Skat, de har krympet Roveren

Hvis Nobel-dommerne gav en pris for overpræstation, kunne en god kandidat være en sekshjulet robot på størrelse med brødkasse ved navn Sojourner. Mens robotter går, var roveren, der udforskede Mars sidste år, en beskeden ting; den rejste kun omkring to fod i minuttet og udførte blot to simple videnskabelige operationer, fotograferede sten og læste deres kemiske signaturer. Og maskinen kostede kun 25 millioner dollars, og Pathfinder-missionen, der bragte den til Mars, var et kup til 266 millioner dollars, en fjerdedel af prisen på en enkelt rumfærgeflyvning. Men Sojourner var robotternes Energizer Bunny, roveren, der bare blev ved med at strejfe. Embedsmænd forventede forsigtigt, at det kunne fungere i en måned på Mars; det sendte data tilbage for tre.

Det greb også offentlighedens fantasi, da ingen rumfart havde gjort det, siden Neil Armstrong og Buzz Aldrin plantede USA's flag på månen. I missionens første hæsblæsende uger registrerede NASAs flere Pathfinder World Wide-websteder omkring 45 millioner hits om dagen. Time og Newsweek tildelte Pathfinders landing den 4. juli og Sojourners efterfølgende afskibning samtidige dækninger og den slags spredninger, der normalt er reserveret til starten på krige eller prinsessernes død. Mattel udsolgte straks den første serie af sit Sojourner Mighty Wheels-legetøj. Ved en midsommerreception jokede vicepræsident Al Gore med, at han var blevet erstattet af Sojourner som verdens yndlingsrobot. Havde menneskeheden nogensinde identificeret sig så tæt med
en maskine?

På den måde reddede roveren og dens trofaste lander NASA fra stigmatiseringen af ​​to årtiers kostbare boondoggles, fatale katastrofer og knuste forventninger. Den essentielle strategi for den reformerede NASA-nix, de dyre, farlige bemandede ekspeditioner og lade robotter og andre fjernudforskningsværktøjer gøre arbejdet - var lykkedes.

Det var kun begyndelsen. NASA forbereder nu efterfølgende generationer af planetariske opdagelsesrejsende, der vil få Sojourner til at se decideret slynget ud: Rovere til at krydse mange miles af Mars' vidder og indsamle fjerntliggende prøver til transport tilbage til Jorden; penetratorer til at undersøge de levende verdener, der kan ligge under udenjordiske sten- og isskorper; og flyverobotter til at undersøge andre planeter og deres måner, fra Venus til Jupiters måne Titan, og måske endda Uranus og Neptun, fra luften.

Hvor eksotiske og vildt varierede disse enheder end kan virke, stammer de alle fra den samme kritiske ændring i NASAs tilgang til ubemandet planetarisk udforskning for næsten ni år siden - hurtigere, billigere, bedre. Denne ændring blev ikke initieret gennem officiel NASA-politik, men i strid med den af ​​en lille gruppe af robotbyggende kættere, som så en bedre vej til Mars, end deres chefer så, og som arbejdede i det skjulte for at gøre ideen mulig. At værdsætte rødderne til det robotbyggende oprør hjælper med at forstå, hvorfor planetarisk udforskning nu tager den kurs, den er.

I begyndelsen

Filosofien bag hurtigere, billigere, bedre er mindre er mere. I rumflyvning er masse lig med penge - masser af dem - og kompleksitet betyder risiko. For at gøre for eksempel rovere overkommelige og pålidelige, skab dem så lette og enkle som muligt - 25 pund i Sojourners tilfælde, med en svag, men robust 8-bit, 1970'er-niveau behandlingsenhed til en hjerne. Så indlysende som denne strategi ser ud nu, fokuserede NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) i slutningen af ​​1980'erne på at bygge noget helt andet: en virkelig formidabel maskine i størrelse, rækkevidde og beregnings- og driftsevne - og omkostninger. Dette Mars Rover Sampler Return (MRSR) køretøj ville være op til 8 fod langt og veje et halvt ton. Den ville blive bygget til at sejle i halvandet år i Mars' straffe kulde, på tværs af 700 miles af dets varierede, barske terræn, samle prøver og bane vejen for menneskelige missioner. Det ville koste op til 10 milliarder dollars.

