Planetaire microbots. Afbeelding tegoed: NASA Klik om te vergroten
Interview met Penny Boston, deel I
Als je naar verre sterren wilt reizen of het leven op een andere wereld wilt vinden, is er wat planning voor nodig. Daarom heeft NASA NIAC opgericht, het NASA Institute for Advanced Concepts. De afgelopen jaren heeft NASA wetenschappers en ingenieurs aangemoedigd om buiten de gebaande paden te denken om ideeën te bedenken die juist deze kant van sciencefiction zijn. Hun hoop is dat sommige van deze ideeën zullen uitkomen en het bureau voorzien van technologieën die het 20, 30 of 40 jaar later kan gebruiken.
NIAC verstrekt financiering op concurrerende basis. Slechts een handvol van de tientallen ingediende voorstellen wordt gefinancierd. Fase I-financiering is minimaal, net genoeg voor onderzoekers om hun idee op papier uit te werken. Als het idee verdienste toont, kan het fase II-financiering krijgen, waardoor het onderzoek kan worden voortgezet van het pure concept tot het ruwe prototype.
Een van de projecten die eerder dit jaar fase II-financiering ontvingen, was een samenwerking tussen Dr. Penelope Boston en Dr. Steven Dubowsky om "hopping microbots" te ontwikkelen die in staat zijn om gevaarlijk terrein te verkennen, inclusief ondergrondse grotten. Als het project goed uitpakt, kunnen er op een dag hoppende microbots worden gestuurd om te zoeken naar leven onder het oppervlak van Mars.
Boston brengt veel tijd door in grotten en bestudeert de micro-organismen die daar leven. Ze is de directeur van het Cave and Karst Studies-programma en een universitair hoofddocent aan New Mexico Tech in Socorro, New Mexico. Dubowsky is de directeur van het MIT Field and Space Robotics Laboratory aan het MIT in Cambridge, Massachusetts. Hij staat onder meer bekend om zijn onderzoek naar kunstmatige spieren.
Astrobiology Magazine interviewde Boston kort nadat zij en Dubowsky hun Fase II NIAC-beurs hadden ontvangen. Dit is het eerste van een tweedelig interview. Astrobiology Magazine (AM): U en Dr. Steven Dubowsky ontvingen onlangs financiering van NIAC om te werken aan het idee om miniatuurrobots te gebruiken om ondergrondse grotten op Mars te verkennen? Hoe is dit project tot stand gekomen?
Penny Boston (PB): We hebben behoorlijk wat werk verricht in grotten op aarde met het oog op het kijken naar de microbiële bewoners van deze unieke omgevingen. We denken dat ze kunnen dienen als sjablonen voor het zoeken naar levensvormen op Mars en andere buitenaardse lichamen. Ik publiceerde in 1992 een artikel met Chris McKay en Michael Ivanov, waarin ik suggereerde dat de ondergrond van Mars het laatste toevluchtsoord van het leven op die planeet zou zijn, aangezien het in de geologische tijd kouder en droger zou worden. Dat bracht ons bij het kijken naar de ondergrond op aarde. Toen we dat deden, ontdekten we dat er een verbazingwekkende reeks organismen is die blijkbaar inheems zijn in de ondergrond. Ze werken samen met de mineralogie en produceren unieke biosignaturen. Het werd dus een heel vruchtbaar gebied om te studeren.
Zelfs op deze planeet in moeilijke grotten komen is niet zo eenvoudig. Dat vertalen naar robotachtige buitenaardse missies vereist enige gedachte. We hebben goede beeldgegevens van Mars die duidelijk geomorfologisch bewijs tonen voor tenminste grotten met lavabuizen. We weten dus dat Mars op zijn minst dat ene type grot heeft dat een nuttig wetenschappelijk doelwit zou kunnen zijn voor toekomstige missies. Het is aannemelijk om te denken dat er ook andere soorten grotten zijn en dat we een paper in de pers hebben in een aanstaande Geological Society of America Special Paper waarin unieke grotvormende (speleogenetische) mechanismen op Mars worden onderzocht. Het grote knelpunt is hoe je je kunt verplaatsen in zulk rigoureus en moeilijk terrein.
AM: Kun je beschrijven wat je in de eerste fase van het project hebt gedaan?
