211service.com
Schat, ze hebben de Rover gekrompen
Als de Nobelprijswinnaars een prijs zouden toekennen voor overprestatie, zou een goede kandidaat een zeswielige robot ter grootte van een broodtrommel zijn, genaamd Sojourner. Zoals robots gaan, was de rover die vorig jaar Mars verkende een bescheiden apparaat; het reisde slechts ongeveer twee voet per minuut en voerde slechts twee eenvoudige wetenschappelijke operaties uit, het fotograferen van rotsen en het lezen van hun chemische handtekeningen. En de machine kostte slechts $ 25 miljoen, met de Pathfinder-missie die hem naar Mars bracht een koopje van $ 266 miljoen, een kwart van de kosten van een enkele vlucht met een ruimtependel. Maar Sojourner was het Energizer Bunny onder de robots, de rover die maar bleef rondzwerven. Ambtenaren voorspelden voorzichtig dat het een maand op Mars zou kunnen werken; het stuurde gegevens terug voor drie.
Het greep ook de publieke verbeeldingskracht, aangezien er geen ruimtevaartonderneming was geweest sinds Neil Armstrong en Buzz Aldrin de vlag van de Verenigde Staten op de maan plantten. In de eerste onstuimige weken van de missie registreerden NASA's meerdere Pathfinder World Wide Web-sites ongeveer 45 miljoen hits per dag. Time en Newsweek gaven Pathfinder's 4 juli-landing en Sojourner's daaropvolgende ontscheping gelijktijdige covers en het soort spreads dat gewoonlijk is gereserveerd voor het begin van oorlogen of de dood van prinsessen. Mattel verkocht onmiddellijk de eerste run van zijn Sojourner Mighty Wheels-speelgoed. Tijdens een midzomerreceptie grapte vice-president Al Gore dat hij was vervangen door Sojourner als 's werelds favoriete robot. Had de mensheid zich ooit zo nauw vereenzelvigd met?
een machine?
Zo hebben de rover en zijn trouwe lander NASA gered van het stigma van twee decennia van dure boeien, fatale rampen en verpletterde verwachtingen. De essentiële strategie van de hervormde NASA - nix de dure, gevaarlijke bemande expedities en het werk laten doen van robots en andere verkenningstools op afstand - was uitgekomen.
Dat was nog maar het begin. NASA bereidt nu volgende generaties van planetaire ontdekkingsreizigers voor die Sojourner er beslist eentonig uit zullen laten zien: rovers om vele kilometers van de uitgestrektheid van Mars te doorkruisen en verafgelegen monsters te verzamelen voor transport terug naar de aarde; penetrators om de levende werelden te onderzoeken die onder buitenaardse rotsen en ijskorsten zouden kunnen liggen; en aerobots om andere planeten en hun manen, van Venus tot Jupiters maan Titan, en misschien zelfs Uranus en Neptunus, vanuit de lucht te onderzoeken.
Hoe exotisch en enorm gevarieerd deze apparaten ook mogen lijken, ze komen allemaal voort uit dezelfde kritieke verandering in NASA's benadering van onbemande planetaire verkenning bijna negen jaar geleden - sneller, goedkoper, beter. Deze verandering werd niet geïnitieerd door het officiële NASA-beleid, maar in weerwil ervan, door een kleine groep ketters die robots bouwden die een betere manier zagen om naar Mars te gaan dan hun bazen zagen en die heimelijk werkten om het idee mogelijk te maken. Het waarderen van de wortels van die rebellie in het bouwen van robots helpt te begrijpen waarom planetaire verkenningen nu de loop nemen die het is.
In het begin
De filosofie die ten grondslag ligt aan sneller, goedkoper, beter is minder is meer. Bij ruimtevluchten staat massa gelijk aan geld - veel geld - en complexiteit betekent risico. Om, laten we zeggen, rovers betaalbaar en betrouwbaar te maken, moet je ze zo licht en eenvoudig mogelijk maken - 25 pond in het geval van Sojourner, met een zwakke maar stevige 8-bits verwerkingseenheid op het niveau van de jaren 70 voor een brein. Hoe voor de hand liggend deze strategie nu ook lijkt, aan het eind van de jaren tachtig concentreerde NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) zich op het bouwen van iets heel anders: een werkelijk formidabele machine in omvang, bereik en rekenkundig en operationeel vermogen - en kosten. Dit Mars Rover Sampler Return (MRSR)-voertuig zou tot 8 voet lang zijn en een halve ton wegen. Het zou worden gebouwd om anderhalf jaar te cruisen in de straffe kou van Mars, over 700 mijl van zijn gevarieerde, ruige terreinen, monsters te verzamelen en een pad te banen voor menselijke missies. Het zou tot 10 miljard dollar kosten.