Så ramte den finanspolitiske virkelighed, husker David Lavery, leder af NASAs forskningsprogram for telerobotik. Vi indså, at det bare ikke ville ske.

Heldigvis, uden NASAs messing vidende, ventede et alternativ i de bagerste laboratorier på JPL - et forsømt eksperiment i robotautomatisering og forenkling. Selv da JPL som institution jagtede MRSR-drømmen til sin blindgyde, havde en lille gruppe opkomne rovere og en anden gruppe af kunstig intelligens-overløbere, begge på JPL, stille og roligt søgt efter deres egne løsninger.

Indsatsen begyndte i 1988, da Howard Eisen, nu chefmobilitetsingeniør for JPLs rovere, forlod sine kandidatstudier ved MIT for at arbejde på laboratoriet. Han medbragte et særligt passende specialeprojekt: at bygge en model i en ottendedels skala af den mægtige MRSR. Han fandt ud af, at modellen, styret af en elektrisk tøjring, klarede sig meget bedre end forventet. Faktisk kunne dens fem-tommer hjul klatre over genstande op til otte tommer høje. Så måske var jumbo-MRSR unødvendig, tænkte han; kunne en meget mindre platform forhandle Mars' stenede overflade?

Eisen og hans JPL-kolleger satte sig for at bygge sådan en platform, der arbejder på egen hånd i garagen hos ingeniøren (og tidligere hot-rodder) Don Bickler. Efter adskillige forsøg opfandt Bickler et sekshjulet chassis, der kunne opretholde jævn vægt og trækkraft på alle hjulene. Ingeniørerne kaldte den en rocker/bogey efter dens to centrale mekaniske elementer og kaldte med al ære de efterfølgende rover-prototyper Rocky. Alle spøgte med, om vi ville have lige så mange efterfølgere som Rocky-filmene, husker Eisen. (De ville.)

Midtvejs i bygningen af ​​den første Rocky fik rover-overløberne laboratorieplads på JPL og fik nye samarbejdspartnere: et team af kunstig intelligens (AI) designere. Inspireret af subsumptionsarkitekturtilgangen fra MITs AI-pioner Rodney Brooks, der designer robotter til at fungere ved hjælp af et hierarki af simple reaktioner på stimuli - David Miller, en nylig ankommet til JPLs AI-sektion, hyrede Brooks' studerende Colin Angle for en sommer. På MIT havde Angle skabt den banebrydende Djengis-robot, som på trods af sin lave hjernekraft selvstændigt kunne udføre en ret kompleks funktion ved at samle alle kaffekopperne på kontoret. (Denne maskine er nu i National Air and Space Museum.) Hos JPL byggede Angle en lignende robot ved navn Tooth ved hjælp af et modelbilchassis til mindre end $500 i dele og $5.000 i arbejde. Min eneste begrænsning, husker Angle, var, at jeg ikke kunne bruge mere end $50 for hver del, så det hele kunne komme ud af småpenge.

Miller og hans holdkammerater så potentialet i den mekaniske Rocky, som Bicklers gruppe havde udviklet. Ved at gifte sig med Tooths elektroniske hjerne med Rocky 3s krop, skabte de den første autonome rover, der kunne operere udendørs på faktisk snavs.

JPL-managere var imponerede, men giftede sig stadig med deres store MRSR. Så hylede kongresmedlemmer for dets pris, og det projekt var dødt. NASA havde i mellemtiden fundet finansiering til en enkelt lille Pathfinder-lander og kastet sig ud i noget at bære på den. Jeg sagde: Vi har tilfældigvis denne ene rover,' husker Miller. Endelig havde overløberne en egentlig mission at arbejde på.

