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Tesoro, hanno ridotto il Rover
Se i giudici Nobel dessero un premio per i risultati ottenuti, un buon candidato potrebbe essere un robot a sei ruote delle dimensioni di un portapane di nome Sojourner. Per quanto riguarda i robot, il rover che ha esplorato Marte l'anno scorso era un modesto aggeggio; viaggiava solo circa due piedi al minuto ed eseguiva solo due semplici operazioni scientifiche, fotografando rocce e leggendo le loro firme chimiche. E la macchina è costata solo $ 25 milioni, con la missione Pathfinder che l'ha portata su Marte a un affare a $ 266 milioni, un quarto del costo di un singolo volo spaziale. Ma Sojourner era l'Energizer Bunny dei robot, il rover che continuava a vagare. I funzionari hanno prudentemente previsto che potrebbe operare per un mese su Marte; ha restituito i dati per tre.
Ha anche catturato l'immaginazione del pubblico come nessuna impresa spaziale aveva fatto da quando Neil Armstrong e Buzz Aldrin hanno piantato la bandiera degli Stati Uniti sulla luna. Nelle prime entusiasmanti settimane della missione, i molteplici siti Pathfinder World Wide Web della NASA hanno registrato circa 45 milioni di visite al giorno. Time e Newsweek hanno accordato le coperture simultanee dello sbarco di Pathfinder del 4 luglio e del successivo sbarco di Sojourner e il tipo di diffusione solitamente riservata all'inizio delle guerre o alla morte delle principesse. Mattel ha immediatamente esaurito la prima serie del suo giocattolo Sojourner Mighty Wheels. A un ricevimento di mezza estate, il vicepresidente Al Gore ha scherzato dicendo di essere stato sostituito da Sojourner come il robot preferito del mondo. L'umanità si era mai identificata così da vicino con?
una macchina?
Così il rover e il suo fedele lander hanno salvato la NASA dallo stigma di due decenni di costosi scarabocchi, disastri fatali e aspettative deluse. La strategia essenziale della riformata NASA - annullare le costose e pericolose spedizioni con equipaggio e lasciare che i robot e altri strumenti di esplorazione remota facessero il lavoro - era andata a buon fine.
Quello era solo l'inizio. La NASA sta ora preparando le generazioni successive di esploratori planetari che faranno sembrare Sojourner decisamente monotono: rover per attraversare molte miglia delle distese di Marte, raccogliendo campioni remoti per il trasporto sulla Terra; penetratori per sondare i mondi viventi che potrebbero trovarsi sotto rocce extraterrestri e croste di ghiaccio; e aerobot per osservare altri pianeti e le loro lune, da Venere a Titano, la luna di Giove, e forse anche Urano e Nettuno, dall'aria.
Per quanto esotici e selvaggiamente vari possano sembrare questi dispositivi, derivano tutti dallo stesso cambiamento critico nell'approccio della NASA all'esplorazione planetaria senza equipaggio quasi nove anni fa: più veloce, più economico, migliore. Questo cambiamento è stato avviato non attraverso la politica ufficiale della NASA, ma a dispetto di essa, da un piccolo gruppo di eretici costruttori di robot che hanno visto un modo migliore per andare su Marte di quello che vedevano i loro capi e che hanno lavorato di nascosto per rendere possibile l'idea. Apprezzare le radici di quella ribellione di costruzione di robot aiuta a capire perché l'esplorazione planetaria sta prendendo il corso che è.
All'inizio
La filosofia alla base più veloce, più economico, meglio è meno è meglio. Nel volo spaziale, la massa equivale a un sacco di soldi e la complessità significa rischio. Per rendere, ad esempio, i rover convenienti e affidabili, creali per essere il più leggeri e semplici possibile - 25 libbre nel caso di Sojourner, con un'unità di elaborazione a 8 bit, a livello degli anni '70, debole ma robusta per un cervello. Per quanto ovvia possa sembrare questa strategia ora, fino alla fine degli anni '80 il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA si è concentrato sulla costruzione di qualcosa di completamente diverso: una macchina davvero formidabile per dimensioni, portata, capacità di calcolo e operative e costi. Questo veicolo Mars Rover Sampler Return (MRSR) misurerebbe fino a 8 piedi di lunghezza e peserebbe mezza tonnellata. Sarebbe stato costruito per navigare per un anno e mezzo nel freddo pungente di Marte, attraverso 700 miglia dei suoi terreni vari e accidentati, raccogliendo campioni e aprendo la strada alle missioni umane. Costerebbe fino a 10 miliardi di dollari.
