zaczyna błyszczeć.

Robot o konstrukcji przypominającej psa przechodzi przez rumowiska skalne i strome zbocza, gdzie klasyczny łazik musiałby się zatrzymać lub szukać długiego objazdu.

ANYmal – „pies” z kamerą mikroskopową i spektrometrem

Maszyna, o którą tyle zamieszania, nosi nazwę ANYmal. Opracowano ją na ETH Zurich jako uniwersalną platformę badawczą. Robot ma około metra długości, cztery w pełni ruchome nogi i potrafi utrzymać równowagę na naprawdę nierównym podłożu.

Do testów związanych z misjami kosmicznymi naukowcy dołożyli mu ramię z dwoma miniaturowymi instrumentami naukowymi:

• kamerą mikroskopową MICRO do badań struktury powierzchni skał,
• przenośnym spektrometrem Raman do analizy składu chemicznego.

Kamera przybliża skały tak bardzo, że badacze rozróżniają poszczególne minerały i ich teksturę. Spektrometr Raman z kolei oświetla próbkę laserem i „czyta” z rozproszonego światła informację o jej budowie chemicznej. Całość działa jak mobilne laboratorium geologiczne bez konieczności pobierania i transportu materiału.

Testy przeprowadzono w specjalnym laboratorium Marsa na Uniwersytecie w Bazylei. To miejsce odtwarza warunki panujące na innych planetach: rodzaj gruntu, ukształtowanie terenu, a nawet skład skał. ANYmal bez problemu rozpoznał m.in. gips, węglany, bazalt, dunity i anortozyt – typy skał ważne dla geologów planetarnych.

Autonomia kontra pilot z Ziemi: 12 minut vs 41 minut

Zespół kierowany przez Gabrielę Ligezę porównał dwa sposoby pracy robota. W pierwszym scenariuszu naukowiec krok po kroku prowadził robota do jednej skały, zlecał pomiary, a potem przełączał się na kolejną. Ta metoda pochłonęła 41 minut na pełny zestaw analiz.

Drugi scenariusz wyglądał inaczej: operator wskazał kilka punktów, a maszyna sama zaplanowała trasę i wykonywała kolejne pomiary bez oczekiwania na instrukcje pomiędzy nimi. W takim trybie misje zajmowały od 12 do 23 minut.

Tryb półautonomiczny pozwolił wykonać tę samą pracę dwa–trzy razy szybciej niż przy pełnym prowadzeniu z zewnątrz, głównie dzięki wyeliminowaniu „pustych” chwil na komunikację.

W praktyce oznacza to ogromną oszczędność czasu podczas prawdziwej misji międzyplanetarnej. Każde opóźnienie w przesyłaniu komend z Ziemi na Marsa lub Księżyc znika, gdy robot sam podejmuje proste decyzje: który kamień zbadać najpierw, jak ominąć przeszkodę, gdzie ustawić ramię pomiarowe.

Księżyc jako poligon do poszukiwania surowców

Dla przyszłych baz księżycowych kluczowe będą lokalne surowce. Inżynierowie liczą na wodę uwięzioną w lodzie w rejonach polarnych, na metale i minerały nadające się do druku elementów konstrukcyjnych. Zanim jednak ktoś zbuduje tam kopalnię lub habitat, trzeba dobrze poznać okolicę.

Robot podobny do ANYmal mógłby szybko przeczesać dno krateru, zaznaczyć miejsca o najciekawszym składzie i wskazać rejony, gdzie warto wysłać ludzi lub bardziej skomplikowany sprzęt. Dzięki nogom bez trudu wejdzie na strome, oświetlone słońcem zbocza, do których łazik na kołach nie ma dostępu.

Mars i poszukiwanie śladów dawnego życia

Na Czerwonej Planecie priorytety są trochę inne. Największe nadzieje naukowcy wiążą nie z rudami metali, lecz z tak zwanymi biosygnaturami – wzorami chemicznymi i mineralnymi, które mogłyby sugerować, że kiedyś istniały tam mikroorganizmy.