Men ikke længe. Som det så ofte sker, når innovationer kanaliseres ind i mainstream, blev innovatorerne udeladt i kulden. Miller og hans holdkammerater mistede kontrollen over Rocky-projektet, og alle undtagen én af dem forlod JPL til den private sektor. Rover-budgetterne steg, og det samme gjorde tidslinjerne. Millers gruppe tog kun halvandet år at gå fra Tooth til fjerde generation af Rocky, men JPL tog derefter fem år mere at avancere til Sojourner, den sjette i Rocky-rækken.

JPLs Brian Wilcox, som tog roret i mikrorover-projektet efter Miller, hævder, at dette var et naturligt svar på udfordringerne med at gøre teknologier pålidelige nok til at fungere i det barske Mars-miljø. Faktisk, roman som det så ud for tv-seere, var Pathfinder en ret konservativ mission; JPL nåede tilbage til gennemprøvet kommandoteknologi i stedet for at forsøge fuldstændig autonom drift. Hellere sikkert end vovet, når hele verden ser på.

Rockys børn

Men nu hvor Sojourner har banet vejen, kan andre planetariske opdagelsesrejsende indse det potentiale, det kun antydede. Rocky 7-udrustet med en robotarm og kameramast samt et chassis i Sojourner-stil går gennem sine skridt ved den tørre Lavic-sø i Mojave-ørkenen. Søbunden er en særlig passende Mars-analog, takket være flyverne på den nærliggende Twentynine Palms Marine-base; deres bombningspraksis har efterladt den fyldt med kratere, hvilket svarer til de tusinder, som asteroider har hugget ind i Mars' overflade.

Den langdistancevandring, som Rocky 7 praktiserer under autonom drift og med forbedrede sensoriske og navigationssystemer, vil være afgørende for fremtidige Mars-rovere. Sojourner kravlede kun nogle få meter under det vågne, positionskontrollerende elektroniske øje på sit Pathfinder-moderskib. Men Rocky 8, rover-tilsyneladende til Mars-missionen i 2001 og dens efterfølger i 2003, bliver nødt til at tilbagelægge mange kilometer, sandsynligvis på mere barsk, ældre højlandsterræn, hvor spor af gammelt liv med større sandsynlighed kan findes. NASA vil have disse rovere til at cache interessante prøver, som endnu en tredje maskine - en mere sprød, mere specialiseret rover - er beregnet til at samle op i 2005 ved hjælp af elektroniske beacons, der er tilbage med cachene. Den rover bliver måske nødt til at trække prøverne endnu flere kilometer til landeren for at vende tilbage til Jorden og den nærmere undersøgelse, der endelig kan afgøre spørgsmålet om liv på Mars.

At dække mere terræn er blot en af ​​mange udfordringer, der kommer for rovermagerne. Andre kredser om mere begrænsede budgetter. Steve Saunders, JPLs chefprojektforsker for Mars 2001-missionen, bemærker, at fremtidige køretøjer bliver nødt til at stole på mindre menneskelig involvering. Mens Pathfinder-missionen besatte op til 10 personer flere måneder efter landingen med spørgsmål som kontrol og fejlfinding, tillader Mars 2001-budgettet et operationshold på omkring 4. De næste rovere skal også koste mindre, køre på mindre raketter, gøre mere videnskab (NASA er stadig i gang med at finde ud af præcis hvad) og køre 3 gange længere end Sojourner. Og bortset fra monetære faktorer, skal de overleve et endnu bredere temperaturområde, end Sojourner gjorde (eksperter regner med, at Mars-kulden endelig gjorde Pathfinder-missionen tavs).

Meget af håbet om at imødekomme disse udfordringer hviler på de nye grafitkompositter, som JPLs mekaniske systemdivision er ved at skabe. Brug af konsistente kompositter i hele en rover kan reducere den destruktive differentialkøling og sammentrækning, der nu opstår, når der bruges forskellige metaller, hvilket gør maskinen mindre sårbar over for temperaturændringer. Og kompositter kunne barbere mere vægt af den endelige nyttelast, hvilket reducerer omkostningerne. Allerede vejer en prototype Lightweight Survivable Rover til '05-missionen kun 15 pund-to-tredjedele så meget som Sojourner - mens den strækker sig mere end halvanden gange så lang og bred og står næsten dobbelt så høj, en fod af jorden.