Poi la realtà fiscale ha colpito, ricorda David Lavery, manager del programma di ricerca telerobotica della NASA. Abbiamo capito che non sarebbe successo.
Fortunatamente, all'insaputa dei vertici della NASA, nei laboratori sul retro del JPL c'era un'alternativa, un esperimento trascurato di automazione e semplificazione dei robot. Anche se il JPL come istituzione stava inseguendo il sogno dell'MRSR fino al suo vicolo cieco, un piccolo gruppo di rover all'avanguardia e un altro gruppo di rinnegati dell'intelligenza artificiale, entrambi al JPL, stavano tranquillamente cercando soluzioni per conto loro.
Lo sforzo è iniziato nel 1988, quando Howard Eisen, ora capo ingegnere della mobilità per i rover del JPL, ha lasciato i suoi studi universitari al MIT per lavorare al laboratorio. Ha portato con sé un progetto di tesi particolarmente adatto: costruire un modello in scala un ottavo del potente MRSR. Ha scoperto che il modello, guidato da un cavo elettrico, ha funzionato molto meglio del previsto. In effetti, le sue ruote da cinque pollici potevano scavalcare oggetti alti fino a otto pollici. Quindi forse il jumbo MRSR non era necessario, pensò; potrebbe una piattaforma molto più piccola negoziare la superficie rocciosa di Marte?
Eisen e i suoi colleghi del JPL hanno deciso di costruire da soli una piattaforma di questo tipo nel garage dell'ingegnere (ed ex hot-rodder) Don Bickler. Dopo diverse prove, Bickler inventò un telaio a sei ruote in grado di mantenere peso e trazione uniformi su tutte le ruote. Gli ingegneri lo chiamarono un rocker/bogey dopo i suoi due elementi meccanici chiave e con tutto il dovuto onore chiamarono i successivi prototipi di rover Rocky. Tutti scherzavano sul fatto che avremmo avuto tanti sequel quanti i film di Rocky, ricorda Eisen. (Loro dovrebbero.)
A metà della costruzione del primo Rocky, i rinnegati del rover hanno ottenuto uno spazio di laboratorio al JPL e hanno acquisito nuovi collaboratori: un team di progettisti di intelligenza artificiale (AI). Ispirato dall'approccio dell'architettura di sussunzione del pioniere dell'intelligenza artificiale del MIT Rodney Brooks, che progettava robot per operare utilizzando una gerarchia di semplici reazioni agli stimoli-David Miller, un recente arrivo nella sezione AI del JPL, ha assunto lo studente di Brooks Colin Angle per un'estate. Al MIT Angle aveva creato il pionieristico robot Gengis, che nonostante le sue scarse capacità intellettuali poteva svolgere autonomamente una funzione abbastanza complessa: raccogliere tutte le tazze di caffè in ufficio. (Quella macchina è ora nel Museo Nazionale dell'Aria e dello Spazio.) Al JPL, Angle ha costruito un robot simile chiamato Tooth utilizzando un telaio di modello di auto, per meno di $ 500 in parti e $ 5.000 in manodopera. Il mio unico vincolo, ricorda Angle, era che non potevo spendere più di $ 50 per ogni parte, in modo che potesse venire tutto da una piccola cassa.
Miller e i suoi compagni di squadra hanno visto il potenziale del Rocky meccanico che il gruppo di Bickler aveva sviluppato. Sposando il cervello elettronico di Tooth con il corpo di Rocky 3, hanno creato il primo rover autonomo in grado di operare all'aperto, su terra reale.
I manager del JPL erano impressionati, ma erano ancora legati al loro grande MRSR. Poi i membri del Congresso hanno urlato a sue spese e quel progetto era morto. La NASA nel frattempo aveva trovato finanziamenti per un singolo piccolo lander Pathfinder e aveva cercato qualcosa per portarlo avanti. Ho detto, abbiamo questo rover', ricorda Miller. Alla fine i rinnegati avevano una vera missione su cui lavorare.
