Планетарные Микроботы. Изображение предоставлено NASA Нажмите для увеличения
Интервью с Пенни Бостон, часть I
Если вы хотите отправиться в путешествие к далеким звездам или найти жизнь в другом мире, нужно немного спланировать. Вот почему НАСА учредило NIAC, Институт передовых концепций НАСА. В течение последних нескольких лет НАСА поощряло ученых и инженеров мыслить нестандартно, предлагать идеи именно в этой области научной фантастики. Они надеются, что некоторые из этих идей будут успешными и предоставят агентству технологии, которые оно сможет использовать через 20, 30 или 40 лет.
NIAC предоставляет финансирование на конкурсной основе. Только несколько десятков представленных предложений финансируются. Фаза I финансирования минимальна, ее достаточно для того, чтобы исследователи изложили свою идею на бумаге. Если идея демонстрирует достоинства, она может получить финансирование Фазы II, что позволит исследованиям перейти от чисто концептуальной стадии к стадии грубого прототипа.
Одним из проектов, который получил финансирование Фазы II в начале этого года, было сотрудничество между доктором Пенелопой Бостон и доктором Стивеном Дубовским по разработке «прыгающих микроботов», способных исследовать опасную местность, включая подземные пещеры. Если проект завершится успешно, однажды прыгающих микроботов можно будет отправлять на поиски жизни под поверхностью Марса.
Бостон проводит много времени в пещерах, изучая микроорганизмы, которые там живут. Она является директором Программы исследований пещер и карстов и доцентом в New Mexico Tech в Сокорро, Нью-Мексико. Дубовски является директором Лаборатории полевой и космической робототехники MIT в MIT в Кембридже, штат Массачусетс. Он известен отчасти своими исследованиями искусственных мышц.
Журнал Astrobiology Magazine взял интервью у Бостона вскоре после того, как она и Дубовски получили грант II фазы NIAC. Это первое из двух частей интервью. Astrobiology Magazine (AM): Вы и доктор Стивен Дубовски недавно получили финансирование от NIAC для работы над идеей использования миниатюрных роботов для исследования подземных пещер на Марсе? Как появился этот проект?
Пенни Бостон (ПБ): Мы проделали довольно большую работу в пещерах на Земле, чтобы посмотреть на микробных обитателей этих уникальных сред. Мы думаем, что они могут служить шаблонами для поиска форм жизни на Марсе и других внеземных телах. В 1992 году я опубликовал статью с Крисом Маккеем и Майклом Ивановым, в которой предполагалось, что недра Марса станут последним прибежищем жизни на этой планете, так как в геологическом времени она стала более холодной и сухой. Это заставило нас заняться изучением недр Земли. Когда мы это сделали, мы обнаружили, что существует удивительный набор организмов, которые, по-видимому, являются аборигенными для недр. Они взаимодействуют с минералогией и производят уникальные биосигнатуры. Так что это стало очень плодородной областью для нас для изучения.
Попасть в сложные пещеры даже на этой планете не так просто. Перевод этого в роботизированные внеземные миссии требует некоторой мысли. У нас есть хорошие данные, полученные с Марса, которые показывают четкие геоморфологические доказательства, по крайней мере, пещер с лавовыми трубами. Итак, мы знаем, что на Марсе есть по крайней мере один тип пещер, который может быть полезной научной целью для будущих миссий. Можно предположить, что существуют и другие типы пещер, и у нас есть статья в прессе в будущей Специальной статье Геологического общества Америки, в которой рассматриваются уникальные пещеобразующие (спелеогенетические) механизмы на Марсе. Большой камень преткновения - как передвигаться по такой суровой и сложной местности.
AM: Можете ли вы описать, что вы делали на первом этапе проекта?
ПБ: На первом этапе мы хотели сосредоточиться на роботизированных подразделениях, которые были небольшими, очень многочисленными (следовательно, расходуемыми), в основном автономными, и обладали мобильностью, необходимой для проникновения на пересеченную местность. Основываясь на продолжающейся работе доктора Дубовски с роботизированными движениями, приводимыми в действие искусственными мышцами, нам пришла в голову мысль о множестве крошечных маленьких сфер размером с теннисные мячи, которые по сути прыгают, почти как мексиканские прыгающие бобы. Они, так сказать, накапливают мышечную энергию, а затем уводят себя в разные стороны. Вот как они двигаются.
Фото предоставлено Р.Гусом Фредериком
Планетарная установка для крупномасштабных исследований поверхности и недр планеты. Кликните по изображению для увеличения.
Изображение предоставлено R.D.Gus Frederick
Мы подсчитали, что мы могли бы, вероятно, упаковать около тысячи этих парней в массу полезной нагрузки размером с один из нынешних MER (Mars Exploration Rovers). Это дало бы нам гибкость, чтобы перенести потерю большого процента единиц и при этом иметь сеть, которая могла бы выполнять разведку и зондирование, визуализацию и, возможно, даже некоторые другие научные функции.
А.М .: Как все эти маленькие сферы координируются друг с другом?
ПБ: Они ведут себя как рой. Они связаны друг с другом, используя очень простые правила, но это обеспечивает большую гибкость в их коллективном поведении, что позволяет им удовлетворять требования непредсказуемой и опасной местности. Конечным продуктом, который мы предполагаем, является флот этих маленьких парней, которых отправляют на какую-то многообещающую посадочную площадку, покидают посадочную площадку и затем направляются в какую-то подповерхностную или другую опасную местность, где они развертываются в виде сети. Они создают сеть сотовой связи на основе узел-узел.
А.М .: Могут ли они контролировать направление, в котором они прыгают?
