Το πιο επιτυχημένο αυτοκινούμενο όχημα στην ιστορία βρίσκεται αυτή τη στιγμή στον Άρη

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί το πολυτελές αυτοκίνητό σας δυσκολεύεται να παρκάρει σε ένα καλοφωτισμένο γκαράζ, ενώ μια μηχανή 140 εκατομμύρια μίλια μακριά πλοηγείται σε ένα πεδίο με βράχους χωρίς καμία ανθρώπινη βοήθεια; Αυτό το ερώτημα βρίσκεται στην καρδιά του τελευταίου οροσήμου για το rover Perseverance. Ενώ οι εταιρείες τεχνολογίας στη Γη διαφωνούν για το λογισμικό διατήρησης λωρίδας και τους αισθητήρες LIDAR, ένα ρομπότ με έξι τροχούς καταρρίπτει αθόρυβα ρεκόρ απόστασης σε έναν πλανήτη χωρίς δρόμους, χωρίς GPS και χωρίς συνεργεία επισκευής.

Το Perseverance προσεδαφίστηκε στον κρατήρα Jezero τον Φεβρουάριο του 2021. Έκτοτε, μεταμορφώθηκε από ένα επιστημονικό πείραμα στον πιο παραγωγικό ταξιδιώτη στην ιστορία της εξερεύνησης του Άρη. Το όχημα βρίσκεται σε πορεία για να ξεπεράσει το όριο των 45,16 χιλιομέτρων. Αυτή η απόσταση είναι σημαντική επειδή υπερβαίνει το ρεκόρ ζωής του rover Opportunity. Το Opportunity ήταν μια θρυλική μηχανή που επιβίωσε για σχεδόν 15 χρόνια. Το Perseverance φτάνει στο ίδιο ορόσημο σε περίπου το ένα τρίτο του χρόνου. Αυτή η αποτελεσματικότητα είναι το αποτέλεσμα μιας θεμελιώδους αλλαγής στον τρόπο που σκεφτόμαστε τα αυτόνομα μηχανήματα.

Ένας εγκέφαλος κατασκευασμένος για συνεχή κίνηση

Για να καταλάβουμε γιατί το Perseverance είναι τόσο πιο γρήγορο από τους προκατόχους του, πρέπει να κοιτάξουμε κάτω από το καπό την επεξεργαστική του ισχύ. Ο Steven Lee είναι ο διευθυντής του έργου για το rover Perseverance στο Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA. Σημειώνει ότι ο κύριος μοχλός αυτής της επιτυχίας είναι το σύστημα αυτόματης πλοήγησης. Στη Γη, τα αυτοκινούμενα αυτοκίνητα βασίζονται σε τεράστιους διακομιστές cloud και προφορτωμένους χάρτες υψηλής ευκρίνειας. Το Perseverance δεν έχει τίποτα από αυτά. Πρέπει να λαμβάνει αποφάσεις σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας το δικό του ενσωματωμένο υλικό.

Το rover διαθέτει μια σειρά από εξελιγμένες κάμερες που καταγράφουν το έδαφος μπροστά. Στη συνέχεια, αλγόριθμοι επεξεργάζονται αυτές τις εικόνες για να βρουν μια ασφαλή διαδρομή μέσα από κινδύνους όπως οδοντωτοί βράχοι και λάκκοι με μαλακή άμμο. Αυτό ακούγεται απλό, αλλά η απαίτηση επεξεργασίας είναι τεράστια. Κάθε δευτερόλεπτο που το rover ξοδεύει σκεπτόμενο είναι ένα δευτερόλεπτο που δεν κινείται. Για τις προηγούμενες γενιές rover, αυτός ο χρόνος σκέψης ήταν ένα σημαντικό εμπόδιο. Το Perseverance το λύνει αυτό χρησιμοποιώντας ένα ειδικό Vision Compute Element. Αυτό το υλικό επιτρέπει στο rover να επεξεργάζεται εικόνες και να σχεδιάζει τη διαδρομή του ενώ οι τροχοί του γυρίζουν ακόμα.