Toen sloeg de fiscale realiteit toe, herinnert David Lavery, manager van NASA's onderzoeksprogramma voor telerobotica zich. We realiseerden ons dat het gewoon niet zou gebeuren.
Gelukkig wachtte de NASA-koper een alternatief in de achterste laboratoria van JPL - een verwaarloosd experiment in robotautomatisering en vereenvoudiging. Zelfs toen JPL als instelling de MRSR-droom tot zijn dood najaagde, waren een kleine groep beginnende rover en een andere groep van kunstmatige-intelligentie-afvalligen, beide bij JPL, stilletjes op zoek naar eigen oplossingen.
De inspanning begon in 1988, toen Howard Eisen, nu hoofdmobiliteitsingenieur voor JPL's rovers, zijn afstudeerstudie aan het MIT verliet om in het laboratorium te werken. Hij bracht een bijzonder geschikt scriptieproject met zich mee: het bouwen van een één-achtste-schaalmodel van de machtige MRSR. Hij ontdekte dat het model, geleid door een elektrische ketting, veel beter presteerde dan verwacht. Inderdaad, zijn vijf-inch wielen konden over objecten tot twintig centimeter hoog klimmen. Dus misschien was de jumbo MRSR niet nodig, dacht hij; zou een veel kleiner platform het rotsachtige oppervlak van Mars kunnen bereiken?
Eisen en zijn JPL-collega's gingen op eigen houtje zo'n platform bouwen in de garage van ingenieur (en voormalig hot-rodder) Don Bickler. Na verschillende proeven vond Bickler een zeswielig chassis uit dat een gelijkmatig gewicht en tractie op alle wielen kon behouden. De ingenieurs noemden het een rocker/bogey naar de twee belangrijkste mechanische elementen en met alle eer noemden ze de daaropvolgende rover-prototypes Rocky. Iedereen maakte een grapje over de vraag of we net zoveel sequels zouden hebben als de Rocky-films, herinnert Eisen zich. (Zij zouden.)
Halverwege de bouw van de eerste Rocky kregen de rover-renegades laboratoriumruimte bij JPL en kregen ze nieuwe medewerkers: een team van kunstmatige intelligentie (AI) ontwerpers. Geïnspireerd door de subsumptie-architectuurbenadering van MIT's AI-pionier Rodney Brooks, die robots ontwerpt om te werken met behulp van een hiërarchie van eenvoudige reacties op stimuli. David Miller, een recente aankomst bij JPL's AI-sectie, huurde Brooks' student Colin Angle in voor een zomer. Bij MIT had Angle de baanbrekende Genghis-robot gemaakt, die ondanks zijn lage denkkracht autonoom een vrij complexe functie kon uitvoeren: alle koffiekopjes op kantoor verzamelen. (Die machine bevindt zich nu in het National Air and Space Museum.) Bij JPL bouwde Angle een vergelijkbare robot genaamd Tooth met behulp van een modelautochassis, voor minder dan $ 500 aan onderdelen en $ 5.000 aan arbeid. Mijn enige beperking, herinnert Angle zich, was dat ik niet meer dan $ 50 voor elk onderdeel kon uitgeven, dus het kon allemaal uit kleingeld komen.
Miller en zijn teamgenoten zagen het potentieel van de mechanische Rocky die de groep van Bickler had ontwikkeld. Door het elektronische brein van Tooth te trouwen met het lichaam van Rocky 3, creëerden ze de eerste autonome rover die buitenshuis kon werken, op echt vuil.
JPL-managers waren onder de indruk, maar waren nog steeds trouw aan hun grote MRSR. Toen huilden congresleden ten koste van alles en dat project was dood. NASA had intussen geld gevonden voor een enkele kleine Pathfinder-lander en had rondgekeken naar iets om daarop voort te bouwen. Ik zei: toevallig hebben we deze ene rover', herinnert Miller zich. Eindelijk hadden de afvalligen een echte missie om aan te werken.