Ma non per molto. Come spesso accade quando le innovazioni vengono incanalate nel mainstream, gli innovatori sono stati esclusi. Miller e i suoi compagni di squadra hanno perso il controllo del progetto Rocky e tutti tranne uno hanno lasciato la JPL per il settore privato. I budget dei Rover sono aumentati, così come le scadenze. Il gruppo di Miller ha impiegato solo un anno e mezzo per passare da Tooth alla Rocky di quarta generazione, ma il JPL ha impiegato altri cinque anni per passare a Sojourner, il sesto della linea Rocky.
Brian Wilcox del JPL, che ha preso il timone del progetto microrover dopo Miller, sostiene che questa è stata una risposta naturale alle sfide di rendere le tecnologie abbastanza affidabili da funzionare nel duro ambiente marziano. In effetti, per quanto nuova potesse sembrare ai telespettatori, Pathfinder era una missione piuttosto conservatrice; Il JPL è tornato alla tecnologia di comando collaudata piuttosto che tentare un'operazione completamente autonoma. Meglio sicuro che avventuroso quando il mondo intero sta guardando.
I bambini di Rocky
Ma ora che Sojourner ha spianato la strada, altri esploratori planetari possono realizzare il potenziale a cui ha solo accennato. Rocky 7, equipaggiato con un braccio robotico e un albero della telecamera, oltre a un telaio in stile Sojourner, sta facendo i suoi passi all'asciutto Lavic Lake nel deserto del Mojave. Il fondale è un analogo di Marte particolarmente adatto, grazie agli aviatori della vicina base Twentynine Palms Marine; la loro pratica di bombardamento l'ha lasciata butterata da crateri, che si avvicinano alle migliaia che gli asteroidi hanno intaccato sulla superficie di Marte.
L'escursione a lunga distanza che Rocky 7 sta praticando in funzionamento autonomo e con sistemi sensoriali e di navigazione migliorati sarà fondamentale per i futuri rover su Marte. Sojourner strisciò solo per poche decine di metri sotto l'occhio vigile e controllante della posizione della sua nave madre Pathfinder. Ma Rocky 8, l'apparente rover per la missione su Marte del 2001 e il suo successore nel 2003, dovrà percorrere molte miglia, probabilmente su un terreno altopiano più accidentato e antico, dove è più probabile che si trovino tracce di vita antica. La NASA vuole che questi rover mettano nella cache campioni interessanti che una terza macchina, un rover di recupero più muscoloso e specializzato, dovrebbe raccogliere nel 2005 con l'aiuto di beacon elettronici lasciati con le cache. Quel rover potrebbe dover trasportare i campioni per altre miglia fino al lander per il ritorno sulla Terra e l'esame ravvicinato che potrebbe finalmente risolvere la questione della vita su Marte.
Coprire più terreno è solo una delle tante sfide che attendono i produttori di rover. Altri ruotano attorno a budget più ristretti. Steve Saunders, capo scienziato del progetto JPL per la missione Mars 2001, osserva che i veicoli futuri dovranno fare affidamento su un minore coinvolgimento umano. Mentre la missione Pathfinder ha occupato fino a 10 persone diversi mesi dopo l'atterraggio con questioni come il controllo e la risoluzione dei problemi, il budget di Mars 2001 consente una squadra operativa di circa 4. Anche i prossimi rover devono costare meno, guidare su razzi più piccoli, fare di più scienza (la NASA sta ancora analizzando esattamente cosa) e funziona 3 volte più a lungo di Sojourner. E a parte i fattori monetari, devono sopravvivere a una gamma di temperature ancora più ampia di quella di Sojourner (gli esperti ritengono che il freddo marziano abbia finalmente messo a tacere la missione Pathfinder).
Gran parte della speranza di affrontare queste sfide si basa sui nuovi compositi di grafite che la divisione dei sistemi meccanici di JPL sta creando. L'utilizzo di compositi coerenti in un rover potrebbe ridurre il raffreddamento differenziale distruttivo e la contrazione che ora si verifica quando vengono utilizzati vari metalli, rendendo la macchina meno vulnerabile ai cambiamenti di temperatura. E i compositi potrebbero alleggerire più peso dal carico utile finale, riducendo i costi. Già, un prototipo di Rover leggero sopravvissuto per la missione del '05 pesa solo 15 libbre, due terzi di quanto Sojourner, mentre si estende più di una volta e mezzo più lungo e largo ed è alto quasi il doppio, un piede dal terreno.
