Planetära mikrobottar. Bildkredit: NASA Klicka för förstoring
Intervju med Penny Boston, del I
Om du vill resa till avlägsna stjärnor eller hitta liv i en annan värld krävs det lite planering. Det är därför NASA har etablerat NIAC, NASA Institute for Advanced Concepts. Under de senaste åren har NASA uppmuntrat forskare och ingenjörer att tänka utanför rutan, att komma med idéer just denna sida av science fiction. Deras hopp är att några av dessa idéer kommer att växa ut och ge byrån teknik som den kan använda 20, 30 eller 40 år längs vägen.
NIAC tillhandahåller finansiering på konkurrenskraftig basis. Endast en handfull av de dussintals inlämnade förslagen finansieras. Fas I-finansiering är minimal, tillräckligt för att forskare kan utarbeta sin idé på papper. Om idén visar meriter, kan den få fas II-finansiering, vilket gör att forskningen kan fortsätta från ren-konceptet till råprototypstadiet.
Ett av projekten som fick fas II-finansiering tidigare i år var ett samarbete mellan Dr. Penelope Boston och Dr. Steven Dubowsky för att utveckla "hoppande mikrobottar" som kan utforska farlig terräng, inklusive underjordiska grottor. Om projektet pannar ut kan hoppande mikrobottar en dag skickas för att leta efter liv under Marsytan.
Boston tillbringar mycket tid i grottor och studerar mikroorganismerna som bor där. Hon är chef för Cave and Karst Studies Program och lektor vid New Mexico Tech i Socorro, New Mexico. Dubowsky är chef för MIT Field and Space Robotics Laboratory på MIT, i Cambridge, Massachusetts. Han är delvis känd för sin forskning på konstgjorda muskler.
Astrobiology Magazine intervjuade Boston strax efter att hon och Dubowsky fick sitt fas II NIAC-bidrag. Detta är den första av en tvådelad intervju. Astrobiology Magazine (AM): Du och Dr. Steven Dubowsky har nyligen fått finansiering från NIAC för att arbeta med idén att använda miniatyrrobotar för att utforska grottor under marken på Mars? Hur kom projektet till?
Penny Boston (PB): Vi har gjort en hel del arbete i grottor på jorden med ett öga på att titta på de mikrobiella invånarna i dessa unika miljöer. Vi tror att de kan fungera som mallar för att leta efter livsformer på Mars och andra utomjordiska kroppar. Jag publicerade ett papper 1992, med Chris McKay och Michael Ivanov, och antydde att undergrunden till Mars skulle vara livets sista tillflyktsort på den planeten när det blev kallare och torrare under geologisk tid. Det fick oss att arbeta med att titta på undergrunden på jorden. När vi gjorde det upptäckte vi att det finns en fantastisk uppsättning organismer som uppenbarligen är inhemska i undergrunden. De interagerar med mineralogin och producerar unika biosignaturer. Så det blev ett mycket bördigt område för oss att studera.
Att komma in i svåra grottor även på denna planet är inte så lätt. Att översätta det till robotar utomjordiska uppdrag kräver en viss tanke. Vi har bra avbildningsdata från Mars som visar tydliga geomorfologiska bevis för åtminstone lava-rörgrottor. Så vi vet att Mars har åtminstone den typen av grotta som kan vara ett användbart vetenskapligt mål för framtida uppdrag. Det är troligt att tro att det också finns andra typer av grottor och vi har ett papper i pressen i ett kommande Geological Society of America Special Paper som utforskar unika grottbildande (speleogenetiska) mekanismer på Mars. Den stora stickpunkten är hur man kan ta sig runt i en så rigorös och svår terräng.
AM: Kan du beskriva vad du gjorde i projektets första fas?
PB: I fas I ville vi fokusera på robotenheter som var små, väldigt många (därmed uttagbara), till stor del autonoma, och som hade den rörlighet som behövdes för att komma in i robusta terrängen. Baserat på Dr. Dubowskys pågående arbete med konstgjord muskelaktiverad robotrörelse, kom vi på idén med många, många små små sfärer, ungefär storleken på tennisbollar, som i huvudsak hoppar, nästan som mexikanska hoppbönor. De lagrar upp muskelenergi, så att säga, och sedan hämtar de sig i olika riktningar. Det är så de rör sig.
kredit: Render av R.D.Gus Frederick
Planetisk inställning för storskalig planetisk yta och undersökning under ytan. Klicka på bilden för större bild.
Bildkredit: Render av R.D.Gus Frederick
Vi har beräknat att vi antagligen kan packa ungefär tusen av dessa killar i en nyttolastmassa på en av de nuvarande MER: erna (Mars Exploration Rovers). Det skulle ge oss flexibiliteten att drabbas av förlusten av en stor andel av enheterna och fortfarande har ett nätverk som skulle kunna göra rekonstruktion och avkänning, avbildning och kanske till och med vissa andra vetenskapliga funktioner.
AM: Hur koordinerar alla dessa små sfärer med varandra?
PB: De uppför sig som en svärm. De relaterar till varandra med hjälp av mycket enkla regler, men det ger en stor flexibilitet i deras kollektiva beteende som gör att de kan uppfylla kraven på oförutsägbar och farlig terräng. Den ultimata produkten som vi ser för oss är en flotta av dessa små killar som skickas till någon lovande landningsplats, avgår från landaren och sedan tar sig över till någon underjordisk eller annan farlig terräng, där de distribuerar sig som ett nätverk. De skapar ett mobilkommunikationsnätverk på en nod-till-nod-basis.
