Sėkmingiausias savaeigis automobilis istorijoje šiuo metu yra Marse

Ar kada nors susimąstėte, kodėl jūsų prabangiam automobiliui sunku pastatyti vietą gerai apšviestame garaže, o mašina, esanti už 140 milijonų mylių, be jokios žmogaus pagalbos naviguoja per riedulių lauką? Šis klausimas yra „Perseverance“ marsaeigio naujausio pasiekimo esmė. Kol technologijų bendrovės Žemėje ginčijasi dėl eismo juostų laikymosi programinės įrangos ir LIDAR jutiklių, šešiaratis robotas tyliai muša atstumo rekordus planetoje, kurioje nėra kelių, GPS ir remonto dirbtuvių.

„Perseverance“ nusileido Jezero krateryje 2021 m. vasarį. Nuo to laiko jis iš mokslinio eksperimento tapo produktyviausiu keliautoju Marso tyrinėjimų istorijoje. Transporto priemonė ruošiasi peržengti 45,16 kilometro ribą. Šis atstumas yra reikšmingas, nes jis viršija „Opportunity“ marsaeigio viso gyvenimo rekordą. „Opportunity“ buvo legendinė mašina, išgyvenusi beveik 15 metų. „Perseverance“ tą pačią ribą pasiekia maždaug per trečdalį to laiko. Šis efektyvumas yra esminio posūkio mūsų mąstyme apie autonomines mašinas rezultatas.

Smegenys, sukurtos nuolatiniam judėjimui

Norėdami suprasti, kodėl „Perseverance“ yra tiek daug greitesnis už savo pirmtakus, turime pažvelgti į jo apdorojimo galią. Stevenas Lee yra NASA Reaktyvinio judėjimo laboratorijos „Perseverance“ marsaeigio projekto vadovas. Jis pažymi, kad pagrindinis šios sėkmės variklis yra autonavigacijos sistema. Žemėje savaeigiai automobiliai pasikliauja milžiniškais debesų serveriais ir iš anksto įkeltais aukštos raiškos žemėlapiais. „Perseverance“ neturi nieko panašaus. Jis turi priimti sprendimus realiuoju laiku, naudodamas savo vidinę techninę įrangą.

Marsaeigis turi sudėtingų kamerų rinkinį, kuris fiksuoja priešakyje esantį reljefą. Algoritmai tada apdoroja šiuos vaizdus, kad rastų saugų kelią per tokias kliūtis kaip aštrios uolos ir minkšto smėlio duobės. Tai skamba paprastai, tačiau apdorojimo poreikis yra didžiulis. Kiekviena sekundė, kurią marsaeigis praleidžia galvodamas, yra sekundė, kai jis nejuda. Ankstesnės kartos marsaeigiams šis mąstymo laikas buvo pagrindinė kliūtis. „Perseverance“ tai išsprendžia naudodamas specialų „Vision Compute Element“. Ši techninė įranga leidžia marsaeigiui apdoroti vaizdus ir planuoti maršrutą, kol jo ratai vis dar sukasi.

Kasdieniais terminais tariant, ankstesni marsaeigiai buvo tarsi žygeivis, kuris turi sustoti ir žiūrėti į popierinį žemėlapį kas dešimt žingsnių. „Perseverance“ yra tarsi žygeivis, kuris gali tikrinti savo telefoną toliau eidamas. Šis gebėjimas mąstyti ir judėti vienu metu yra priežastis, kodėl 90 procentų viso marsaeigio nuvažiuoto atstumo dabar yra autonomiška. Jis nebelaukia, kol žmogus pilotas Žemėje atsiųs konkretų vairavimo instrukcijų rinkinį kiekvienam kelionės metrui.