Inoltre, le ruote di questo prototipo collassano a un terzo del loro volume esteso e quindi possono essere racchiuse in una capsula di volo più piccola, afferma Paul Schenker, leader di ricerca e sviluppo della divisione. Stiamo estendendo questa idea all'intero telaio del rover, aggiunge, promettendo di rendere il rover per il recupero dei campioni veramente pieghevole e quindi anche più economico da inviare.
Il più grande progresso del team di Schenker è stato nella costruzione di bracci con materiali compositi leggeri. Un braccio, tutto composito fino al motore, pesa solo circa otto libbre ma può allungarsi fino a circa sei piedi, scavare una fossa, sollevare e depositare campioni e trasportare una microcamera. Un altro, del peso di due libbre, può sollevare più volte il proprio peso, in parte grazie a motori a ultrasuoni (così chiamati perché ronzano a frequenze impercettibili). Tali motori massimizzano la coppia, quindi la trazione e la leva, a velocità molto basse, che è proprio quello che si desidera per usi extraterrestri, dove le alte velocità aumentano il rischio di incidenti e richiedono più elaborazione delle informazioni. Inoltre, i motori a ultrasuoni a bassa velocità non richiedono riduttori come fanno i motori convenzionali per ridurre le loro rotazioni a velocità utili. Eliminando il cambio si elimina più peso; ancora una volta, meno è di più.
Quando i rover ultraleggeri con portata da pensione saranno pronti a volare, un saggio ancora più drammatico sulla miniaturizzazione dei rover potrebbe essersi dimostrato nel primo atterraggio su un asteroide. Ancora una volta, la necessità, sotto forma di restrizioni sul carico utile, è la madre del design. Nel settembre 2003, la missione spaziale giapponese nota come Muses-C dovrebbe atterrare sull'asteroide Nereus, largo mezzo miglio, che attraversa la terra. Il piano è di atterrare in tre siti (il decollo e l'atterraggio richiedono poca energia nella bassa gravità di un asteroide), raccogliere campioni e inviarli a terra entro gennaio 2006 utilizzando i paracadute lanciati dai voli spaziali. Ma prima Muses-C dovrebbe far scendere un passeggero americano, un rover.
Quando l'Istituto giapponese di scienze spaziali e astronomiche (ISAS) è venuto alla NASA in cerca di aiuto tecnico su Muses-C, ha offerto alla NASA la possibilità di riempire lo spazio di carico inutilizzato del lander. Gli americani pensarono di inviare un complemento di strumenti scientifici, ma decisero che se questi fossero stati attaccati al lander avrebbero semplicemente duplicato lo sforzo giapponese. Meglio inviare un rover per esplorare altre parti di Nereus.
Solo un intoppo: Muses-C ha solo due libbre di capacità di carico extra, con la metà necessaria per computer e apparecchiature di comunicazione per consentire alla NASA di parlare direttamente con il rover. Ergo il prossimo passo nella miniaturizzazione: un nanorover da una libbra. (Questo è un termine d'arte, dal momento che la nanotecnologia di solito si riferisce al lavoro a livello molecolare. Ma cos'altro si chiama una macchina un ventesimo delle dimensioni di un microrover?) Gli strumenti scientifici del nanorover saranno più sofisticati del relativamente gigantesco Sojourner : uno spettrometro a infrarossi per leggere le firme chimiche mediante raggi infrarossi, una fotocamera per immagini con ruote portafiltri a otto posizioni per la lettura di vari spettri luminosi e forse uno spettrometro a raggi X. Ma la macchina avrà un telaio molto più semplice. Un prototipo attuale ha solo due ruote, sulle quali scivolerà e si capovolgerà (e poi si raddrizzerà). Su un asteroide, dove gli impatti sono solo apparentemente leggeri, tale carenatura non sarà il disastro che sarebbe su un pianeta a grandezza naturale. In condizioni di bassa gravità, dove l'arresto è difficile, tali movimenti sono comunque inevitabili.