Spektrometr Raman zamontowany na ANYmal świetnie pasuje do tego zadania. Tego typu urządzenia potrafią wykrywać charakterystyczne układy cząsteczek w skałach osadowych, w których mogły się zachować ślady dawnego życia. Robot mógłby obchodzić rozległe pola głazów, zatrzymywać się tylko przy najbardziej obiecujących okazach i od razu wykonywać pomiary.

Szybkie przechodzenie od skały do skały i natychmiastowa analiza na miejscu zwiększają szansę, że w ograniczonym czasie misji uda się trafić na naprawdę wyjątkowy fragment terenu.

Inne zespoły badawcze pracują równolegle nad całymi grupami takich maszyn. Zbiorowisko kilku czy kilkunastu niewielkich „piesków” mogłoby rozdzielić między sobą obszar o promieniu wielu kilometrów, a potem wymieniać się informacjami niczym stado dronów.

Jak zmienia się filozofia misji planetarnych

Wraz z rosnącą autonomią robotów rośnie też rola oprogramowania. Naukowcy muszą z wyprzedzeniem zdefiniować, jakie skały są interesujące, jakie parametry mają skłonić maszynę do zatrzymania się lub do zmiany trasy. Coraz mniej decyzji zapada w centrum kontroli, a coraz więcej na poziomie elektroniki pokładowej.

Dla agencji kosmicznych oznacza to nowe wyzwania. Trzeba przygotować systemy odporne na błędy i nieprzewidywalne sytuacje, bo gdy robot zacznie działać „na własną rękę”, margines pomyłki się kurczy. Jednocześnie taka zmiana pozwala znacznie lepiej wykorzystać drogi czas misji i energię słoneczną.

Co to znaczy „półautonomiczny” robot terenowy

W przypadku ANYmal nie chodzi o pełną samodzielność. Człowiek nadal decyduje o ogólnych celach wyprawy, wybiera region, ustala listę priorytetów. Półautonomia polega na tym, że robot sam:

• planuje szczegółową trasę między wskazanymi punktami,
• omija przeszkody widziane przez swoje czujniki,
• koryguje ustawienie ramienia z instrumentami,
• zarządza kolejnością pomiarów, uwzględniając zużycie energii.

Dla laika taka maszyna może wyglądać jak zwykły „pies-robot”, ale w środku pracują złożone algorytmy analizy obrazu, systemy równowagi i moduły decyzyjne. To ta niewidoczna warstwa oprogramowania przesądza, czy robot będzie jedynie zdalnie sterowaną platformą, czy też faktycznym partnerem naukowców.

Jakie są ryzyka i szanse związane z „psami” na innych planetach

Robot kroczący jest konstrukcyjnie bardziej złożony niż pojazd na kołach. Każda noga to kilka silników, przegubów i czujników, które mogą ulec awarii. Projektanci muszą więc godzić się z większą liczbą elementów narażonych na uszkodzenia, za to zyskują dostęp do miejsc wcześniej zamkniętych dla łazików.

Z perspektywy misji załogowych taki „pies” mógłby pełnić rolę zwiadowcy i pomocnika. Najpierw sprawdza teren, wskazuje niebezpieczeństwa i cenne złoża, później może nosić sprzęt lub pełnić funkcję ruchomego laboratorium tuż obok astronauty. Im lepiej przetestuje się te rozwiązania w warunkach laboratoryjnych, tym łatwiej będzie je kiedyś wysłać na Księżyc lub Marsa.

Dziś ANYmal bada sztuczne marsjańskie krajobrazy w Szwajcarii, ale kierunek jest jasny: szybsze, zwinne roboty z własną „inicjatywą” terenową mogą narzucić nowe tempo pracy na obcych globach. A to bezpośrednio przełoży się na to, ile dowiemy się o historii sąsiednich planet i ich szansach na dawne lub obecne życie.