Najbardziej udany autonomiczny samochód w historii znajduje się obecnie na Marsie

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego Twój wysokiej klasy samochód ma trudności z parkowaniem w dobrze oświetlonym garażu, podczas gdy maszyna oddalona o 140 milionów mil nawiguje po polu głazów bez żadnej ludzkiej pomocy? To pytanie leży u podstaw najnowszego kamienia milowego łazika Perseverance. Podczas gdy firmy technologiczne na Ziemi spierają się o oprogramowanie do utrzymywania pasa ruchu i czujniki LIDAR, sześciokołowy robot po cichu ustanawia rekordy odległości na planecie bez dróg, bez GPS i bez warsztatów naprawczych.

Perseverance wylądował w kraterze Jezero w lutym 2021 roku. Od tego czasu przekształcił się z eksperymentu naukowego w najbardziej płodnego podróżnika w historii eksploracji Marsa. Pojazd jest na drodze do przekroczenia granicy 45,16 kilometra. Odległość ta jest znacząca, ponieważ przewyższa życiowy rekord łazika Opportunity. Opportunity był legendarną maszyną, która przetrwała prawie 15 lat. Perseverance osiąga ten sam kamień milowy w mniej więcej jedną trzecią tego czasu. Ta wydajność jest wynikiem fundamentalnej zmiany w sposobie, w jaki myślimy o maszynach autonomicznych.

Mózg zbudowany do ciągłego ruchu

Aby zrozumieć, dlaczego Perseverance jest o tyle szybszy od swoich poprzedników, musimy zajrzeć pod maskę i sprawdzić jego moc obliczeniową. Steven Lee jest kierownikiem projektu łazika Perseverance w Jet Propulsion Laboratory NASA. Zauważa on, że głównym czynnikiem sukcesu jest system autunawigacji. Na Ziemi autonomiczne samochody polegają na potężnych serwerach chmurowych i wstępnie załadowanych mapach wysokiej rozdzielczości. Perseverance nie ma nic z tych rzeczy. Musi podejmować decyzje w czasie rzeczywistym, korzystając z własnego sprzętu pokładowego.

Łazik posiada zestaw zaawansowanych kamer, które rejestrują teren przed nim. Algorytmy przetwarzają następnie te obrazy, aby znaleźć bezpieczną ścieżkę przez zagrożenia, takie jak ostre skały i miękkie piaszczyste doły. Brzmi to prosto, ale wymagania obliczeniowe są ogromne. Każda sekunda, którą łazik spędza na myśleniu, jest sekundą, w której się nie porusza. Dla poprzednich generacji łazików ten czas myślenia był głównym wąskim gardłem. Perseverance rozwiązuje ten problem, używając dedykowanego elementu Vision Compute Element. Ten sprzęt pozwala łazikowi przetwarzać obrazy i planować trasę, podczas gdy jego koła wciąż się kręcą.

W codziennych kategoriach wcześniejsze łaziki były jak wędrowiec, który musi się zatrzymać i spojrzeć na papierową mapę co dziesięć kroków. Perseverance jest jak wędrowiec, który może sprawdzać telefon podczas marszu. Ta zdolność do jednoczesnego myślenia i poruszania się sprawia, że 90 procent całkowitego dystansu łazika jest teraz pokonywane autonomicznie. Nie czeka on już na ludzkiego pilota na Ziemi, aby wysłał konkretny zestaw instrukcji jazdy dla każdego metra podróży.

Przekraczanie ograniczeń lat dziewięćdziesiątych

Patrząc na szerszy obraz, skok wydajności jest klasycznym przykładem tego, jak prawo Moore’a w końcu uderza w wyspecjalizowany świat eksploracji kosmosu. Łazik Curiosity jest w zasadzie bliźniakiem Perseverance pod względem wielkości i kształtu. Jednak Curiosity jest znacznie wolniejszy. Tylko około 10 procent jego jazdy odbywa się autonomicznie. Przyczyną tej luki jest wiek jego komputera. Curiosity wystartował w 2011 roku z chipsetem, którego korzenie sięgają końca lat 90. XX wieku.

Sprzęt klasy kosmicznej jest notorycznie wolny, ponieważ musi być odporny na intensywne promieniowanie. Ten proces utwardzania często oznacza stosowanie starszych, bardziej stabilnych konstrukcji zamiast najnowszych chipów konsumenckich. Komputer Curiosity jest tak wolny, że nie może jednocześnie prowadzić i przetwarzać obrazów. Musi się zatrzymać, zrobić zdjęcie, spędzić kilka minut na obliczaniu kolejnych kilku metrów, a następnie ruszyć. Ten cykl sprawia, że podróżowanie na długie dystanse jest żmudnym procesem. W ciągu ponad 15 lat na Marsie Curiosity pokonał około 38,6 kilometra. Perseverance mija ten znak w ułamku tego czasu, ponieważ jego (nieco) nowocześniejszy sprzęt jest w końcu wystarczająco szybki, by nadążyć za kołami.

Nawet przy tej prędkości łazik nie jest dokładnie wyścigówką. Jego maksymalna prędkość kół wynosi około 150 metrów na godzinę. Dla człowieka jest to bardzo powolne pełzanie. Ale dla robota na innej planecie ten stały, miarowy postęp zmienia zasady gry dla nauki.

