机器人何时应该冒险探索其他世界?

2009 年 5 月 1 日,在火星表面停留五年后, 精神漫游者 卡在一块柔软的沙子里(它会在剩下的任务中停留在那里)。 2019 年 2 月 13 日,NASA 官员宣布 Spirit 的妹妹—— 机会 漫游者——大约七个月前,一场行星沙尘暴迫使它进入冬眠模式后,它完成了任务。 2017 年 3 月,由于多年在崎岖的地形上行驶,好奇号火星车的车轮出现了首次断裂的迹象。 这就是将漫游车任务发送到其他行星以寻找可能导致科学突破的发现的风险。

但是,对于机器人任务来说,可接受的风险是什么?任务控制人员何时有理由接受这些风险? 事实证明,来自 机器人研究所的计算机科学学院在 卡内基·梅隆大学 匹兹堡的 (CMU) 开发了一种新方法,用于权衡风险与将行星漫游车送入危险情况的科学价值。 研究人员现在正与 NASA 合作,为未来的月球、火星和太阳系中其他潜在危险环境的机器人任务实施他们的方法。

研究团队包括 大卫韦特格林,RI 的研究教授和前机器人学博士 Alberto Candela。 RI 的学生,现任 NASA 喷气推进实验室的数据科学家。 描述他们的方法的论文,标题为“一种科学和具有风险意识的行星漫游者探索方法,”由 Wettergreen 和 Candela 在 IEEE 和 RSJ 智能机器人和系统国际会议 – 于 10 月 23 日至 27 日在日本京都举行。

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机器人研究所的研究人员开发了一种新的建模方法,以平衡将自主机器人送到新地方的风险与可能在那里发现的价值。 学分:RI/CMU

机器人任务基于他们对解释扫描岩石中的矿物数据的信心来衡量科学价值。 如果它得出结论,无需额外测量即可正确识别岩石的矿物成分,它可能会决定在其他地方进行探索。 如果它的信心很低,它可能会决定继续研究当前区域以提高其读数的准确性。 对于他们的新方法,Wettergreen 和 Candela 结合了模型,这些模型权衡了该地区的科学价值与对漫游车的任何潜在危害。

正如在卡内基梅隆大学从事自主行星探索工作数十年的 Wettergreen 在美国宇航局的一篇文章中总结的那样 新闻稿

“我们研究了怎样平衡前往具有挑战性的地方所带来的风险与您在那里可能发现的价值之间的关系。 这是自主导航和产生更多更好的数据以帮助科学家的下一步。”

为了衡量风险,Wettergreen 和 Candela 依靠一个模型,该模型结合了当地地形的地形和材料构成数据,以确定漫游车到达目的地的难度。 例如,带有松散沙子的倾斜地形(火星上的一个主要问题)会带来很高的风险,因为火星车在试图爬上斜坡并最终被掩埋时可能会引发滑坡。 这正是 2004 年 Spirit 漫游者发生的事情,当时它被困在沙丘中,当它试图移动时,它的轮子打滑了。

该团队使用基于真实火星表面数据的模拟测试了他们的框架。 通过在这个地形上导航模拟漫游车,他们根据不同的风险绘制了不同的路径,然后评估了这些任务获得的科学数据。 “漫游者本身就做得很好,”坎德拉说。 “即使在高风险模拟下,火星车仍有很多区域可供探索,我们发现我们仍然取得了有趣的发现。”

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2013 年,自主漫游车 Zoë 在阿塔卡马沙漠的土壤中钻探,发现了不寻常的高度专业化微生物。 学分:RI/CMU

这种新方法建立在可追溯到 1980 年代的工作基础上,研究人员提出并展示了允许漫游者在其他行星表面导航的方法。 这包括 安布勒,一个 6 米(约 20 英尺)高的六足机器人,由 CMU 的科学家开发,在 1990 年代进行了测试。 这个机器人展示了漫游者任务怎样优先考虑他们的目标并在外星环境中绘制自己的路径,这激发了更多的机器人试验台。

例子包括 拉特勒四轮滑移机器人 桑迪亚国家实验室 作为月球导航软件的试验台。 紧随其后的是 游牧民族,1997 年夏天在阿塔卡马沙漠测试的示范漫游车。然后是由 Wettergreen 领导的项目 Hyperion,该项目建造了一个为太阳同步机器人探索 (SSRE) 设计的漫游车——机器人跟随太阳以保持其太阳能- 动力电池充电。 自 2004 年以来,CMU 的研究人员一直使用 Zoë 漫游车作为自主导航和探索技术的试验台。

这包括由 Wettergreen 和 Candela 开发的方法的先前版本。 截至 2012 年,Zoë 已在阿塔卡马沙漠进行了测试,它在那里行驶了数百公里以测试用于自主探索和样本收集的系统。 2013 年,火星车决定在一个发现高度专业化微生物的地点进行钻探,从而展示自动机系统怎样带来有价值的科学回报。 未来,Candela 和 Wettergreen 希望使用 Zoë 在犹他州沙漠中测试他们的新方法。 正如韦特格林所说:

“我们的目标不是排除科学家,也不是排除研究人员。 真的,关键是让机器人系统对科学家来说更有生产力。 我们的目标是收集更多更好的数据,供科学家在研究中使用。”

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艺术家对火星探测车的构想,其中包括机遇和精神。 信用:美国国家航空航天局

他们还预计,他们的研究可能对未来的月球探索非常宝贵,其中包括美国宇航局期待已久的重返月球(阿尔忒弥斯计划)。 由于预计自阿波罗时代以来首次将载人任务送上月球表面,机器人任务需要调查当地地形、侦察资源并评估对宇航员的潜在危险。 科学家们可以使用 Wettergreen 和 Candela 的新方法作为工具,提前规划潜在路线,并在旅行风险与重大科学发现的潜力之间取得平衡。

他们的方法还可以帮助将下一代漫游车发送到人类持续参与不切实际的遥远地区。 这包括对欧罗巴、泰坦和其他可能揭示地球以外生命证据的天体的天体生物学任务。 对于离家较近的任务,可以评估风险的自主系统也将使任务控制员腾出时间来专注于解释科学数据。

延伸阅读: 卡内基·梅隆大学, IEEE Xplore