Peržengiant dešimtojo dešimtmečio apribojimus

Žvelgiant į platesnį vaizdą, šis našumo šuolis yra klasikinis pavyzdys, kaip Moore’o dėsnis galiausiai pasiekia specializuotą kosmoso tyrimų pasaulį. „Curiosity“ marsaeigis savo dydžiu ir forma iš esmės yra „Perseverance“ dvynys. Tačiau „Curiosity“ yra daug lėtesnis. Tik apie 10 procentų jo vairavimo yra autonomiška. Šio atotrūkio priežastis – jo kompiuterio amžius. „Curiosity“ buvo paleistas 2011 m. su lustų rinkiniu, kurio šaknys siekia dešimtojo dešimtmečio pabaigą.

Kosmosui pritaikyta techninė įranga yra pagarsėjusi savo lėtumu, nes ji turi būti sutvirtinta prieš intensyvią radiaciją. Šis tvirtinimo procesas dažnai reiškia senesnių, stabilesnių konstrukcijų naudojimą, o ne naujausių vartotojiškų lustų. „Curiosity“ kompiuteris yra toks lėtas, kad negali vienu metu važiuoti ir apdoroti vaizdų. Jis turi sustoti, nufotografuoti, praleisti kelias minutes skaičiuodamas kitus kelis metrus ir tada pajudėti. Šis ciklas paverčia tolimas keliones varginančiu procesu. Per daugiau nei 15 metų Marse „Curiosity“ nuvažiavo apie 38,6 kilometro. „Perseverance“ šią ribą peržengia per dalį to laiko, nes jo (šiek tiek) modernesnė techninė įranga pagaliau yra pakankamai greita, kad neatsiliktų nuo ratų.

Net ir su tokiu greičiu marsaeigis nėra tikras lenktynininkas. Jo maksimalus ratų greitis yra maždaug 150 metrų per valandą. Žmogui tai yra labai lėtas šliaužimas. Tačiau robotui kitoje planetoje ši nuolatinė, stabili pažanga keičia mokslo taisykles.

Kodėl nuolatinis judėjimas keičia mokslą

Vivian Sun yra misijos projekto mokslininko pavaduotoja. Ji paaiškina, kad šis vairavimo gebėjimas yra jėgos daugiklis jų tyrimams. Kai marsaeigis gali judėti greičiau, mokslininkai gali svajoti plačiau. Ankstesnėse misijose tolimas geologinis objektas galėjo būti laikomas nepasiekiamu, nes nuvykti ten užtruktų mėnesius ar metus. Su „Perseverance“ tie tolimi taikiniai dabar pasiekiami per protingą laiką.

„Perseverance“ šiuo metu tyrinėja Jezero kraterį. Ši vieta yra aukso kasykla geologams, nes joje yra vienos seniausių uolienų Saulės sistemoje. Šios uolienos yra beveik 4 milijardų metų senumo. Jos siekia laikus, kai vidinės planetos vis dar buvo stipriai bombarduojamos asteroidų. Žemėje plokščių tektonika ir orai sunaikino beveik visas šios eros uolienas. Marse jos tiesiog guli paviršiuje.

Mokslininkai mano, kad ši vietovė kažkada buvo didžiulis ežeras su upės delta. Jei Marse kada nors egzistavo gyvybė, įrodymai būtų būtent čia. Marsaeigio gebėjimas keliauti iš vienos vietos į kitą leido komandai asmeniškai ištirti daugiau vietovių nei bet kurioje ankstesnėje misijoje. Robotas dažnai atvyksta į naujas tyrimų vietas anksčiau laiko. Tai suteikia komandai daugiau laiko gręžti kerno mėginius ir analizuoti dirvožemio cheminę sudėtį.

Rato perprojektavimas maratonui

Greitis ir intelektas yra nenaudingi, jei transporto priemonė subyra. Viena iš dažniausių Marso marsaeigių gedimo vietų yra ratai. Marsas yra padengtas aštriomis vulkaninėmis uolienomis, kurios veikia kaip peiliai prieš ploną aliuminį. Po kelerių metų planetoje „Curiosity“ ratuose atsirado didelių skylių ir įplyšimų. Ši žala privertė operatorius vairuoti atsargiau ir vengti tam tikrų reljefo tipų.