Yderligere kollapser denne prototypes hjul til en tredjedel af deres udvidede volumen og kan dermed pakkes ind i en mindre flykapsel, siger Paul Schenker, divisionens forsknings- og udviklingsleder. Vi udvider den idé til hele roverrammen, tilføjer han, og lover at gøre prøvehentningsroveren virkelig sammenklappelig og dermed endnu billigere at sende.

De største fremskridt for Schenkers team har været at bygge våben fra letvægtskompositter. En arm, alt sammensat ned til motoren, vejer kun omkring otte pund, men kan forlænges til omkring seks fod, grave en rende, løfte og afsætte prøver og slynge et mikrokamera. En anden, der vejer to pund, kan løfte flere gange sin egen vægt, til dels på grund af ultralydsmotorer (såkaldte, fordi de svirrer ved uhørlige frekvenser). Sådanne motorer maksimerer drejningsmomentet - og dermed trækkraften og gearingen - ved meget lave hastigheder, hvilket er lige hvad du ønsker til udenjordisk brug, hvor høje hastigheder øger risikoen for ulykker og kræver mere informationsbehandling. Desuden kræver lavhastigheds ultralydsmotorer ikke gearkasser, som konventionelle motorer gør for at reducere deres rotationer til nyttige hastigheder. Eliminering af gearkassen eliminerer mere vægt; igen, mindre er mere.

På det tidspunkt, hvor de ultralette rovere med pensionatrækkevidde er klar til at flyve, kan et endnu mere dramatisk essay om rover-miniaturisering have bevist sig selv i den første landing nogensinde på en asteroide. Igen er nødvendighed, i form af nyttelastbegrænsninger, designets moder. I september 2003 skal den japanske rummission kendt som Muses-C lande på den halve kilometer brede, jordoverskridende asteroide Nereus. Planen er at lande på tre steder (at løfte og lande igen kræver lidt kraft i en asteroides lave tyngdekraft), indsamle prøver og sende disse til jorden inden januar 2006 ved hjælp af faldskærme, der er faldet fra rumflyvninger. Men først skulle Muses-C aflevere en amerikansk passager - en rover.

Da Japans Institut for Rum- og Astronomisk Videnskab (ISAS) kom til NASA for at søge teknisk hjælp til Muses-C, tilbød det NASA chancen for at udfylde landerens ubrugte lastrum. Amerikanerne tænkte på at sende et supplement af videnskabelige instrumenter, men besluttede, at hvis disse var knyttet til landeren, ville de blot duplikere den japanske indsats. Bedre at sende en rover for at udforske andre dele af Nereus.

Kun et problem: Muses-C har kun to punds ekstra lastkapacitet, hvor halvdelen er nødvendig til computer- og kommunikationsudstyr for at gøre det muligt for NASA at tale direkte med roveren. Ergo det næste trin i miniaturisering: en 1-punds nanorover. (Dette er et kunstbegreb, da nanoteknologi normalt refererer til arbejde på molekylært niveau. Men hvad kalder man ellers en maskine en tyvendedel af størrelsen af ​​en mikrorover?) Nanoroverens videnskabelige instrumenter vil være mere sofistikerede end den relativt gigantiske Sojourners : et infrarødt spektrometer til aflæsning af kemiske signaturer ved hjælp af infrarøde stråler, et billedkamera med otte-positions filterhjul til aflæsning af forskellige lysspektre og måske et røntgenspektrometer. Men maskinen får et meget enklere chassis. En nuværende prototype har kun to hjul, som den vil skride ud på og endda vende om (og så rette sig selv). På en asteroide, hvor påvirkningerne er lette, vil en sådan bekymring ikke være den katastrofe, det ville være på en planet i fuld størrelse. I lav tyngdekraft, hvor det er svært at stoppe, er sådanne bevægelser alligevel uundgåelige.

