Planetariske mikrobots. Billedkredit: NASA Klik for større billede
Interview med Penny Boston, del I
Hvis du vil rejse til fjerne stjerner eller finde liv i en anden verden, kræver det en smule planlægning. Derfor har NASA oprettet NIAC, NASA Institute for Advanced Concepts. I de sidste flere år har NASA opfordret forskere og ingeniører til at tænke uden for kassen og komme med ideer netop denne side af science fiction. Deres håb er, at nogle af disse ideer vil panorere og give agenturet teknologier, det kan bruge 20, 30 eller 40 år ad vejen.
NIAC yder finansiering på et konkurrencedygtigt grundlag. Kun en håndfuld af de snesevis af de indsendte forslag finansieres. Fase I-finansiering er minimal, lige nok til, at forskere kan udslette deres idé på papir. Hvis ideen viser fortjeneste, kan den muligvis få fase II-finansiering, så forskningen kan fortsætte fra det rene-koncept til det rå prototype-trin.
Et af projekterne, der modtog fase II-finansiering tidligere på året, var et samarbejde mellem Dr. Penelope Boston og Dr. Steven Dubowsky for at udvikle ”hopping microbots”, der er i stand til at udforske farligt terræn, herunder underjordiske huler. Hvis projektet panderer ud, kan der udsendes hoppende mikrobotter en dag for at søge efter liv under Marsoverfladen.
Boston tilbringer meget tid i huler og studerer de mikroorganismer, der bor der. Hun er direktør for Cave and Karst Studies Program og lektor ved New Mexico Tech i Socorro, New Mexico. Dubowsky er direktør for MIT felt- og rumrobotiklaboratorium ved MIT i Cambridge, Massachusetts. Han er delvis kendt for sin forskning i kunstige muskler.
Astrobiology Magazine interviewede Boston kort efter, at hun og Dubowsky modtog deres fase II NIAC-bevilling. Dette er den første af et todelt interview. Astrobiology Magazine (AM): Du og Dr. Steven Dubowsky modtog for nylig finansiering fra NIAC til at arbejde på ideen om at bruge miniatyrrobotter til at udforske huler under jorden på Mars? Hvordan kom dette projekt til?
Penny Boston (PB): Vi har arbejdet temmelig meget i huler på Jorden med øje for at se på de mikrobielle indbyggere i disse unikke miljøer. Vi tror, de kan tjene som skabeloner til at lede efter livsformer på Mars og andre udenjordiske kropper. Jeg udgav et papir i 1992 med Chris McKay og Michael Ivanov, der antydede, at undergrunden til Mars ville være den sidste tilflugt for livet på denne planet, da det blev koldere og tørrere i løbet af den geologiske tid. Det fik os til at kigge på undergrunden på Jorden. Da vi gjorde det, opdagede vi, at der er et fantastisk udvalg af organismer, der tilsyneladende er oprindelige over undergrunden. De interagerer med mineralogien og producerer unikke biosignaturer. Så det blev et meget frugtbart område for os at studere.
At komme ind i svære huler, selv på denne planet, er ikke så let. At oversætte det til robot udenrigsjordiske missioner kræver en vis tanke. Vi har gode billeddata fra Mars, der viser tydelige geomorfologiske beviser for mindst lava-rørhuler. Så vi ved, at Mars i det mindste har den ene type hule, der kunne være et nyttigt videnskabeligt mål for fremtidige missioner. Det er plausibelt at tro, at der også er andre typer huler, og vi har et papir i pressen i et kommende Geological Society of America Special Paper, der undersøger unikke huledannende (speleogenetiske) mekanismer på Mars. Det store klæbepunkt er, hvordan man kommer sig rundt i et så strengt og vanskeligt terræn.
AM: Kan du beskrive, hvad du gjorde i den første fase af projektet?
PB: I fase I ønskede vi at fokusere på robottenheder, der var små, meget talrige (derved udnyttelige), stort set autonome, og som havde den mobilitet, der var nødvendig for at komme ind i barske terræn. Baseret på Dr. Dubowskys løbende arbejde med kunstig-muskelaktiveret robotbevægelse, kom vi på idéen om mange, mange, små små sfærer, omkring størrelsen på tennisbolde, som i det væsentlige hopper, næsten som mexicanske hoppebønner. De lagrer muskelkraft, så at sige, og så bøser de sig selv i forskellige retninger. Sådan flytter de.
kredit: Render af R.D.Gus Frederick
Planetisk indstilling til storskala planetarisk overflade og underjordisk efterforskning. Klik på billedet for at se et større billede.
Billedkredit: Render af R.D.Gus Frederick
Vi har beregnet, at vi sandsynligvis kunne pakke omkring tusind af disse fyre i en nyttelastmasse på størrelse med en af de nuværende MER'er (Mars Exploration Rovers). Det ville give os fleksibiliteten til at lide tabet af en stor procentdel af enhederne og stadig have et netværk, der kunne udføre rekonstruktion og sensing, billeddannelse og måske endda nogle andre videnskabelige funktioner.
AM: Hvordan koordinerer alle disse små sfærer hinanden?
PB: De opfører sig som en sverm. De forholder sig til hinanden ved hjælp af meget enkle regler, men det giver en stor grad af fleksibilitet i deres kollektive opførsel, som gør dem i stand til at imødekomme kravene til uforudsigeligt og farligt terræn. Det ultimative produkt, som vi forestiller os, er en flåde af disse små fyre, der sendes til et lovende landingssted, forlader landingen og derefter går hen til et eller andet undergrund eller andet farligt terræn, hvor de implementerer sig selv som et netværk. De opretter et cellulært kommunikationsnetværk på en node-til-node-basis.