Με απλά λόγια, τα προηγούμενα rover ήταν σαν ένας πεζοπόρος που πρέπει να σταματά και να κοιτάζει έναν χάρτινο χάρτη κάθε δέκα βήματα. Το Perseverance είναι σαν ένας πεζοπόρος που μπορεί να ελέγχει το τηλέφωνό του ενώ συνεχίζει να περπατά. Αυτή η ικανότητα να σκέφτεται και να κινείται ταυτόχρονα είναι ο λόγος που το 90 τοις εκατό της συνολικής απόστασης του rover είναι πλέον αυτόνομο. Δεν περιμένει πλέον έναν ανθρώπινο πιλότο στη Γη να στείλει ένα συγκεκριμένο σύνολο οδηγιών οδήγησης για κάθε μέτρο ταξιδιού.

Ξεπερνώντας τους περιορισμούς της δεκαετίας του ενενήντα

Κοιτάζοντας τη συνολική εικόνα, το άλμα στην απόδοση είναι ένα κλασικό παράδειγμα του πώς ο νόμος του Moore φτάνει τελικά στον εξειδικευμένο κόσμο της εξερεύνησης του διαστήματος. Το rover Curiosity είναι ουσιαστικά δίδυμο με το Perseverance σε μέγεθος και σχήμα. Ωστόσο, το Curiosity είναι πολύ πιο αργό. Μόνο το 10 τοις εκατό περίπου της οδήγησής του είναι αυτόνομο. Ο λόγος για αυτό το κενό είναι η ηλικία του υπολογιστή του. Το Curiosity εκτοξεύτηκε το 2011 με ένα chipset που είχε τις ρίζες του στα τέλη της δεκαετίας του 1990.

Το υλικό που είναι πιστοποιημένο για το διάστημα είναι διαβόητα αργό επειδή πρέπει να είναι θωρακισμένο έναντι της έντονης ακτινοβολίας. Αυτή η διαδικασία σκλήρυνσης σημαίνει συχνά τη χρήση παλαιότερων, πιο σταθερών σχεδίων αντί για τα τελευταία τσιπ καταναλωτών. Ο υπολογιστής του Curiosity είναι τόσο αργός που δεν μπορεί να οδηγήσει και να επεξεργαστεί εικόνες ταυτόχρονα. Πρέπει να σταματήσει, να βγάλει μια φωτογραφία, να ξοδέψει αρκετά λεπτά υπολογίζοντας τα επόμενα λίγα μέτρα και μετά να κινηθεί. Αυτός ο κύκλος καθιστά το ταξίδι μεγάλων αποστάσεων μια κουραστική διαδικασία. Σε πάνω από 15 χρόνια στον Άρη, το Curiosity έχει καλύψει περίπου 38,6 χιλιόμετρα. Το Perseverance ξεπερνά αυτό το όριο σε ένα κλάσμα του χρόνου, επειδή το (ελαφρώς) πιο σύγχρονο υλικό του είναι επιτέλους αρκετά γρήγορο για να συμβαδίζει με τους τροχούς του.

Ακόμα και με αυτή την ταχύτητα, το rover δεν είναι ακριβώς αγωνιστικό. Η μέγιστη ταχύτητα των τροχών του είναι περίπου 150 μέτρα την ώρα. Για έναν άνθρωπο, αυτό είναι ένα πολύ αργό σύρσιμο. Αλλά για ένα ρομπότ σε έναν άλλο πλανήτη, αυτή η συνεχής, σταθερή πρόοδος αλλάζει τα δεδομένα για την επιστήμη.

