Pies-robot szybszy niż łaziki: nowy sposób na badanie Księżyca i Marsa

Nowy pies-robot z europejskiego laboratorium porusza się po skałach tak sprawnie, że klasyczne łaziki zaczynają wyglądać na ociężałe dinozaury.

Maszyna o nazwie ANYmal, wyposażona w miniaturowe laboratorium na pokładzie, testowo przeszła przez teren przypominający powierzchnię Marsa. W tym samym czasie, w którym sterowany przez człowieka robot ledwo zdążył zbadać jeden punkt, ten mechaniczny „pies” spokojnie obsłużył kilka celów naraz.

Dlaczego kosmiczne łaziki poruszają się tak wolno

Łaziki na Marsie, choć robią wrażenie na zdjęciach, w praktyce suną w tempie spaceru bardzo ostrożnego emeryta. Każdego dnia pokonują zwykle najwyżej kilkaset metrów. Nie wynika to z braku mocy, tylko z ograniczeń komunikacji między Ziemią a Czerwoną Planetą.

Sygnał radiowy leci między planetami od 4 do nawet 22 minut w jedną stronę. Gdy operatorzy wysyłają z Ziemi polecenie „jedź naprzód, skręć, zatrzymaj się, zbadaj skałę”, robot czeka, potem odpowiada, a zespół znów analizuje dane i dopiero potem planuje kolejny krok. Cały proces zamienia się w męczący ping-pong, który skutecznie spowalnia prace.

Na Księżycu opóźnienia są znacznie krótsze, ale tam z kolei przeszkadzają inne problemy: teren pełen kraterów, strome krawędzie, luźny regolit, gwałtowne różnice temperatur. Koła łazików mają ograniczoną zdolność wspinania się po rumowisku skalnym i łatwo utknąć w miękkim podłożu. Stąd coraz większe zainteresowanie konstrukcjami kroczącymi, które lepiej radzą sobie w takim chaosie.

ANYmal – mechaniczny „pies” z wbudowanym laboratorium geologicznym

Robot ANYmal powstał na ETH Zurich jako mobilna platforma o czterech nogach. Ma około metr długości, a jego sylwetka rzeczywiście przypomina psa-robota znanego z filmów i filmików z sieci. Klucz tkwi nie w samych nogach, ale w tym, co inżynierowie do niego dołożyli na potrzeby badań księżycowo-marsjańskich.

Do korpusu przymocowano ramię robotyczne niosące dwa miniaturowe instrumenty naukowe. Ta kombinacja zmienia ANYmal z „ładnie chodzącej zabawki” w prawdziwego geologa terenowego na czterech nogach.

ANYmal potrafi sam podejść do skały, przyłożyć do niej instrumenty i w kilka chwil ustalić, z czego się składa – bez pobierania próbek i bez wożenia ich do innego laboratorium.

Mikroskop, który widzi minerały gołym okiem techniki

Pierwszy instrument, o nazwie MICRO, to bardzo kompaktowa kamera mikroskopowa. Pozwala oglądać powierzchnię skał w powiększeniu wystarczającym, by rozróżnić struktury i ziarna poszczególnych minerałów. Dla geologów to coś jak lupa i mikroskop w jednym, tylko że przymocowane do zwinnego robota, a nie stojące spokojnie na stole.

Dzięki temu ANYmal nie tylko patrzy na skałę z daleka, ale może „przykucnąć” obok niej i zebrać obraz w skali, która naprawdę mówi coś o historii danego fragmentu terenu – na przykład czy skała powstawała w obecności wody.

Spektrometr Raman – chemia prosto z powierzchni skały

Drugie narzędzie to przenośny spektrometr Raman. W uproszczeniu: urządzenie wysyła laser na skałę, a następnie analizuje rozproszoną wiązkę światła. Na podstawie tego, jak fotony „odbijają się” od cząsteczek, można wywnioskować skład chemiczny badanej próbki.

Taka metoda świetnie nadaje się do:

• rozróżniania minerałów o podobnym wyglądzie,
• wyszukiwania związków związanych z obecnością wody,
• polowania na tzw. biosygnatury – ślady procesów biologicznych zapisane w skałach.

W testach w laboratorium imitującym warunki marsjańskie ANYmal rozpoznał m.in. gips, różne węglany, bazalt, dunity i anortozyt. To minerały typowe dla skał wulkanicznych i osadowych, które mają znaczenie zarówno dla geologii, jak i dla poszukiwań dawnego środowiska sprzyjającego życiu.

Autonomiczny robot kontra człowiek z joystickiem

Zespół kierowany przez Gabrielę Ligezę, obecną pracowniczkę Europejskiej Agencji Kosmicznej, sprawdził, jak wypada sterowanie ANYmalem ręcznie, a jak w trybie półautonomicznym. Różnica czasowa okazała się uderzająca.

W pierwszym scenariuszu badacz prowadził maszynę do jednej skały, konfigurował pomiary, czekał na rezultaty, analizował, a dopiero potem wskazywał kolejną lokalizację. W drugim przypadku robot dostał listę punktów do odwiedzenia i samodzielnie wybierał trasę oraz wykonywał pełen zestaw analiz w każdym z nich.