PB: In fase I wilden we ons concentreren op roboteenheden die klein, zeer talrijk (dus vervangbaar), grotendeels autonoom waren en die de mobiliteit hadden die nodig was om op ruige terreinen te komen. Gebaseerd op Dr. Dubowsky's voortdurende werk met kunstmatige spiergeactiveerde robotbeweging, kwamen we op het idee van vele, vele, kleine bolletjes, ongeveer zo groot als tennisballen, die in wezen hoppen, bijna zoals Mexicaanse springbonen. Ze slaan als het ware spierenergie op, en dan dwalen ze zichzelf af in verschillende richtingen. Zo bewegen ze.
tegoed: Render door R.D. Gus Frederick
Planetaire omgeving voor grootschalige planetaire verkenning van oppervlakken en ondergrond. Klik op de afbeelding voor een grotere weergave.
Image Credit: Render door R.D. Gus Frederick
We hebben berekend dat we waarschijnlijk ongeveer duizend van deze jongens in een massa kunnen laden die zo groot is als een van de huidige MER's (Mars Exploration Rovers). Dat zou ons de flexibiliteit geven om het verlies van een groot percentage van de eenheden te lijden en toch een netwerk te hebben dat verkenning en detectie, beeldvorming en misschien zelfs enkele andere wetenschappelijke functies kan uitvoeren.
AM: Hoe coördineren al deze kleine sferen met elkaar?
PB: Ze gedragen zich als een zwerm. Ze verhouden zich tot elkaar door middel van zeer eenvoudige regels, maar dat levert een grote mate van flexibiliteit op in hun collectieve gedrag, waardoor ze kunnen voldoen aan de eisen van onvoorspelbaar en gevaarlijk terrein. Het ultieme product dat we ons voorstellen is een vloot van deze kleine jongens die naar een veelbelovende landingsplaats worden gestuurd, de lander verlaten en vervolgens hun weg banen naar een ondergrond of ander gevaarlijk terrein, waar ze zichzelf als een netwerk inzetten. Ze creëren een mobiel communicatienetwerk, op knooppunt-naar-knooppuntbasis.
AM: Kunnen ze de richting bepalen waarin ze springen?
PB: We hebben de ambitie om uiteindelijk zeer capabel te zijn. Terwijl we naar fase II gaan, werken we samen met Fritz Printz in Stanford aan ultra-miniatuur brandstofcellen om deze kleine jongens van stroom te voorzien, waardoor ze een redelijk complexe reeks dingen kunnen doen. Een van die mogelijkheden is om enige controle te hebben over de richting waarin ze gaan. Er zijn bepaalde manieren waarop ze kunnen worden gebouwd waarmee ze bij voorkeur in de een of andere richting kunnen gaan. Het is niet zo nauwkeurig als het zou zijn als rovers op wielen die gewoon op een recht pad gaan. Maar ze kunnen zich bij voorkeur min of meer schuin houden in de richting die ze willen gaan. We voorzien dus dat ze op zijn minst een ruwe controle over de richting zullen hebben. Maar veel van hun waarde heeft te maken met hun zwermbeweging als een zich uitbreidende wolk.
Hoe geweldig de MER-rovers ook zijn, voor het soort wetenschap dat ik doe, heb ik iets meer nodig dat lijkt op het idee van de insectenrobot, ontwikkeld door Rodney Brooks op MIT. Het model van intelligentie van insecten en aanpassing voor verkenning kunnen aanboren, sprak me al lang aan. Als ik dat toevoeg aan de unieke mobiliteit van Dr. Dubowsky's hoppen-idee, denk ik dat een redelijk percentage van deze kleine eenheden de gevaren van ondergronds terrein kan overleven - dat leek me gewoon een magische combinatie.
HB: Dus, in fase I, zijn deze echt gebouwd?
PB: Nee. Fase I, met NIAC, is een zes maanden durende hersenspannende, potloodduwende studie om de stand van de techniek van de relevante technologieën te onderzoeken. In fase II gaan we een beperkte hoeveelheid prototyping en veldtesten uitvoeren over een periode van twee jaar. Dit is veel minder dan wat je nodig zou kunnen hebben voor een daadwerkelijke missie. Maar dat is natuurlijk het mandaat van NIAC om technologie tien tot veertig jaar te onderzoeken. We denken dat dit waarschijnlijk in het bereik van 10 tot 20 jaar ligt.