Γιατί η συνεχής κίνηση αλλάζει την επιστήμη

Η Vivian Sun είναι η αναπληρώτρια επιστήμονας του έργου για την αποστολή. Εξηγεί ότι αυτή η ικανότητα οδήγησης είναι ένας πολλαπλασιαστής ισχύος για την έρευνά τους. Όταν ένα rover μπορεί να κινηθεί γρηγορότερα, οι επιστήμονες μπορούν να ονειρεύονται μεγαλύτερα πράγματα. Σε προηγούμενες αποστολές, ένα μακρινό γεωλογικό χαρακτηριστικό μπορεί να θεωρούνταν απρόσιτο επειδή θα χρειαζόταν μήνες ή χρόνια για να φτάσει κανείς εκεί. Με το Perseverance, αυτοί οι μακρινοί στόχοι βρίσκονται πλέον σε μια λογική απόσταση μετακίνησης.

Το Perseverance εξερευνά επί του παρόντος τον κρατήρα Jezero. Αυτή η τοποθεσία είναι ένα χρυσωρυχείο για τους γεωλόγους επειδή περιέχει μερικά από τα παλαιότερα πετρώματα στο ηλιακό σύστημα. Αυτά τα πετρώματα είναι σχεδόν 4 δισεκατομμυρίων ετών. Χρονολογούνται από μια εποχή που οι εσωτερικοί πλανήτες βρίσκονταν ακόμη υπό σφοδρό βομβαρδισμό αστεροειδών. Στη Γη, οι τεκτονικές πλάκες και ο καιρός έχουν καταστρέψει σχεδόν όλα τα πετρώματα αυτής της εποχής. Στον Άρη, απλά κάθονται στην επιφάνεια.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτή η περιοχή ήταν κάποτε μια τεράστια λίμνη με ένα δέλτα ποταμού. Εάν υπήρξε ποτέ ζωή στον Άρη, εδώ θα βρίσκονταν οι αποδείξεις. Η ικανότητα του rover να περιηγείται από τη μία τοποθεσία στην άλλη επέτρεψε στην ομάδα να ερευνήσει περισσότερο έδαφος αυτοπροσώπως από οποιαδήποτε προηγούμενη αποστολή. Το ρομπότ φτάνει συχνά σε νέες τοποθεσίες μελέτης νωρίτερα από το χρονοδιάγραμμα. Αυτό δίνει στην ομάδα περισσότερο χρόνο για να τρυπήσει δείγματα πυρήνα και να αναλύσει τη χημεία του εδάφους.

Επανασχεδιασμός του τροχού για έναν μαραθώνιο

Η ταχύτητα και η ευφυΐα είναι άχρηστες εάν το όχημα διαλυθεί. Ένα από τα πιο κοινά σημεία αστοχίας για τα rover του Άρη είναι οι τροχοί. Ο Άρης είναι καλυμμένος με αιχμηρά, ηφαιστειακά πετρώματα που δρουν σαν μαχαίρια ενάντια στο λεπτό αλουμίνιο. Μετά από μερικά χρόνια στον πλανήτη, οι τροχοί του Curiosity άρχισαν να εμφανίζουν σημαντικές τρύπες και σκισίματα. Αυτή η ζημιά ανάγκασε τους χειριστές να οδηγούν πιο προσεκτικά και να αποφεύγουν ορισμένους τύπους εδάφους.

Για το Perseverance, οι μηχανικοί επέστρεψαν στο σχεδιαστήριο. Επανασχεδίασαν το μοτίβο του πέλματος και αύξησαν το πάχος του αλουμινίου. Μέχρι στιγμής, τα αποτελέσματα είναι εξαιρετικά. Δεν υπάρχουν σημάδια φθοράς που ταλαιπώρησαν την προηγούμενη γενιά. Η ομάδα εργάζεται επίσης για την πιστοποίηση των ενεργοποιητών των τροχών — των κινητήρων που γυρίζουν τους τροχούς — για τουλάχιστον 100 χιλιόμετρα ταξιδιού.

