Away Team Tech: el viaje de migas de pan de Hansel y Gretel inspira la exploración de cuevas robóticas en Marte y más allá

La búsqueda de casas en Marte pronto podría convertirse en algo, y los investigadores de la Universidad de Arizona ya están buscando bienes raíces que los futuros astronautas puedan usar como hábitats. Investigadores de la Facultad de Ingeniería de Arizona han desarrollado una tecnología que permitiría a un grupo de robots explorar entornos subterráneos en otros mundos.

“Los tubos de lava y las cuevas serían hábitats perfectos para los astronautas porque no es necesario construir una estructura; estás a salvo de la radiación cósmica dañina, así que solo tienes que hacerlo agradable y cómodo”, dijo Wolfgang Fink, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en UArizona.

Fink es el autor principal de un nuevo artículo en Advances in Space Research que detalla una red de comunicaciones que vincularía rovers, módulos de aterrizaje lacustres e incluso vehículos sumergibles a través de la llamada red de topología de malla, lo que permitiría que las máquinas trabajen juntas en equipo, independientemente de entrada humana.

Según Fink y sus coautores, el enfoque podría ayudar a abordar uno de los grandes desafíos de la tecnología espacial de la NASA al ayudar a superar la capacidad limitada de la tecnología actual para atravesar entornos seguros en cometas, asteroides, lunas y cuerpos planetarios. En un guiño al cuento de hadas de “Hansel y Gretel”, los investigadores llamaron a su concepto pendiente de patente paradigma de “Red de comunicación implementada dinámicamente al estilo de migas de pan”, o DDCN.

Un agujero en la superficie de Marte, detectado por la cámara HiRISE, revela una cueva debajo. Protegidos de la superficie dura de Marte, estos pozos se consideran buenos candidatos para contener vida marciana, lo que los convierte en objetivos principales para posibles futuras naves espaciales, robots e incluso exploradores interplanetarios humanos. NASA/JPL/Universidad de Arizona

Un cuento de hadas inspira el futuro

“Si recuerdas el libro, sabes cómo Hansel y Gretel tiraron migas de pan para asegurarse de encontrar el camino a casa”, dijo Fink, fundador y director del Laboratorio de Investigación de Sistemas de Exploración, Visual y Autónomo en Caltech y UArizona. “En nuestro escenario, las ‘migas de pan’ son sensores miniaturizados que se superponen a los rovers, que despliegan los sensores a medida que pasan por una cueva u otro entorno subterráneo”.

Monitoreando constantemente su entorno y siendo conscientes de su posición en el espacio, los rovers avanzan solos, conectados entre sí a través de una conexión de datos inalámbrica, desplegando nodos de comunicación en el camino. Una vez que un móvil detecta que la señal se está desvaneciendo pero permanece dentro del alcance, desconecta un nodo de comunicación, independientemente de la distancia que haya recorrido desde que colocó el último nodo.

“Una de las cosas nuevas es lo que llamamos implementación oportunista: la idea de implementar la ‘migaja de pan’ cuando es necesario y no en un cronograma planificado previamente”, dijo Fink.

Mientras tanto, no hay necesidad de información del rover madre; cada rover subordinado tomará esa decisión por sí mismo, agregó Fink. El sistema puede funcionar de dos maneras, explicó Fink. En uno, el rover principal actúa como un receptor pasivo, recopilando datos transmitidos por los rover que realizan la exploración. En el otro, el rover madre desempeña el papel de orquestador, controlando los movimientos de los rover como un titiritero.

Uno de los rovers experimentales utilizados por el equipo de Fink para probar hardware y software relacionados con la exploración autónoma. Este prototipo está equipado con cámaras y otros sensores para la navegación. Wolfgang Fink/Universidad de Arizona

Las máquinas se hacen cargo

El nuevo concepto encaja con el paradigma evolutivo de reconocimiento multinivel ideado por Fink y sus colegas a principios de la década de 2000. Esta idea prevé un equipo de robots que operan en diferentes niveles de mando, por ejemplo, un orbitador que controla una aeronave, que a su vez controla uno o más módulos de aterrizaje o vehículos terrestres. Las misiones espaciales ya han adoptado este concepto, muchas con la participación de investigadores de UArizona. Por ejemplo, en Marte, el rover Perseverance comanda Ingenuity, un helicóptero robótico.

Un concepto para otra misión, que finalmente no fue seleccionada para su financiación, proponía enviar un orbitador con un globo y un módulo de aterrizaje en un lago para estudiar uno de los mares de hidrocarburos en la luna Titán de Saturno. El enfoque de migas de pan lleva la idea un paso más allá al proporcionar una plataforma robusta para que los exploradores robóticos operen bajo tierra o incluso sumergidos en entornos líquidos. Dichos enjambres de robots autónomos individuales también podrían ayudar en los esfuerzos de búsqueda y rescate después de los desastres naturales en la Tierra, dijo Fink.