Maar niet voor lang. Zoals zo vaak gebeurt wanneer innovaties naar de mainstream worden gekanaliseerd, werden de innovators in de kou gelaten. Miller en zijn teamgenoten verloren de controle over het Rocky-project, en op één na verlieten ze JPL voor de particuliere sector. Rover-budgetten namen toe, en dat gold ook voor de tijdlijnen. De groep van Miller deed er slechts anderhalf jaar over om van Tooth naar de vierde generatie Rocky te gaan, maar JPL deed er daarna nog vijf jaar over om door te groeien naar Sojourner, de zesde in de Rocky-lijn.
Brian Wilcox van JPL, die na Miller het roer overnam van het microrover-project, stelt dat dit een natuurlijk antwoord was op de uitdagingen om technologieën betrouwbaar genoeg te maken om te werken in de barre omgeving van Mars. Inderdaad, hoe nieuw het ook voor tv-kijkers leek, Pathfinder was een nogal conservatieve missie; JPL greep terug naar beproefde commandotechnologie in plaats van een volledig autonome operatie te proberen. Beter veilig dan gewaagd als de hele wereld toekijkt.
Rocky's Kids
Maar nu Sojourner de weg heeft geplaveid, kunnen andere planetaire ontdekkingsreizigers het potentieel realiseren waar het alleen maar op gezinspeelde. Rocky 7, uitgerust met een robotarm en cameramast en een chassis in Sojourner-stijl, doet zijn best bij het droge Lavic-meer in de Mojave-woestijn. De bodem van het meer is een bijzonder geschikte Mars-analoog, dankzij de vliegeniers op de nabijgelegen Twentynine Palms Marine-basis; hun bombardementen hebben ervoor gezorgd dat het vol met kraters zit, in de buurt van de duizenden die asteroïden in het oppervlak van Mars hebben gejat.
Het langeafstandswandelen dat Rocky 7 onder autonome werking en met verbeterde sensorische en navigatiesystemen beoefent, zal van cruciaal belang zijn voor toekomstige Mars-rovers. Sojourner kroop slechts een paar meter onder het waakzame, positiecontrolerende elektronische oog van zijn Pathfinder-moederschip. Maar Rocky 8, de rover-schijnbare voor de Mars-missie van 2001 en de opvolger van 2003, zal vele kilometers moeten afleggen, waarschijnlijk op ruig, ouder hoogland waar sporen van oud leven waarschijnlijker zijn te vinden. NASA wil dat deze rovers interessante monsters cachen die nog een derde machine - een sterkere, meer gespecialiseerde ophaalrover - in 2005 zal ophalen met behulp van elektronische bakens die bij de caches zijn achtergelaten. Die rover moet de monsters misschien nog meer kilometers naar de lander slepen voor terugkeer naar de aarde en het nauwkeurige onderzoek dat uiteindelijk de kwestie van het leven op Mars kan oplossen.
Meer terrein bestrijken is slechts een van de vele uitdagingen die de rovermakers te wachten staan. Anderen draaien om meer beperkte budgetten. Steve Saunders, JPL's hoofdprojectwetenschapper voor de Mars 2001-missie, merkt op dat toekomstige voertuigen zullen moeten vertrouwen op minder menselijke betrokkenheid. Terwijl de Pathfinder-missie enkele maanden na de landing tot 10 mensen in beslag nam met zaken als controle en probleemoplossing, staat het budget van Mars 2001 een operatieteam van ongeveer 4 personen toe. De volgende rovers moeten ook minder kosten, op kleinere raketten rijden, meer doen wetenschap (NASA is nog steeds aan het uitzoeken wat precies) en loopt 3 keer langer dan Sojourner. En afgezien van monetaire factoren, moeten ze een nog groter temperatuurbereik overleven dan Sojourner deed (experts denken dat de kou van Mars uiteindelijk de Pathfinder-missie tot zwijgen heeft gebracht).
Een groot deel van de hoop om deze uitdagingen aan te gaan, berust op de nieuwe grafietcomposieten die de afdeling mechanische systemen van JPL aan het creëren is. Het gebruik van consistente composieten in een rover zou de destructieve differentiële koeling en contractie kunnen verminderen die nu optreedt wanneer verschillende metalen worden gebruikt, waardoor de machine minder kwetsbaar wordt voor temperatuurveranderingen. En composieten kunnen meer gewicht besparen op de uiteindelijke lading, waardoor de kosten dalen. Een prototype Lichtgewicht Survivable Rover voor de missie van '05 weegt al slechts 15 pond - tweederde zoveel als Sojourner - terwijl hij meer dan anderhalf keer zo lang en breed is en bijna twee keer zo hoog staat, een voet Van de grond.