AM: Er de i stand til at kontrollere, i hvilken retning de hopper?
PB: Vi har ambitioner om, at de i sidste ende skal være meget dygtige. Når vi bevæger os ind i fase II, arbejder vi sammen med Fritz Printz i Stanford om ultra-miniature brændselsceller til magten for disse små fyre, hvilket ville gøre det muligt for dem at være i stand til at udføre en temmelig kompleks række ting. En af disse muligheder er at have en vis kontrol over den retning, de går i. Der er visse måder, de kan bygges på, som kan give dem mulighed for at fortrinsvis gå i en eller anden retning. Det er ikke så præcist, som det ville være, hvis de var hjulovertrædere, der bare skulle på en lige sti. Men de kan fortrinsvis ikke selv være mere eller mindre i den retning, de ønsker. Så vi ser for os, at de i det mindste vil have rå kontrol over retning. Men meget af deres værdi har at gøre med deres sværmbevægelse som en ekspanderende sky.
Så vidunderlige som MER-roverne er, for den slags videnskab, jeg gør, har jeg brug for noget mere beslægtet med den insektrobot-idé, som Rodney Brooks var banebrydende på MIT. At kunne benytte modellen af insektintelligens og tilpasning til efterforskning havde længe appelleret til mig. At tilføje det til den unikke mobilitet, der leveres af Dr. Dubowskys hopping-idé, tror jeg, kan gøre det muligt for en rimelig procentdel af disse små enheder at overleve farerne ved terræn under jorden - det virkede bare som en magisk kombination for mig.
HB: Så i fase I blev nogle af disse faktisk bygget?
PB: Nej. Fase I, med NIAC, er en seks måneder lang hjernespændende, blyant-skubbende undersøgelse for at omfatte den aktuelle teknik for de relevante teknologier. I fase II vil vi lave en begrænset mængde prototyping og feltforsøg over en to-årig periode. Dette er langt mindre end hvad man muligvis har brug for til en faktisk mission. Men det er naturligvis NIAC's mandat at undersøge teknologi 10 til 40 år ud. Vi tænker, at dette sandsynligvis er inden for 10- til 20-årig rækkevidde.
AM: Hvilke slags sensorer eller videnskabeligt udstyr kan du forestille dig at kunne sætte på disse ting?
PB: Billeddannelse er helt klart noget, vi gerne vil gøre. Da kameraer bliver utroligt lille og robuste, er der allerede enheder i størrelsesområdet, der kan monteres på disse ting. Nogle af enhederne kan muligvis være udstyret med forstørrelsesevne, så man kan se på teksturer af materialerne, de lander på. Integrering af billeder taget af små kameraer på masser af forskellige små enheder er et af de områder, der skal udvikles fremover. Det er uden for dette projekt, men det tænker vi på til billedbehandling. Og så bestemt kemiske sensorer, der er i stand til at snuse og sanse det kemiske miljø, hvilket er meget kritisk. Alt fra bittesmå laser næser til ion-selektive elektroder til gasser.
Vi ser for os, at de ikke alle er identiske, men snarere et ensemble med nok af de forskellige slags enheder udstyret med forskellige slags sensorer, så sandsynligheden stadig vil være stor, selv i betragtning af temmelig store tab af antallet af enheder, at vi ville stadig have en komplet pakke sensorer. Selvom hver enkelt enhed ikke kan have en kæmpe nyttelast af sensorer på, kunne du have nok til at give en betydelig overlapning med dens medenheder.
AM: Vil det være muligt at lave biologisk test?
PB: Jeg tror det. Især hvis du forestiller dig den tidsramme, vi ser på, med de fremskridt, der kommer online med alt fra kvanteprikker til lab-on-a-chip-enheder. Naturligvis er vanskeligheden ved at få prøvemateriale til dem. Men når vi har at gøre med små jordkontakt-enheder som vores hoppende mikrobots, kan du muligvis placere dem direkte over det materiale, de vil teste. I kombination med mikroskopi og bredere feltbilleder, tror jeg, at der er mulighed for at udføre noget seriøst biologisk arbejde.
AM: Har du en idé om, hvilke milepæle er, som du håber på at komme i løbet af dit toårige projekt?
PB: Vi forventer, at vi i marts kan have rå prototyper, der har den relevante mobilitet. Men det kan være alt for ambitiøst. Når vi først har mobile enheder, er vores plan at udføre feltforsøg i ægte lava-rørhuler, som vi laver videnskab på i New Mexico.
Feltsite er allerede testet. Som en del af fase I kom MIT-gruppen ud, og jeg lærte dem lidt om hulrum og hvordan terrænet faktisk var. Det var en stor øjenåbner for dem. Det er en ting at designe robotter til MIT-haller, men det er en anden ting at designe dem til rigtige klippemiljøer. Det var en meget pædagogisk oplevelse for os alle. Jeg synes, de har en ret god idé om, hvad betingelserne er, at de skal møde deres design.
AM: Hvad er disse betingelser?
PB: Ekstremt ujævnt terræn, masser af sprekker, som disse fyre kunne få midlertidigt fastklæbt i. Så vi har brug for driftsformer, der giver dem mulighed for at ekstrudere sig, i det mindste med en rimelig chance for succes. Udfordringerne med kommunikationslinie-kommunikation på en meget ru overflade. At komme over store kampesten. At sidde fast i små revner. Ting af den slags.
Lava er ikke glat. Det indre af lavarør er i sig selv glat, efter at de er dannet, men der er meget materiale, der krymper og revner og falder ned. Så der er murbrokker at komme rundt og om, og en masse elevationsændring. Og dette er ting, som konventionelle robotter ikke har mulighed for.
Original kilde: NASA Astrobiology