AM: Kan de kontrollera i vilken riktning de hoppas?
PB: Vi har ambitioner om att de i slutändan ska vara mycket kapabla. När vi går in i fas II, arbetar vi med Fritz Printz i Stanford på ultra-miniatyr bränsleceller för att driva dessa små killar, vilket skulle göra det möjligt för dem att kunna göra en ganska komplicerad mängd saker. En av dessa möjligheter är att ha viss kontroll över riktningen de går. Det finns vissa sätt som de kan byggas på så att de företrädesvis kan gå i en eller annan riktning. Det är inte riktigt så exakt som det skulle vara om de var hjul-rovers som bara går på en rak väg. Men de kan företrädesvis inte själva mer eller mindre i den riktning de vill gå. Så vi föreställer oss att de kommer att ha åtminstone rå kontroll över riktningen. Men mycket av deras värde har att göra med deras svärma rörelse som ett expanderande moln.
Lika underbara som MER-roverna är, för den typ av vetenskap jag gör, behöver jag något mer besläktat med den insektsrobotidé som Rodney Brooks banat på MIT. Att kunna utnyttja modellen för insektsintelligens och anpassning för utforskning hade länge vädjat till mig. Att lägga till det till den unika rörligheten som tillhandahålls av Dr. Dubowskys hoppidé, tror jag, kan göra det möjligt för en rimlig procentandel av dessa små enheter att överleva farorna i underjordisk terräng - som bara verkade som en magisk kombination för mig.
HB: Så i fas I fick någon av dessa faktiskt byggas?
PB: Nej. Fas I, med NIAC, är en sexmånaders lång hjärnstramande, blyertspressande studie, för att utöka modern teknik för relevant teknik. I fas II kommer vi att göra en begränsad mängd prototyper och fälttestning under en tvåårsperiod. Detta är mycket mindre än vad man kan behöva för ett faktiskt uppdrag. Men det är naturligtvis NIAC: s mandat att undersöka tekniken 10 till 40 år ute. Vi tänker att detta förmodligen ligger inom 10- till 20-årsintervallet.
AM: Vilka slags sensorer eller vetenskaplig utrustning föreställer du dig att kunna sätta på dessa saker?
PB: Imaging är helt klart något som vi skulle vilja göra. Eftersom kameror blir oerhört små och robusta finns det redan enheter i storleksintervallet som kan monteras på dessa saker. Eventuellt kan en del av enheterna vara utrustade med förstoringsförmåga, så man kan titta på strukturerna för materialen som de landar på. Att integrera bilder som tas av små kameror på många olika små enheter är ett av områdena för framtida utveckling. Det är utanför projektets omfattning, men det är vad vi tänker på för avbildning. Och då, verkligen kemiska sensorer, att kunna sniffa och känna den kemiska miljön, vilket är mycket kritiskt. Allt från små lasernosar till jonselektiva elektroder för gaser.
Vi ser för oss att de inte alla ska vara identiska, utan snarare en ensemble, med tillräckligt med olika typer av enheter utrustade med olika slags sensorer så att sannolikheten fortfarande skulle vara hög, även med tanke på ganska höga förluster av antalet enheter, att vi skulle fortfarande ha en komplett svit av sensorer. Även om varje enskild enhet inte kan ha en gigantisk nyttolast av sensorer på den, kan du ha tillräckligt så att den kan ge betydande överlappning med sina andra enheter.
AM: Kommer det att vara möjligt att göra biologiska tester?
PB: Jag tror det. Särskilt om du föreställer dig den tidsram som vi tittar på, med de framsteg som kommer online med allt från kvantpunkter till lab-on-a-chip-enheter. Naturligtvis är svårigheten att få provmaterial till dem. Men när vi har att göra med små markkontaktenheter som våra hoppande mikrobottar, kan du kanske placera dem direkt över det material som de vill testa. I kombination med mikroskopi och bilder med bredare fält tror jag att det finns förmåga att göra ett seriöst biologiskt arbete.
AM: Har du en uppfattning om vilka milstolpar som du hoppas få under ditt tvååriga projekt?
PB: Vi räknar med att vi i mars kan ha råa prototyper som har relevant rörlighet. Men det kan vara alltför ambitiöst. När vi väl har mobila enheter är vår plan att utföra fälttestning i riktiga lava-rörgrottor som vi gör vetenskap på i New Mexico.
Fältwebbplatsen är redan testad. Som en del av fas I kom MIT-gruppen ut och jag lärde dem lite om grottning och hur terrängen egentligen var. Det var en stor ögonöppnare för dem. Det är en sak att designa robotar för hallarna i MIT, men det är en annan sak att designa dem för verkliga steniga miljöer. Det var en mycket pedagogisk upplevelse för oss alla. Jag tycker att de har en ganska bra idé om förutsättningarna för att de måste uppfylla sin design.
AM: Vilka är dessa villkor?
PB: Extremt ojämn terräng, massor av sprickor som dessa killar kan komma tillfälligt fastnat i. Så vi kommer att behöva driftsätt som gör att de kan extrimera sig, åtminstone med en rimlig chans att lyckas. Utmaningarna med kommunikationslinjen på en mycket grov yta. Komma över stora stenblock. Fastnar i små sprickor. Saker av den typen.
Lava är inte smidig. Det inre av lavarör är i sig glatt efter att de har bildats, men det finns mycket material som krymper och spricker och faller ner. Så det finns spillhögar att komma runt och över, och en hel del förändring i höjden. Och det här är saker som konventionella robotar inte har förmåga att göra.
Originalkälla: NASA Astrobiology