Un asteroide presenta sfide di temperatura ancora più spaventose di Marte. Brian Wilcox, supervisore del gruppo di robotica del JPL, osserva che Sojourner funzionava solo quando era caldo, dopo che il suo isolamento in gel aveva intrappolato abbastanza calore ogni giorno. Ma isolare è inutile su qualcosa di piccolo come un nanorover, con la sua superficie proporzionalmente elevata. E gli esploratori di asteroidi devono prepararsi per fluttuazioni di temperatura di 250 gradi Celsius dal giorno alla notte. I componenti elettrici sono in genere classificati solo fino all'intervallo di temperatura di un'automobile, circa 120 gradi. Trovare componenti in grado di gestire meno-125 gradi è una sfida principale, afferma l'ingegnere di sistemi JPL Rick Welch, che ha lavorato al nanorover. Le parti appropriate tendono ad essere componenti elettronici semiconduttori a ossido di metallo complementari CMOS, che mantengono la conduttività e funzionano a temperature estremamente basse. Il rover di asteroidi sarà un cingolato notturno; durante il giorno [scottante], lo spegneremo semplicemente, osserva.
Negli ultimi quattro anni il JPL ha lavorato anche sull'idea dell'esplorazione aerea: aerobot, palloni robotici autonomi che potrebbero coprire un territorio molto più ampio di qualsiasi rover terrestre, producendo fotografie a una risoluzione molto più elevata rispetto ai satelliti. L'idea non è nuova; nel 1985 sovietici e francesi inviarono un pallone da ricognizione su Venere. Si è comportato brevemente ma bene, oscillando verso l'alto quando si avvicinava alla calda superficie venutiana e i gas nella sua sacca si espandevano, poi verso il basso quando colpiva la fredda stratosfera e quei gas si condensavano.
Ma gli aerobot che JPL sta progettando (e per i quali lancerà un banco di prova all'inizio di quest'anno) sono molto più sofisticati. Piuttosto che galleggiare ad un'altezza costante, controlleranno la loro altitudine attraverso valvole che possono rilasciare o confinare i gas che danno loro galleggiabilità. Così, spiega Aaron Bachelder, ingegnere di sistemi aerobot del JPL, saranno in grado di librarsi per un po' di tempo (forse un'ora o giù di lì sopra Venere, a causa del forte calore, intorno ai 460 gradi Celsius sulla sua superficie). Poi si ritireranno nella stratosfera per rinfrescarsi. I serpenti, lunghe appendici pendenti e flessibili, proteggeranno dagli urti trasferendo il peso dall'aerobot a terra se il pallone si libra troppo in basso. Gli aerobot conterranno anche sensori e strumenti scientifici ottimizzati per lo studio ravvicinato della superficie. E, insiste Jim Cutts, responsabile dei progetti speciali del JPL, in realtà è stato dimostrato dai francesi che non si impigliano nelle rocce nelle prove sulla terra. Aggiunge, prendendo una pagina dal libro di gioco del nanorover, che il suo equipaggio sta progettando aerobot abbastanza leggeri - circa 22 libbre - per fare l'autostop con altre missioni.
La NASA stava valutando Venere come la prima destinazione degli aerobot, dal momento che il suo calore, troppo grande per i rover, rende quel pianeta una scelta ottimale per i palloni. E i venti prevedibili di Venere rendono anche un luogo più facile per pianificare i percorsi per i dispositivi rispetto al burrascoso Marte. Ma ora che il trionfo di Pathfinder ha reso Marte di moda, Cutts spera anche di inviare un aerobot su Marte nel 2003, magari in sella al rover a caccia di rocce di quell'anno.
Le prospettive di Aerobots non finiscono con i due pianeti più vicini. Il JPL ha anche abbozzato missioni aerobot sulla luna gioviana Titano e sui pianeti gassosi esterni. Poiché quei pianeti hanno atmosfere molto più leggere, i palloni di gas leggero non funzionerebbero su di loro nel modo in cui dovrebbero funzionare sui pianeti solidi. E così le missioni su Giove, Saturno, Urano e Nettuno farebbero affidamento su una tecnologia diversa e venerabile: mongolfiere, riscaldate dalla radiazione infrarossa dei pianeti.
Se gli aerobot andranno bene, la tecnologia avrà chiuso il cerchio; i palloni, la prima forma di trasporto aereo, voleranno all'avanguardia nell'esplorazione planetaria. Questa è solo un'ulteriore indicazione della diversità negli approcci che la NASA ha impiegato negli otto anni da quando ha smesso di riporre le sue speranze nelle indagini su un singolo enorme rover su Marte.