Verder storten de wielen van dit prototype in tot een derde van hun uitgebreide volume en kunnen ze dus in een kleinere vluchtcapsule worden verpakt, zegt Paul Schenker, de onderzoeks- en ontwikkelingsleider van de divisie. We breiden dat idee uit naar het hele rover-frame, voegt hij eraan toe, en hij belooft de rover voor het ophalen van monsters echt inklapbaar te maken en dus nog goedkoper om te verzenden.
De grootste vooruitgang van het team van Schenker was het bouwen van armen van lichtgewicht composieten. Eén arm, geheel van composiet tot aan de motor, weegt slechts ongeveer acht pond, maar kan worden verlengd tot ongeveer zes voet, een greppel graven, monsters optillen en neerleggen en een microcamera slingeren. Een ander, met een gewicht van twee pond, kan meerdere keren zijn eigen gewicht tillen, deels dankzij ultrasone motoren (zo genoemd omdat ze op onhoorbare frequenties zoemen). Dergelijke motoren maximaliseren het koppel - dus tractie en hefboomwerking - bij zeer lage snelheden, wat precies is wat u wilt voor buitenaards gebruik, waar hoge snelheden het risico op ongevallen vergroten en meer informatieverwerking vereisen. Bovendien hebben ultrasone motoren met lage snelheid geen versnellingsbakken nodig zoals conventionele motoren om hun rotaties tot bruikbare snelheden te verminderen. Het elimineren van de versnellingsbak elimineert meer gewicht; nogmaals, minder is meer.
Tegen de tijd dat de ultralichte rovers met boarding-house-bereiken klaar zijn om te vliegen, kan een nog dramatischer essay in roverminiaturisatie zichzelf hebben bewezen in de allereerste landing op een asteroïde. Nogmaals, noodzaak, in de vorm van beperkingen van het laadvermogen, is de moeder van het ontwerp. In september 2003 zal de Japanse ruimtemissie, bekend als Muses-C, landen op de 800 meter brede asteroïde Nereus. Het plan is om op drie locaties te landen (opstijgen en opnieuw landen vereist weinig kracht in de lage zwaartekracht van een asteroïde), monsters te verzamelen en deze tegen januari 2006 naar de aarde te sturen met behulp van parachutes die uit ruimtevluchten zijn gevallen. Maar eerst moet Muses-C een Amerikaanse passagier afzetten, een rover.
Toen het Japanse Institute of Space and Astronomical Science (ISAS) naar NASA kwam voor technische hulp bij Muses-C, bood het NASA de kans om de ongebruikte laadruimte van de lander in te vullen. De Amerikanen dachten erover om een aanvulling van wetenschappelijke instrumenten te sturen, maar besloten dat als deze aan de lander werden bevestigd, ze de Japanse inspanning alleen maar zouden dupliceren. Het is beter om een rover te sturen om andere delen van Nereus te verkennen.
Slechts één hapering: Muses-C heeft slechts twee pond extra laadvermogen, waarvan de helft nodig is voor computer- en communicatieapparatuur om NASA in staat te stellen rechtstreeks met de rover te praten. Dus de volgende stap in miniaturisatie: een nanorover van een pond. (Dit is een kunstterm, aangezien nanotechnologie meestal verwijst naar werk op moleculair niveau. Maar hoe noem je een machine een twintigste van de grootte van een microrover?) De wetenschappelijke instrumenten van de nanorover zullen geavanceerder zijn dan de relatief gigantische Sojourner's : een infraroodspectrometer voor het lezen van chemische handtekeningen door infraroodstralen, een beeldcamera met filterwielen met acht posities voor het lezen van verschillende lichtspectra, en misschien een röntgenspectrometer. Maar de machine zal een veel eenvoudiger chassis hebben. Een huidig prototype heeft slechts twee wielen, waarop het zal slippen en zelfs over de kop zal slaan (en dan zichzelf recht). Op een asteroïde, waar de inslagen ogenschijnlijk licht zijn, zal een dergelijke ramp niet de ramp zijn die het zou zijn op een volledige planeet. Bij lage zwaartekracht, waar stoppen moeilijk is, zijn dergelijke bewegingen sowieso onvermijdelijk.
