Planeten MicroBots. Bildekreditt: NASA Trykk for større bilde
Intervju med Penny Boston, del I
Hvis du vil reise til fjerne stjerner, eller finne liv i en annen verden, krever det litt planlegging. Derfor har NASA opprettet NIAC, NASA Institute for Advanced Concepts. I løpet av de siste årene har NASA oppfordret forskere og ingeniører til å tenke utenfor boksen, for å komme med ideer akkurat denne siden av science fiction. Deres håp er at noen av disse ideene vil panorere seg, og gi byrået teknologier det kan bruke 20, 30 eller 40 år nede i veien.
NIAC gir finansiering på konkurransedyktig basis. Bare en håndfull av dusinvis av innsendte forslag er finansiert. Fase I-finansiering er minimal, akkurat nok til at forskere kan utarbeide ideen sin på papir. Hvis ideen viser meritter, kan den få fase II-finansiering, slik at forskningen kan fortsette fra det rene konseptet til råprototypetrinnet.
Et av prosjektene som fikk fase II-finansiering tidligere i år, var et samarbeid mellom Dr. Penelope Boston og Dr. Steven Dubowsky for å utvikle “hopping microbots” som er i stand til å utforske farlig terreng, inkludert underjordiske huler. Hvis prosjektet panner ut, kan hopping av mikroboter en dag bli sendt for å søke etter liv under overflaten til Mars.
Boston tilbringer mye tid i huler, og studerer mikroorganismer som bor der. Hun er direktør for Cave and Karst Studies Program og førsteamanuensis ved New Mexico Tech i Socorro, New Mexico. Dubowsky er direktør for MIT felt- og romrobotikklaboratorium ved MIT, i Cambridge, Massachusetts. Han er delvis kjent for sin forskning på kunstige muskler.
Astrobiology Magazine intervjuet Boston kort tid etter at hun og Dubowsky fikk sin fase II NIAC-bevilgning. Dette er det første av et todelt intervju. Astrobiology Magazine (AM): Du og Dr. Steven Dubowsky har nylig mottatt midler fra NIAC for å jobbe med ideen om å bruke miniatyrroboter for å utforske huler under overflaten på Mars? Hvordan ble dette prosjektet til?
Penny Boston (PB): Vi har jobbet ganske mye i huler på jorden med et øye for å se på de mikrobielle innbyggerne i disse unike miljøene. Vi tror de kan tjene som maler for å se etter livsformer på Mars og andre utenomjordiske kropper. Jeg publiserte et papir i 1992, med Chris McKay og Michael Ivanov, og antydet at undergrunnen til Mars ville være den siste tilflukt for liv på planeten da den ble kaldere og tørrere over geologisk tid. Det fikk oss til å se på undergrunnen på jorden. Da vi gjorde det, oppdaget vi at det er et fantastisk utvalg av organismer som tilsynelatende er urfolk på undergrunnen. De samhandler med mineralogien og produserer unike biosignaturer. Så det ble et veldig fruktbart område for oss å studere.
Å komme inn i vanskelige huler selv på denne planeten er ikke så lett. Å oversette det til robot utenomjordiske oppdrag krever en viss tanke. Vi har gode avbildningsdata fra Mars som viser tydelige geomorfologiske bevis for minst lava-rørhuler. Så vi vet at Mars har minst den ene typen hule som kan være et nyttig vitenskapelig mål for fremtidige oppdrag. Det er sannsynlig å tenke at det også er andre typer huler, og vi har et presse i en kommende Geological Society of America Special Paper som utforsker unike huledannende (speleogenetiske) mekanismer på Mars. Det store festepunktet er hvordan man kan komme seg rundt i et så strengt og vanskelig terreng.
AM: Kan du beskrive hva du gjorde i første fase av prosjektet?
PB: I fase I ønsket vi å fokusere på robotenheter som var små, veldig mange (derav forbruksverdige), stort sett autonome, og som hadde den bevegeligheten som var nødvendig for å komme inn i tøffe terreng. Basert på Dr. Dubowskys pågående arbeid med kunstig-muskelaktivert robotbevegelse, kom vi på ideen om mange, mange, bittesmå små kuler, omtrent på størrelse med tennisballer, som egentlig hopper, nesten som meksikanske hoppebønner. De lagrer muskelkraft, så å si, og så avkoker de seg i forskjellige retninger. Slik beveger de seg.
kreditering: Gjengitt av R.D.Gus Frederick
Planetisk innstilling for storskala planetarisk overflate og undergrunnsundersøkelse. Klikk på bildet for å se større bilde.
Bildekreditt: Gjengitt av R.D.Gus Frederick
Vi har beregnet at vi antagelig kunne pakke rundt tusen av disse karene i en nyttelastmasse på størrelse med en av de nåværende MER-ene (Mars Exploration Rovers). Det vil gi oss fleksibiliteten til å lide tapet av en stor prosentandel av enhetene og fremdeles ha et nettverk som kan gjøre rekontroll og sensing, avbildning, og kanskje til og med noen andre vitenskapelige funksjoner.
AM: Hvordan koordinerer alle disse små kulene med hverandre?
PB: De oppfører seg som en sverm. De forholder seg til hverandre ved å bruke veldig enkle regler, men det gir mye fleksibilitet i deres kollektive atferd som gjør dem i stand til å oppfylle kravene til uforutsigbart og farlig terreng. Det endelige produktet vi ser for oss er en flåte av disse små karene som blir sendt til en lovende destinasjonsside, avgårde fra lander for deretter å komme seg videre til et eller annet underjordisk terreng eller annet farlig terreng, der de distribuerer seg som et nettverk. De oppretter et mobilnettverk på node-til-node-basis.
