L'auto a guida autonoma di maggior successo nella storia si trova attualmente su Marte

Vi siete mai chiesti perché la vostra auto di lusso fatichi a parcheggiare in un garage ben illuminato mentre una macchina a 225 milioni di chilometri di distanza naviga in un campo di massi senza alcun aiuto umano? Questa domanda è al centro dell'ultimo traguardo del rover Perseverance. Mentre le aziende tecnologiche sulla Terra discutono di software per il mantenimento della corsia e sensori LIDAR, un robot a sei ruote sta silenziosamente stabilendo record di distanza su un pianeta senza strade, senza GPS e senza officine di riparazione.

Perseverance è atterrato nel Cratere Jezero nel febbraio 2021. Da allora, si è trasformato da esperimento scientifico nel viaggiatore più prolifico nella storia dell'esplorazione di Marte. Il veicolo è sulla buona strada per superare la soglia dei 45,16 chilometri. Questa distanza è significativa perché supera il record di durata del rover Opportunity. Opportunity era una macchina leggendaria che sopravvisse per quasi 15 anni. Perseverance sta raggiungendo lo stesso traguardo in circa un terzo del tempo. Questa efficienza è il risultato di un cambiamento fondamentale nel modo in cui pensiamo ai macchinari autonomi.

Un cervello costruito per il movimento costante

Per capire perché Perseverance sia così tanto più veloce dei suoi predecessori, dobbiamo guardare sotto il cofano alla sua potenza di calcolo. Steven Lee è il project manager per il rover Perseverance presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA. Egli osserva che il principale motore di questo successo è il sistema di auto-navigazione. Sulla Terra, le auto a guida autonoma si affidano a enormi server cloud e mappe ad alta definizione precaricate. Perseverance non ha nulla di tutto ciò. Deve prendere decisioni in tempo reale utilizzando il proprio hardware di bordo.

Il rover dispone di una suite di telecamere sofisticate che catturano il terreno circostante. Gli algoritmi elaborano quindi queste immagini per trovare un percorso sicuro tra pericoli come rocce appuntite e pozze di sabbia soffice. Sembra semplice, ma il requisito di elaborazione è immenso. Ogni secondo che il rover trascorre a pensare è un secondo in cui non si muove. Per le precedenti generazioni di rover, questo tempo di riflessione rappresentava un importante collo di bottiglia. Perseverance risolve il problema utilizzando un Vision Compute Element dedicato. Questo hardware consente al rover di elaborare le immagini e pianificare il percorso mentre le ruote sono ancora in movimento.

In termini quotidiani, i rover precedenti erano come un escursionista che deve fermarsi a guardare una mappa cartacea ogni dieci passi. Perseverance è come un escursionista che può controllare il telefono mentre continua a camminare. Questa capacità di pensare e muoversi allo stesso tempo è il motivo per cui il 90 percento della distanza totale del rover è ora percorsa in autonomia. Non aspetta più che un pilota umano sulla Terra invii un set specifico di istruzioni di guida per ogni metro di viaggio.

Superare i limiti degli anni novanta

Guardando il quadro generale, il salto di prestazioni è un classico esempio di come la Legge di Moore finisca per colpire il mondo specializzato dell'esplorazione spaziale. Il rover Curiosity è essenzialmente un gemello di Perseverance per dimensioni e forma. Tuttavia, Curiosity è molto più lento. Solo il 10 percento circa della sua guida è autonoma. La ragione di questo divario è l'età del suo computer. Curiosity è stato lanciato nel 2011 con un chipset che affondava le sue radici alla fine degli anni '90.

L'hardware certificato per lo spazio è notoriamente lento perché deve essere schermato contro le intense radiazioni. Questo processo di indurimento spesso significa utilizzare design più vecchi e stabili piuttosto che i più recenti chip di consumo. Il computer di Curiosity è così lento che non può guidare ed elaborare immagini simultaneamente. Deve fermarsi, scattare una foto, trascorrere diversi minuti a calcolare i metri successivi e poi muoversi. Questo ciclo rende i viaggi a lunga distanza un processo noioso. In oltre 15 anni su Marte, Curiosity ha coperto circa 38,6 chilometri. Perseverance sta superando quel traguardo in una frazione del tempo perché il suo hardware (leggermente) più moderno è finalmente abbastanza veloce da stare al passo con le sue ruote.

Anche con questa velocità, il rover non è esattamente un corridore. La sua velocità massima delle ruote è di circa 150 metri all'ora. Per un essere umano, si tratta di un'andatura molto lenta. Ma per un robot su un altro pianeta, questo progresso costante e regolare rappresenta una svolta per la scienza.

Perché il movimento costante cambia la scienza

Vivian Sun è la vice scienziata del progetto per la missione. Spiega che questa capacità di guida è un moltiplicatore di forza per la loro ricerca. Quando un rover può muoversi più velocemente, gli scienziati possono sognare in grande. Nelle missioni precedenti, una caratteristica geologica distante poteva essere considerata fuori portata perché ci sarebbero voluti mesi o anni per arrivarci. Con Perseverance, quegli obiettivi lontani sono ora a una distanza di percorrenza ragionevole.