ПБ: Мы стремимся к тому, чтобы они в конечном итоге были очень способными. По мере того, как мы переходим к этапу II, мы работаем с Фрицем Принцем в Стэнфорде над ультра-миниатюрными топливными элементами, чтобы привести в действие этих маленьких ребят, которые позволили бы им делать довольно сложные вещи. Одна из этих возможностей - иметь некоторый контроль над направлением, в котором они движутся. Есть определенные способы, которыми они могут быть построены, которые могут позволить им преимущественно идти в том или ином направлении. Это не так точно, как было бы, если бы они были колесными роверами, движущимися по прямой. Но они могут преимущественно более или менее наклоняться в том направлении, в котором они хотят идти. Таким образом, мы предполагаем, что они будут иметь хотя бы грубый контроль над направлением. Но большая их ценность связана с их движением роя как расширяющегося облака.
Какими бы замечательными ни были роверы MER, для той науки, которой я занимаюсь, мне нужно что-то более похожее на идею робота-насекомого, предложенную Родни Бруксом в Массачусетском технологическом институте. Возможность использовать модель интеллекта насекомых и адаптацию к исследованиям давно привлекала меня. Я полагаю, что добавление этого к уникальной мобильности, обеспечиваемой идеей д-ра Дубовски, может позволить разумному проценту этих маленьких юнитов пережить опасности подземного рельефа местности - что мне показалось просто волшебной комбинацией.
HB: Итак, на Фазе I что-нибудь из этого было построено?
ПБ: Нет. Фаза I, с NIAC, - это шестимесячное исследование, которое напрягает мозг, подталкивает карандаш, чтобы охватить современное состояние соответствующих технологий. На втором этапе мы собираемся провести ограниченное количество прототипов и полевых испытаний в течение двухлетнего периода. Это гораздо меньше, чем нужно для реальной миссии. Но, конечно же, это является задачей NIAC, чтобы исследовать технологии от 10 до 40 лет. Мы думаем, что это, вероятно, в диапазоне от 10 до 20 лет.
А.М .: Как вы думаете, какие датчики или научное оборудование можно надеть на эти вещи?
ПБ: Снимки - это то, что мы хотели бы сделать. Поскольку камеры становятся невероятно крошечными и надежными, уже есть устройства в диапазоне размеров, которые можно установить на эти вещи. Возможно, некоторые из юнитов могли бы быть оснащены возможностью увеличения, так что можно было бы посмотреть на текстуры материалов, на которые они приземляются. Объединение изображений, сделанных крошечными камерами на множестве разных маленьких устройств, является одной из областей для будущего развития. Это выходит за рамки этого проекта, но именно об этом мы и думаем для получения изображений. И тогда, конечно же, химические сенсоры, способные нюхать и ощущать химическую среду, что очень важно. Все от крошечных лазерных носиков до ионоселективных электродов для газов.
Мы предполагаем, что они будут не идентичными, а скорее ансамблем с достаточным количеством различных типов блоков, оснащенных различными типами датчиков, так что вероятность, тем не менее, будет высокой, даже с учетом довольно высоких потерь в количестве блоков, что мы все равно будет иметь полный набор датчиков. Даже при том, что у каждого отдельного устройства не может быть гигантской полезной нагрузки датчиков, у вас может быть достаточно, чтобы он мог значительно перекрывать свои коллеги.
А.М .: Можно ли будет проводить биологические испытания?
ПБ: Я так думаю. В частности, если вы представите себе временные рамки, на которые мы смотрим, с достижениями, которые появятся в сети со всем, от квантовых точек до устройств «лаборатория на кристалле». Конечно, трудность заключается в том, чтобы получить образец материала для тех. Но когда мы имеем дело с небольшими контактирующими с землей устройствами, такими как наши прыгающие микроботы, вы можете расположить их непосредственно над материалом, который они хотят проверить. Я полагаю, что в сочетании с микроскопией и изображениями в более широком поле есть возможность выполнить серьезную биологическую работу.
AM: Есть ли у вас представление о том, какие вехи вы надеетесь достичь во время своего двухлетнего проекта?
ПБ: Мы ожидаем, что к марту у нас могут появиться грубые прототипы с соответствующей мобильностью. Но это может быть слишком амбициозным. Как только у нас появятся мобильные отряды, мы планируем провести полевые испытания в реальных пещерах с лавовыми трубами, которые мы изучаем в Нью-Мексико.
Полевой сайт уже протестирован. В рамках первого этапа вышла группа MIT, и я немного рассказал им о пещерах и о том, каков был ландшафт на самом деле. Это стало большим откровением для них. Одно дело спроектировать роботов для залов MIT, но другое - спроектировать их для реальных каменистых сред. Это был очень познавательный опыт для всех нас. Я думаю, что они довольно хорошо представляют, в каких условиях они должны встретиться со своим дизайном.
AM: Каковы эти условия?
ПБ: Чрезвычайно неровная местность, множество щелей, в которые эти парни могут временно застрять. Поэтому нам понадобятся режимы работы, которые позволят им выбраться, по крайней мере, с разумным шансом на успех. Проблемы связи в пределах прямой видимости на очень неровной поверхности. Преодолев большие валуны. Застревание в маленьких трещинах. Вещи такого рода.
Лава не гладкая. Внутренняя часть лавовых трубок по своей природе гладкая, но есть много материала, который сжимается, трескается и падает. Таким образом, есть куча обломков, чтобы обойти и снова, и много изменений высоты. И это то, что обычные роботы не могут сделать.
Первоначальный источник: НАСА Астробиология