Dlaczego ciągły ruch zmienia naukę

Vivian Sun jest zastępcą naukowca projektu misji. Wyjaśnia, że ta zdolność do jazdy jest mnożnikiem siły dla ich badań. Kiedy łazik może poruszać się szybciej, naukowcy mogą marzyć o większych rzeczach. W poprzednich misjach odległa cecha geologiczna mogła być uważana za nieosiągalną, ponieważ dotarcie tam zajęłoby miesiące lub lata. Dzięki Perseverance te odległe cele są teraz w zasięgu rozsądnego dojazdu.

Perseverance obecnie bada krater Jezero. To miejsce jest kopalnią złota dla geologów, ponieważ zawiera jedne z najstarszych skał w Układzie Słonecznym. Skały te mają prawie 4 miliardy lat. Pochodzą z czasów, gdy planety wewnętrzne były wciąż pod silnym bombardowaniem asteroid. Na Ziemi tektonika płyt i pogoda zniszczyły prawie wszystkie skały z tej ery. Na Marsie po prostu leżą one na powierzchni.

Naukowcy wierzą, że obszar ten był niegdyś ogromnym jeziorem z deltą rzeki. Jeśli na Marsie kiedykolwiek istniało życie, to właśnie tutaj znajdowałyby się dowody. Zdolność łazika do przemieszczania się z jednego miejsca do drugiego pozwoliła zespołowi zbadać osobiście więcej terenu niż w jakiejkolwiek poprzedniej misji. Robot często dociera do nowych miejsc badań przed czasem. Daje to zespołowi więcej czasu na wiercenie próbek rdzeniowych i analizę składu chemicznego gleby.

Przeprojektowanie koła na maraton

Prędkość i inteligencja są bezużyteczne, jeśli pojazd się rozpadnie. Jednym z najczęstszych punktów awarii łazików marsjańskich są koła. Mars jest pokryty ostrymi, wulkanicznymi skałami, które działają jak noże na cienkie aluminium. Po kilku latach na planecie koła Curiosity zaczęły wykazywać znaczne dziury i pęknięcia. Te uszkodzenia zmusiły operatorów do ostrożniejszej jazdy i unikania niektórych rodzajów terenu.

W przypadku Perseverance inżynierowie wrócili do deski kreślarskiej. Przeprojektowali wzór bieżnika i zwiększyli grubość aluminium. Jak dotąd wyniki są doskonałe. Nie ma śladów zużycia, które nękało poprzednią generację. Zespół pracuje również nad certyfikacją siłowników kół — silników, które obracają koła — na co najmniej 100 kilometrów podróży.

Łazik jest również mistrzem zarządzania zasobami. Działa na wielozadaniowym radioizotopowym generatorze termoelektrycznym (MMRTG). Urządzenie to przetwarza ciepło z rozpadu plutonu na energię elektryczną. Nie polega na panelach słonecznych, więc nie musi martwić się burzami pyłowymi ani zmianą pór roku. Nie posiada smarów ani materiałów eksploatacyjnych, które mogłyby się wyczerpać. Jest to samowystarczalny zwiad o napędzie atomowym, zbudowany tak, by przetrwać dziesięciolecia.

Co to oznacza dla kierowców na Ziemi

Praktycznie rzecz biorąc, sukces Perseverance stanowi wzorzec dla autonomii w trudnych środowiskach. Większość naszych postępów w technologii autonomicznej jazdy na Ziemi skupia się na wysoce ustrukturyzowanych środowiskach, takich jak autostrady i ulice miast. Zakładamy, że na drodze będą wyraźne linie, a w chmurze niezawodna mapa. Perseverance udowadnia, że możemy budować systemy, które działają przy braku całej tej infrastruktury.

Ta technologia przynosi wymierne korzyści dla branż takich jak górnictwo, rolnictwo oraz ratownictwo. W zawalonej kopalni lub na odległej farmie nie ma szybkiego internetu, a teren zmienia się każdego dnia. Logika zastosowana w Vision Compute Element — gdzie pojazd wykrywa i porusza się w ciągłej pętli — jest dokładnie tym, czego potrzebują te branże. Odsuwa nas to od polegania na chmurze w stronę przetwarzania krawędziowego (edge computing), gdzie maszyna jest wystarczająco inteligentna, by samodzielnie radzić sobie z własnymi problemami.

Ostatecznie rekordowa wędrówka Perseverance to coś więcej niż tylko liczba kilometrów w arkuszu kalkulacyjnym. To zmiana w filozofii robotyki. Przechodzimy od maszyn, które są zdalnie sterowanymi marionetkami, do maszyn, które są prawdziwymi partnerami w eksploracji. W miarę jak łazik kontynuuje wspinaczkę przez krater Jezero, uczy nas, jak budować bardziej odporne, niezależne i użyteczne narzędzia dla naszego własnego życia.

Za żargonem siłowników i elementów wizyjnych kryje się prosta lekcja. Najbardziej niezawodnym sposobem poruszania się po chaotycznym, nieprzewidywalnym świecie jest posiadanie sprzętu pozwalającego na samodzielne myślenie. Niezależnie od tego, czy jesteś na powierzchni Marsa, czy na placu budowy w Mojave, cel jest ten sam. Sukces tkwi w zdolności do ciągłego poruszania się naprzód, podczas gdy świat wokół ciebie się zmienia.

Źródła

• 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