AM: Wat voor soort sensoren of wetenschappelijke apparatuur denk je dat je deze dingen kunt aantrekken?
PB: Imaging is duidelijk iets dat we graag zouden willen doen. Omdat camera's ongelooflijk klein en robuust worden, zijn er al eenheden in het groottebereik die op deze dingen kunnen worden gemonteerd. Mogelijk kunnen sommige eenheden worden uitgerust met vergrotingscapaciteit, zodat men kan kijken naar de texturen van de materialen waarop ze landen. Het integreren van beelden van kleine camera's op veel verschillende kleine apparaten is een van de gebieden voor toekomstige ontwikkeling. Dat valt buiten het bestek van dit project, maar daar denken we aan voor beeldvorming. En dan, zeker chemische sensoren, die de chemische omgeving kunnen opsnuiven en voelen, wat erg kritisch is. Alles, van kleine laserneuzen tot ionselectieve elektroden voor gassen.
We stellen ons voor dat ze niet allemaal identiek zijn, maar eerder een ensemble, met genoeg van de verschillende soorten eenheden die zijn uitgerust met verschillende soorten sensoren, zodat de kans nog steeds groot is, zelfs bij een vrij groot verlies van het aantal eenheden, dat we zou nog steeds een complete reeks sensoren hebben. Hoewel elke individuele eenheid geen gigantische lading sensoren kan bevatten, zou u er genoeg kunnen hebben zodat deze een aanzienlijke overlap met zijn mede-eenheden zou kunnen geven.
AM: Zal het mogelijk zijn om biologische testen te doen?
PB: Ik denk het wel. Vooral als je je het tijdsbestek voorstelt dat we bekijken, met de vooruitgang die online komt met alles van quantum dots tot lab-on-a-chip-apparaten. Natuurlijk is het moeilijk om daar proefmateriaal voor te krijgen. Maar als we te maken hebben met kleine grondcontacteenheden zoals onze hopping-microbots, kun je ze misschien direct boven het materiaal plaatsen dat ze willen testen. In combinatie met microscopie en beelden met een groter veld, denk ik dat het vermogen is om serieus biologisch werk te doen.
AM: Heb je een idee wat de mijlpalen zijn die je hoopt te bereiken tijdens je tweejarige project?
PB: We verwachten dat we tegen maart ruwe prototypes hebben die de relevante mobiliteit hebben. Maar dat is misschien overdreven ambitieus. Zodra we mobiele eenheden hebben, is ons plan om veldtesten te doen in echte lavabuisgrotten waar we wetenschap over doen in New Mexico.
De veldsite is al getest. Als onderdeel van fase I kwam de MIT-groep naar buiten en leerde ik ze een beetje over speleologie en hoe het terrein er eigenlijk uitzag. Het was voor hen een grote eye-opener. Het is één ding om robots te ontwerpen voor de hallen van MIT, maar het is iets anders om ze te ontwerpen voor rotsachtige omgevingen in de echte wereld. Het was voor ons allemaal een zeer leerzame ervaring. Ik denk dat ze een vrij goed idee hebben wat de voorwaarden zijn waaraan ze moeten voldoen met hun ontwerp.
AM: Wat zijn die voorwaarden?
PB: Extreem oneffen terrein, veel spleten waar deze jongens tijdelijk vast kunnen komen te zitten. We hebben dus werkingsmodi nodig waarmee ze zichzelf kunnen bevrijden, althans met een redelijke kans op succes. De uitdagingen van zichtlijncommunicatie op een zeer ruw oppervlak. Over grote rotsblokken komen. Vast komen te zitten in kleine scheurtjes. Dat soort dingen.
Lava is niet glad. De binnenkant van lavabuizen is intrinsiek glad nadat ze zijn gevormd, maar er is veel materiaal dat krimpt en barst en naar beneden valt. Er zijn dus puinhopen om overal heen en weer te gaan en veel hoogteverschillen. En dit zijn dingen die conventionele robots niet kunnen.
Oorspronkelijke bron: NASA Astrobiology