Το rover είναι επίσης δεξιοτέχνης στη διαχείριση πόρων. Λειτουργεί με μια Θερμοηλεκτρική Γεννήτρια Ραδιοϊσοτόπων Πολλαπλών Αποστολών. Αυτή η συσκευή μετατρέπει τη θερμότητα από τη διάσπαση του πλουτωνίου σε ηλεκτρική ενέργεια. Δεν βασίζεται σε ηλιακούς συλλέκτες, επομένως δεν χρειάζεται να ανησυχεί για αμμοθύελλες ή την αλλαγή των εποχών. Δεν έχει λιπαντικά ή αναλώσιμα που μπορεί να εξαντληθούν. Είναι ένας αυτόνομος, πυρηνοκίνητος ανιχνευτής που είναι κατασκευασμένος για να διαρκέσει δεκαετίες.

Τι σημαίνει αυτό για τους οδηγούς στη Γη

Πρακτικά μιλώντας, η επιτυχία του Perseverance παρέχει ένα προσχέδιο για την αυτονομία σε δύσκολα περιβάλλοντα. Το μεγαλύτερο μέρος της προόδου μας στην τεχνολογία αυτοοδήγησης στη Γη επικεντρώνεται σε πολύ δομημένα περιβάλλοντα όπως αυτοκινητόδρομοι και δρόμοι πόλεων. Υποθέτουμε ότι θα υπάρχουν σαφείς γραμμές στο δρόμο και ένας αξιόπιστος χάρτης στο cloud. Το Perseverance αποδεικνύει ότι μπορούμε να κατασκευάσουμε συστήματα που λειτουργούν απουσία όλης αυτής της υποδομής.

Αυτή η τεχνολογία έχει απτά οφέλη για βιομηχανίες όπως η εξόρυξη, η γεωργία και η έρευνα και διάσωση. Σε ένα ορυχείο που έχει καταρρεύσει ή σε μια απομακρυσμένη φάρμα, δεν υπάρχει internet υψηλής ταχύτητας και το έδαφος αλλάζει κάθε μέρα. Η λογική που χρησιμοποιείται από το Vision Compute Element — όπου το όχημα αισθάνεται και κινείται σε έναν συνεχή βρόχο — είναι ακριβώς αυτό που χρειάζονται αυτές οι βιομηχανίες. Μας απομακρύνει από την εξάρτηση από το cloud και μας οδηγεί προς το edge computing, όπου η μηχανή είναι αρκετά έξυπνη ώστε να χειρίζεται τα δικά της προβλήματα.

Τελικά, η πορεία του Perseverance που σπάει ρεκόρ αφορά κάτι περισσότερο από έναν αριθμό απόστασης σε ένα υπολογιστικό φύλλο. Είναι μια αλλαγή στη φιλοσοφία της ρομποτικής. Μετακινούμαστε από μηχανές που είναι τηλεκατευθυνόμενες μαριονέτες σε μηχανές που είναι πραγματικοί συνεργάτες στην εξερεύνηση. Καθώς το rover συνεχίζει να σκαρφαλώνει στον κρατήρα Jezero, μας διδάσκει πώς να κατασκευάζουμε πιο ανθεκτικά, ανεξάρτητα και χρήσιμα εργαλεία για τη δική μας ζωή.

Πίσω από την ορολογία των ενεργοποιητών και των στοιχείων όρασης, το μάθημα είναι απλό. Ο πιο αξιόπιστος τρόπος για να πλοηγηθείτε σε έναν ακατάστατο, απρόβλεπτο κόσμο είναι να έχετε το υλικό για να σκέφτεστε γρήγορα. Είτε βρίσκεστε στην επιφάνεια του Άρη είτε σε ένα εργοτάξιο στο Mojave, ο στόχος είναι ο ίδιος. Η επιτυχία βρίσκεται στην ικανότητα να συνεχίζεις να κινείσαι προς τα εμπρός ενώ ο κόσμος αλλάζει γύρω σου.

Πηγές

• NASA Jet Propulsion Laboratory mission status reports
• Perseverance rover technical specifications for the Mars 2020 mission
• Interviews with project manager Steven Lee and scientist Vivian Sun
• Historical performance data for the Curiosity and Opportunity rovers