AM: Er de i stand til å kontrollere retningen de hopper i?
PB: Vi har ambisjoner om at de til slutt skal være veldig dyktige. Når vi går inn i fase II, jobber vi sammen med Fritz Printz i Stanford på ultra-miniatyr brenselceller for å gi strøm til disse små gutta, noe som vil gjøre dem i stand til å gjøre et ganske komplekst utvalg av ting. En av disse mulighetene er å ha litt kontroll over retningen de går. Det er visse måter de kan bygges på, slik at de fortrinnsvis kan gå i en eller annen retning. Det er ikke fullt så presist som det ville være hvis de var hjul-rovere som bare skulle på en rett vei. Men de kan fortrinnsvis ikke skremme seg mer eller mindre i den retningen de ønsker å gå. Så vi ser for oss at de i det minste vil ha rå kontroll over retning. Men mye av verdien har å gjøre med deres svermbevegelse som en ekspanderende sky.
Så fantastiske som MER-roverne er, for den typen vitenskap jeg gjør, trenger jeg noe mer beslektet med insektrobot-ideen som Rodney Brooks var pioner på MIT. Å kunne benytte seg av modellen for insektintelligens og tilpasning til leting hadde lenge appellert til meg. Å legge det til den unike mobiliteten som Dr. Dubowskys hoppidee gir, tror jeg, kan gjøre det mulig for en rimelig prosentandel av disse små enhetene å overleve farene ved terreng i undergrunnen - som bare virket som en magisk kombinasjon for meg.
HB: Så i fase I ble noen av disse faktisk bygd?
PB: Nei. Fase I, med NIAC, er en seks måneder lang hjernespenning, blyantstøtende studie, for å omfatte den moderne teknikken til de aktuelle teknologiene. I fase II skal vi gjøre en begrenset mengde prototyping og felt-testing, over en toårsperiode. Dette er langt mindre enn hva man måtte trenge for et faktisk oppdrag. Men det er naturligvis NIACs mandat, å undersøke teknologi 10 til 40 år ute. Vi tenker at dette sannsynligvis er i løpet av 10- til 20 år.
AM: Hva slags sensorer eller vitenskapelig utstyr forestiller du deg å kunne ta på deg disse tingene?
PB: Imaging er helt klart noe vi ønsker å gjøre. Ettersom kameraer blir utrolig bittesmå og robuste, er det allerede enheter i størrelsesområdet som kan monteres på disse tingene. Noen av enhetene kan være utstyrt med forstørrelsesevne, slik at man kan se på teksturen til materialene de lander på. Å integrere bilder tatt av bittesmå kameraer på mange forskjellige små enheter er et av områdene for fremtidig utvikling. Det er utenfor omfanget av dette prosjektet, men det er det vi tenker på for avbildning. Og da, helt sikkert kjemiske sensorer, som kan snuse og sanse det kjemiske miljøet, noe som er veldig kritisk. Alt fra bittesmå lasernoser til jonselektive elektroder for gasser.
Vi ser for oss å ikke ha dem alle like, men heller et ensemble, med nok av de forskjellige typer enheter utstyrt med forskjellige slags sensorer, slik at sannsynligheten fortsatt vil være høy, til og med gitt ganske høye tap av antall enheter, til at vi vil fremdeles ha en komplett serie sensorer. Selv om hver enkelt enhet ikke kan ha en gigantisk nyttelast av sensorer på seg, kan du ha nok slik at den kan gi betydelig overlapping med sine medenheter.
AM: Vil det være mulig å gjøre biologisk testing?
PB: Jeg tror det. Spesielt hvis du forestiller deg tidsrammen vi ser på, med fremskrittene som kommer på nettet med alt fra kvanteprikker til lab-on-a-chip-enheter. Selvfølgelig er vanskeligheten å få prøvemateriell til de. Men når vi har å gjøre med små jordkontakt-enheter som våre hoppende mikrobots, kan det hende du kan plassere dem direkte over materialet de vil teste. I kombinasjon med mikroskopi og bilder med bredere felt tror jeg at muligheten er til å gjøre noe seriøst biologisk arbeid.
AM: Har du en ide om hva milepælene er som du håper å få til i løpet av det toårige prosjektet ditt?
PB: Vi regner med at vi innen mars kan ha rå prototyper som har relevant mobilitet. Men det kan være altfor ambisiøst. Når vi først har mobile enheter, er planen vår å utføre feltprøving i virkelige lava-rørhuler som vi forsker på i New Mexico.
Feltnettstedet er allerede testet. Som en del av fase I kom MIT-gruppen ut, og jeg lærte dem litt om grotting og hvordan terrenget faktisk var. Det var en stor øyeåpner for dem. Det er en ting å designe roboter for hallene til MIT, men det er en annen ting å designe dem for steinete miljøer i verden. Det var en veldig lærerik opplevelse for oss alle. Jeg synes de har en ganske god ide om forholdene som er for at de må møte designen deres.
AM: Hva er disse forholdene?
PB: Ekstremt ujevnt terreng, mange sprekker som disse gutta kan bli fastkjørt midlertidig i. Så vi trenger driftsformer som gjør at de kan hente seg ut, i det minste med en rimelig sjanse for suksess. Utfordringene med kommunikasjonslinje på en svært grov overflate. Å komme over store steinblokker. Å sitte fast i små sprekker. Ting av den typen.
Lava er ikke glatt. Det indre av lavarør er i orden glatt etter at de er dannet, men det er mye materiale som krymper og sprekker og faller ned. Så det er søppelhauger å komme seg rundt og over, og mye høydeforandring. Og dette er ting som konvensjonelle roboter ikke har mulighet til.
Opprinnelig kilde: NASA Astrobiology