Perseverance sta attualmente esplorando il Cratere Jezero. Questo sito è una miniera d'oro per i geologi perché contiene alcune delle rocce più antiche del sistema solare. Queste rocce hanno quasi 4 miliardi di anni. Risalgono a un'epoca in cui i pianeti interni erano ancora sotto un pesante bombardamento di asteroidi. Sulla Terra, la tettonica a placche e gli agenti atmosferici hanno distrutto quasi tutte le rocce di quell'era. Su Marte, si trovano semplicemente sulla superficie.

Gli scienziati credono che quest'area fosse un tempo un enorme lago con un delta fluviale. Se mai è esistita la vita su Marte, è qui che si troverebbero le prove. La capacità del rover di spostarsi da un sito all'altro ha permesso al team di studiare di persona più terreno rispetto a qualsiasi missione precedente. Il robot arriva spesso nei nuovi siti di studio in anticipo sulla tabella di marcia. Ciò garantisce al team più tempo per perforare campioni e analizzare la chimica del suolo.

Riprogettare la ruota per una maratona

Velocità e intelligenza sono inutili se il veicolo cade a pezzi. Uno dei punti di rottura più comuni per i rover marziani sono le ruote. Marte è coperto di rocce vulcaniche taglienti che agiscono come coltelli contro il sottile alluminio. Dopo alcuni anni sul pianeta, le ruote di Curiosity hanno iniziato a mostrare fori e squarci significativi. Questo danno ha costretto gli operatori a guidare con maggiore cautela e a evitare certi tipi di terreno.

Per Perseverance, gli ingegneri sono tornati al tavolo da disegno. Hanno riprogettato il disegno del battistrada e aumentato lo spessore dell'alluminio. Finora, i risultati sono eccellenti. Non ci sono segni dell'usura che ha afflitto la generazione precedente. Il team sta anche lavorando per certificare gli attuatori delle ruote — i motori che le fanno girare — per almeno 100 chilometri di viaggio.

Il rover è anche un maestro nella gestione delle risorse. Funziona grazie a un Generatore Termoelettrico a Radioisotopi Multi-Missione. Questo dispositivo converte il calore derivante dal decadimento del plutonio in elettricità. Non si affida ai pannelli solari, quindi non deve preoccuparsi delle tempeste di polvere o del cambio delle stagioni. Non ha lubrificanti o materiali di consumo che potrebbero esaurirsi. È un esploratore autonomo a propulsione nucleare, costruito per durare decenni.

Cosa significa questo per i conducenti sulla Terra

In termini pratici, il successo di Perseverance fornisce un modello per l'autonomia in ambienti difficili. La maggior parte dei nostri progressi nella tecnologia di guida autonoma sulla Terra si concentra su ambienti altamente strutturati come autostrade e strade cittadine. Partiamo dal presupposto che ci saranno linee chiare sulla strada e una mappa affidabile nel cloud. Perseverance dimostra che possiamo costruire sistemi che funzionano in assenza di tutte queste infrastrutture.

Questa tecnologia ha vantaggi tangibili per settori come l'industria mineraria, l'agricoltura e la ricerca e soccorso. In una miniera crollata o in una fattoria remota, non c'è internet ad alta velocità e il terreno cambia ogni giorno. La logica utilizzata dal Vision Compute Element — dove il veicolo percepisce e si muove in un ciclo continuo — è esattamente ciò di cui questi settori hanno bisogno. Ci allontana dalla dipendenza dal cloud e ci spinge verso l'edge computing, dove la macchina è abbastanza intelligente da gestire i propri problemi.

In definitiva, il viaggio da record di Perseverance riguarda molto più di un semplice numero di distanza su un foglio di calcolo. È un cambiamento nella filosofia della robotica. Stiamo passando da macchine che sono pupazzi telecomandati a macchine che sono veri partner nell'esplorazione. Mentre il rover continua a scalare il Cratere Jezero, ci sta insegnando come costruire strumenti più resilienti, indipendenti e utili per le nostre vite.

Dietro il gergo degli attuatori e degli elementi di visione, la lezione è semplice. Il modo più affidabile per navigare in un mondo disordinato e imprevedibile è avere l'hardware per pensare velocemente. Che vi troviate sulla superficie di Marte o in un cantiere nel Mojave, l'obiettivo è lo stesso. Il successo si trova nella capacità di continuare a muoversi in avanti mentre il mondo cambia intorno a voi.

Fonti

• Rapporti sullo stato della missione del Jet Propulsion Laboratory della NASA
• Specifiche tecniche del rover Perseverance per la missione Mars 2020
• Interviste con il project manager Steven Lee e la scienziata Vivian Sun
• Dati storici sulle prestazioni dei rover Curiosity e Opportunity