Een asteroïde biedt nog meer angstaanjagende temperatuuruitdagingen dan Mars. Brian Wilcox, supervisor van de roboticagroep van JPL, merkt op dat Sojourner alleen werkte als het warm was - nadat de gelisolatie elke dag voldoende warmte had vastgehouden. Maar isoleren is zinloos voor zoiets kleins als een nanorover, met zijn proportioneel grote oppervlakte. En asteroïde ontdekkingsreizigers moeten zich schrap zetten voor temperatuurschommelingen van 250 graden Celsius van dag tot nacht. Elektrische componenten worden doorgaans alleen beoordeeld tot het temperatuurbereik van een auto - ongeveer 120 graden. Het vinden van componenten die min-125 graden aankunnen is een grote uitdaging, zegt JPL-systeemingenieur Rick Welch, die aan de nanorover heeft gewerkt. De geschikte onderdelen zijn meestal CMOS-complementaire metaaloxide-halfgeleiderelektronica, die de geleidbaarheid handhaaft en bij extreem lage temperaturen werkt. De asteroïde rover zal een nachtcrawler zijn; tijdens de [verzengende] dag zullen we het gewoon uitschakelen, merkt hij op.
De afgelopen vier jaar heeft JPL ook gewerkt aan het idee van verkenning vanuit de lucht: aerobots, autonome robotballonnen die een veel groter gebied kunnen bestrijken dan welke grondrover dan ook, terwijl ze fotografie met een veel hogere resolutie produceren dan satellieten. Het idee is niet nieuw; in 1985 stuurden de Sovjets en de Fransen een onderzoeksballon naar Venus. Het presteerde kort maar goed, dobberde omhoog toen het het hete Venutiaanse oppervlak naderde en de gassen in zijn zak expandeerden, en vervolgens naar beneden toen het de koude stratosfeer raakte en die gassen condenseerden.
Maar de aerobots die JPL ontwerpt (en waarvoor het begin dit jaar een testbed zal lanceren) zijn veel geavanceerder. In plaats van op een constante hoogte te drijven, zullen ze hun hoogte regelen via kleppen die de gassen die hen drijfvermogen geven, kunnen vrijgeven of beperken. Dus, legt JPL aerobot-systeemingenieur Aaron Bachelder uit, ze zullen een tijdje kunnen zweven (misschien een uur of zo boven Venus, vanwege de felle hitte, ongeveer 460 graden Celsius op het oppervlak). Daarna trekken ze zich terug in de stratosfeer om af te koelen. Slangen - lange, bungelende flexibele aanhangsels - beschermen tegen crashes door het gewicht van de aerobot naar de grond te verplaatsen als de ballon te laag zweeft. De aerobots zullen ook gestroomlijnde sensoren en wetenschappelijke instrumenten bevatten om het oppervlak van dichtbij te bestuderen. En, JPL-manager voor speciale projecten, Jim Cutts, benadrukt dat het is bewezen dat ze niet op rotsen blijven haken in aardproeven door de Fransen. Hij voegt eraan toe, een pagina uit het nanorover-speelboek halen, dat zijn bemanning aerobots ontwerpt die licht genoeg zijn - ongeveer 22 pond - om mee te liften met andere missies.
NASA rekende op Venus als de eerste aerobotbestemming, omdat de hitte - te groot voor grondrovers - die planeet een optimale keuze maakt voor de ballonnen. En de voorspelbare winden van Venus maken het ook een gemakkelijkere plek om routes voor de apparaten te plannen dan het stormachtige Mars. Maar nu de triomf van Pathfinder Mars modieus heeft gemaakt, hoopt Cutts ook om in 2003 een aerobot naar Mars te sturen, misschien samen met de rock-hunting rover van dat jaar.
De vooruitzichten van Aerobots eindigen niet bij de twee dichtstbijzijnde planeten. JPL heeft ook aerobot-missies naar de Jupitermaan Titan en de buitenste gasplaneten geschetst. Omdat die planeten veel lichtere atmosferen hebben, zouden lichtgasballonnen er niet op werken zoals op vaste planeten wordt verwacht. En dus zouden missies naar Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus steunen op een andere, eerbiedwaardige technologie: heteluchtballonnen, verwarmd door de eigen infraroodstraling van de planeten.
Als de aerobots uitkomen, is de technologie rond; ballonnen, de vroegste vorm van transport in de lucht, zullen in de voorhoede van planetaire verkenning vliegen. Dat is nog maar een indicatie van de diversiteit in benaderingen die NASA heeft gebruikt in de acht jaar sinds het stopte met het vestigen van zijn hoop op onderzoek op een enkele massieve Marsrover.