Fink dijo que el mayor desafío, además de llevar a los rovers al entorno subterráneo en primer lugar, es recuperar los datos que registran bajo tierra y traerlos de vuelta a la superficie. El concepto DDCN permite que un equipo de rovers navegue incluso en entornos subterráneos intrincados sin perder nunca el contacto con su “rover madre” en la superficie. Equipados con un sistema de detección de luz y alcance, o lidar, podrían incluso mapear pasajes de cuevas en tres dimensiones, al igual que los drones que se ven explorando una nave espacial extraterrestre en la película “Prometheus”.

“Una vez desplegados, nuestros sensores establecen automáticamente una red de malla no dirigida, lo que significa que cada nodo se actualiza en todos los nodos que lo rodean”, dijo Fink, quien detalló por primera vez el concepto DDCN en una propuesta en la NASA en 2019.

“Pueden cambiar entre sí y compensar los puntos muertos y los cortes de señal”, agregó Mark Tarbell, coautor del artículo e investigador principal en el laboratorio de Fink. “Si algunos de ellos mueren, todavía hay conectividad a través de los nodos restantes, por lo que el móvil principal nunca pierde la conexión con el nodo más alejado de la red”.

misión sin retorno

La sólida red de nodos de comunicación garantiza que todos los datos recopilados por los exploradores robóticos regresen al vehículo principal en la superficie. Por lo tanto, no hay necesidad de recuperar los robots una vez que hayan hecho su trabajo, dijo Fink, quien publicó la idea de usar grupos de sondas de superficie robóticas móviles prescindibles ya en 2014.

“Están diseñados para ser duraderos”, dijo. “En lugar de desperdiciar recursos para que entren y salgan de la cueva, tiene más sentido hacer que vayan lo más lejos posible y dejarlos atrás una vez que hayan completado su misión, se hayan quedado sin energía o hayan sucumbido a un entorno hostil. ”

“El enfoque de la red de comunicación presentado en este nuevo artículo tiene el potencial de anunciar una nueva era de descubrimientos planetarios y astrobiológicos”, dijo Dirk Schulze-Makuch, presidente de la Sociedad Alemana de Astrobiología y autor de numerosas publicaciones sobre vida extraterrestre. “Finalmente nos permite explorar las cuevas de los tubos de lava marcianos y los océanos subterráneos de las lunas heladas, lugares donde la vida extraterrestre podría estar presente”.

El concepto propuesto “es mágico”, según Victor Baker, profesor de hidrología y ciencias atmosféricas, geociencias y ciencias planetarias de Arizona Regents. “Los descubrimientos científicos más asombrosos ocurren cuando los avances en la tecnología brindan acceso por primera vez a una cosa o lugar y comunican lo que se descubre a las mentes creativas en busca de comprensión”, dijo Baker.

Explora mundos oceánicos ocultos

En lugares que requieren robots sumergibles, el sistema podría consistir en un módulo de aterrizaje, ya sea flotando en un lago, como podría ser el caso de Titán, o asentado sobre hielo sobre un océano subterráneo como en Europa, que está conectado al submarino, por ejemplo. a través de un cable largo. Aquí, los nodos de comunicación actuarían como repetidores, amplificando la señal a intervalos regulares para evitar que se degrade. Es importante señalar que Fink señaló que los nodos tienen la capacidad de recopilar datos por sí mismos, por ejemplo, medir la presión, la salinidad, la temperatura y otros parámetros químicos y físicos, e incorporar los datos en el cable que se conecta al módulo de aterrizaje.

“Imagine llegar hasta Europa, derritiéndose a través de kilómetros de hielo, descendiendo al océano subterráneo, donde se encuentra rodeado de vida extraterrestre, pero no tiene forma de rastrear los datos hasta la superficie”, dijo. “Ese es el escenario que tenemos que evitar”.

Habiendo desarrollado los rovers y la tecnología de comunicación, el grupo de Fink ahora está trabajando en la construcción del mecanismo real mediante el cual los rovers desplegarían los nodos de comunicación.

“Básicamente, vamos a enseñar a nuestros ‘Hansels’ y ‘Gretels’ cómo eliminar las migas de pan para que se sumen a una red de comunicación de malla que funcione”, dijo Fink.

Un paradigma de red de comunicación desplegable dinámicamente al estilo de Hansel & Gretel que utiliza una topología de malla para la exploración del subsuelo planetarioAvances en la investigación espacial

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