En asteroide byder på endnu mere frygtindgydende temperaturudfordringer end Mars. Brian Wilcox, JPL's robotgruppes supervisor, bemærker, at Sojourner kun fungerede, når det var varmt - efter dets gelisolering havde fanget nok varme hver dag. Men isolering er nytteløst på noget så lille som en nanorover, med dets forholdsmæssigt høje overfladeareal. Og asteroideudforskere skal forberede sig på temperatursvingninger på 250 grader Celsius fra dag til nat. Elektriske komponenter er typisk kun klassificeret op til en bils temperaturområde - omkring 120 grader. At finde komponenter, der kan klare minus-125 grader, er en hovedudfordring, siger JPL-systemingeniør Rick Welch, der har arbejdet på nanoroveren. De passende dele plejer at være CMOS-komplementær metaloxid-halvlederelektronik, som opretholder ledningsevnen og arbejder ved ekstremt lave temperaturer. Asteroide-roveren vil være en natcrawler; i løbet af den [svidende] dag slår vi den bare fra, konstaterer han.

I de sidste fire år har JPL også arbejdet på ideen om luftudforskning: aerobots, autonome robotballoner, der kunne dække et meget bredere territorium end nogen jordrover, mens de producerer meget højere opløsning end satellitter kunne. Ideen er ikke ny; i 1985 sendte sovjetterne og franskmændene en undersøgelsesballon til Venus. Den klarede sig kort, men godt, og duppede opad, når den nærmede sig den varme venutianske overflade, og gasserne i posen udvidede sig, og derefter nedad, når den ramte den kolde stratosfære, og disse gasser kondenserede.

Men de aerobots, som JPL designer (og som den vil lancere en testseng til tidligt i år) er meget mere sofistikerede. I stedet for at flyde i konstant højde, vil de kontrollere deres højde gennem ventiler, der kan frigive eller begrænse de gasser, der giver dem opdrift. Således, forklarer JPL aerobot-systemingeniør Aaron Bachelder, vil de være i stand til at svæve i nogen tid (måske en time eller deromkring over Venus på grund af den voldsomme varme, omkring 460 grader Celsius på overfladen). Så vil de trække sig tilbage til stratosfæren for at køle af. Slangelange, dinglende fleksible vedhæng - vil beskytte mod styrt ved at overføre vægt fra flyverobotten til jorden, hvis ballonen svæver for lavt. Aerobotterne vil også indeholde strømlinede sansnings- og videnskabelige instrumenter til nærstudie af overfladen. Og, insisterer JPL's specialprojektleder Jim Cutts, at de faktisk er blevet bevist ikke at fange sten i jordforsøg af franskmændene. Han tilføjer, idet han tager en side fra nanorover-legebogen, at hans besætning designer flyverobotter, der er lette nok - omkring 22 pund - til at tage en tur med andre missioner.

NASA regnede på Venus som den første flyverobot-destination, da dens varme, der er for høj til jordfartøjer, gør den planet til et optimalt valg for ballonerne. Og Venus' forudsigelige vinde gør det også til et lettere sted at planlægge ruter for enhederne end den blæsende Mars. Men nu, hvor Pathfinders triumf har gjort Mars moderigtig, håber Cutts også at sende en flyverobot til Mars i 2003 - måske kørende sammen med dette års stenjagt-rover.

Aerobots' udsigter slutter ikke med de to nærmeste planeter. JPL har også skitseret aerobot-missioner til den jovianske måne Titan og de ydre gasplaneter. Fordi disse planeter har meget lettere atmosfærer, ville lysgasballoner ikke fungere på dem på den måde, de forventes på solide planeter. Og derfor ville missioner til Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun stole på en anden, ærværdig teknologi: varmluftsballoner, opvarmet af planeternes egen infrarøde stråling.

Hvis flyverobotterne slår ud, vil teknologien være kommet fuld cirkel; balloner, den tidligste form for luftbåren transport, vil flyve i forkant med planetarisk udforskning. Det er blot endnu en indikation af mangfoldigheden i tilgange, NASA har brugt i de otte år, siden den holdt op med at sætte sit håb om undersøgelser på en enkelt massiv Mars-rover.

skjule