Kurdami „Perseverance“, inžinieriai grįžo prie brėžinių. Jie perprojektavo protektoriaus raštą ir padidino aliuminio storį. Kol kas rezultatai yra puikūs. Nėra jokių nusidėvėjimo požymių, kurie kamavo ankstesnę kartą. Komanda taip pat dirba sertifikuodama ratų pavaras – variklius, kurie suka ratus – bent 100 kilometrų kelionei.

Marsaeigis taip pat yra išteklių valdymo meistras. Jis veikia naudodamas daugiafunkcį radioizotopinį termoelektrinį generatorių. Šis įrenginis plutonio skilimo šilumą paverčia elektra. Jis nepasikliauja saulės baterijomis, todėl jam nereikia jaudintis dėl dulkių audrų ar sezonų kaitos. Jis neturi tepalų ar sunaudojamų medžiagų, kurios galėtų pasibaigti. Tai savarankiškas, branduoline energija varomas žvalgas, sukurtas tarnauti dešimtmečius.

Ką tai reiškia vairuotojams Žemėje

Praktiškai kalbant, „Perseverance“ sėkmė suteikia autonomijos gaires sudėtingose aplinkose. Didžioji dalis mūsų pažangos savaeigių automobilių technologijų srityje Žemėje sutelkta į griežtai struktūrizuotas aplinkas, tokias kaip greitkeliai ir miestų gatvės. Mes darome prielaidą, kad kelyje bus aiškios linijos, o debesyje – patikimas žemėlapis. „Perseverance“ įrodo, kad galime sukurti sistemas, kurios veikia nesant visos šios infrastruktūros.

Ši technologija turi apčiuopiamos naudos tokioms pramonės šakoms kaip kasyba, žemės ūkis ir paieška bei gelbėjimas. Sugriuvusioje kasykloje ar atokiame ūkyje nėra spartaus interneto, o reljefas keičiasi kasdien. Logika, naudojama „Vision Compute Element“ – kur transporto priemonė jaučia ir juda nenutrūkstamu ciklu – yra būtent tai, ko šioms pramonės šakoms reikia. Tai atitolina mus nuo priklausomybės nuo debesies ir priartina prie krašto skaičiavimo (edge computing), kur mašina yra pakankamai išmani, kad pati susitvarkytų su savo problemomis.

Galų gale, rekordinis „Perseverance“ žygis yra daugiau nei tik atstumo skaičius skaičiuoklėje. Tai robotikos filosofijos posūkis. Mes pereiname nuo mašinų, kurios yra nuotoliniu būdu valdomos lėlės, prie mašinų, kurios yra tikros tyrimų partnerės. Kai marsaeigis toliau kopia per Jezero kraterį, jis moko mus, kaip sukurti atsparesnius, nepriklausomus ir naudingus įrankius mūsų pačių gyvenimui.

Už techninio žargono apie pavaras ir regėjimo elementus slypinti pamoka yra paprasta. Patikimiausias būdas naršyti netvarkingame, nenuspėjamame pasaulyje yra turėti techninę įrangą, leidžiančią mąstyti vietoje. Nesvarbu, ar esate Marso paviršiuje, ar statybvietėje Mohavėje, tikslas yra tas pats. Sėkmė slypi gebėjime judėti pirmyn, kol pasaulis aplink jus keičiasi.

Šaltiniai

• NASA Jet Propulsion Laboratory misijos būklės ataskaitos
• Perseverance marsaeigio techninės specifikacijos Mars 2020 misijai
• Interviu su projekto vadovu Steven Lee ir mokslininke Vivian Sun
• Istoriniai Curiosity ir Opportunity marsaeigių našumo duomenys