Przy takim podejściu ANYmal wykonał zbliżony zakres pracy od dwóch do trzech razy szybciej niż przy ciągłym nadzorze człowieka.

Źródłem zysku nie była wyłącznie lepsza prędkość chodzenia, ale przede wszystkim brak „pustych przebiegów” komunikacyjnych. Gdyby podobny system zastosować na Marsie, ograniczyłby liczbę komend wysyłanych z Ziemi i pozwolił robotowi na miejscu podejmować szereg drobnych decyzji bez czekania na instrukcje.

Księżyc: szybka mapa surowców dla przyszłych baz

Na Srebrnym Globie najważniejsze będzie rozpoznanie zasobów. Przyszłe stacje badawcze i potencjalne osady potrzebują wody, metali oraz materiałów budowlanych dostępnych w pobliżu. Transport wszystkiego z Ziemi jest ekonomicznie nie do obrony.

Robot kroczący z pakietem instrumentów, takich jak MICRO i spektrometr Raman, mógłby w krótkim czasie wykonać gęstą siatkę pomiarów w obrębie jednego krateru, zamiast powolnego przesuwania klasycznego łazika. Szczególnie interesujące są okolice biegunów, gdzie w zacienionych miejscach lodowe depozyty prawdopodobnie zalegają od milionów lat.

Nogi dają ANYmalowi przewagę tam, gdzie koła nie mają czego szukać: na stromych zboczach, w polach większych głazów, w pobliżu krawędzi kraterów. Zyskuje się dostęp do skał, które dotąd były poza zasięgiem elektroniki.

Mars: poszukiwanie chemicznych śladów dawnego życia

Na Czerwonej Planecie priorytety są trochę inne. Tam największe emocje budzi pytanie, czy w przeszłości istniały mikroorganizmy, a może w jakichś niszach wciąż przetrwały. Dowody na to mogą pozostać w skałach osadowych w postaci specyficznych minerałów lub związków organicznych.

Spektrometr Raman, którym dysponuje ANYmal, nadaje się właśnie do namierzania takich chemicznych wskazówek. Jeśli robot natknie się na skałę, której skład pasuje do dawnego środowiska bogatego w wodę, od razu może dokładniej ją przeskanować, zamiast ślepo jechać według wstępnie ustalonej trasy.

Równolegle inżynierowie na całym świecie projektują całe roje małych robotów kroczących. Każdy z nich może obsłużyć niewielki fragment terenu, ale w grupie tworzą sieć czujników rozciągniętą na dziesiątki kilometrów kwadratowych. Doświadczenia z ANYmalem sugerują, że połączenie nóg, miniaturowej aparatury oraz oprogramowania podejmującego część decyzji samodzielnie może znacząco przyspieszyć tempo badań w kolejnych dekadach.

Od laboratoriów do realnych misji kosmicznych

Na razie ANYmal działa w kontrolowanych warunkach – w halach i poligonach imitujących marsjańskie i księżycowe krajobrazy. Zanim trafi na rakietę, trzeba rozwiązać kilka trudnych problemów. Chodzi m.in. o odporność na drgania startu, próżnię, drastyczne zmiany temperatury, promieniowanie kosmiczne czy drobny pył wnikający w mechanizmy.

Inżynierowie muszą też ograniczyć zużycie energii. Chodzenie na nogach jest dla robota bardziej „męczące” niż jazda na kołach, więc każdy wat ma znaczenie. Z drugiej strony, jeśli taka maszyna dzięki swojej sprawności w terenie w krótkim czasie zbada większy obszar niż powolny łazik, bilans energetyczny nadal może wyjść korzystnie.

Co taki pies-robot zmieni w praktyce

Wprowadzenie kroczących robotów do misji księżycowych i marsjańskich może przynieść kilka wymiernych korzyści:

• szybsze zbieranie danych geologicznych na większym obszarze,
• lepszy dostęp do trudnych lokalizacji, np. stromych ścian kraterów,
• zmniejszenie obciążenia zespołów na Ziemi ciągłym nadzorem nad każdym ruchem łazika,
• większą elastyczność misji – możliwość reagowania na niespodziewane znaleziska na miejscu.

Dla przyszłych mieszkańców Księżyca taka technika oznacza szybsze rozpoznanie okolicy bazy i bardziej świadome planowanie infrastruktury. Dla badaczy Marsa – większą szansę, że w gąszczu skał nie umknie im skała zawierająca subtelne ślady dawnego życia.

W praktyce to kolejny krok w stronę robotów, które nie wymagają prowadzenia za rękę. Zamiast wydawać im dziesiątki mikrokomend, inżynierowie mogą powiedzieć: „tu masz interesujący obszar, zrób z nim porządną analizę” – a resztę pracy wykona inteligentny pies-robot, który sam wybierze optymalną trasę między głazami i sam dobierze parametry pomiarów.