一群微型游泳机器人可以在遥远的世界寻找生命

在此处展示的独立微型游泳者感知 (SWIM) 概念中,数十个小型机器人将通过冷冻机器人(如左图)穿过遥远月球的冰壳下降到下方的海洋。 该项目已获得美国宇航局创新先进概念计划的资助。 学分:喷气推进实验室

有一天,一群手机大小的机器人可以在木星卫星欧罗巴或土星卫星土卫二数英里厚的冰壳下的水中掠过,寻找外星生命的迹象。 装在一个狭窄的融冰探测器内,该探测器将穿过冰冻的地壳,这些微型机器人将被释放到水下,远离它们的母舰游来以测量一个新世界。

这是南加州 NASA 喷气推进实验室的机器人机械工程师 Ethan Schaler 的愿景,他的独立微型游泳者传感 (SWIM) 概念最近获得了 NASA 创新先进概念 (NIAC) 计划的 600,000 美元第二阶段资助。 这笔资金是在他 2021 年在 NIAC 第一阶段拨款 125,000 美元用于研究可行性和设计方案之后获得的,这将使他和他的团队能够在未来两年内制造和测试 3D 打印原型。

一项关键创新是 Schaler 的迷你游泳者将比其他行星海洋探索机器人概念小得多,允许将许多机器人紧凑地装载到冰探测器中。 它们将增加探测器的科学范围,并可以增加探测生命证据的可能性,同时评估遥远的海洋天体的潜在可居住性。

“我的想法是,我们可以在哪里采用微型机器人,并以有趣的新方式应用它们来探索我们的太阳系?” 沙勒说。 “借助一群小型游泳机器人,我们能够探索更大体积的海水,并通过让多个机器人在同一区域收集数据来改进我们的测量。”

尚未成为任何 NASA 任务的一部分,早期 SWIM 概念设想了楔形机器人,每个长约 5 英寸(12 厘米),体积约 3 至 5 立方英寸(60 至 75 立方厘米)。 其中大约四打可以装入直径为 10 英寸(25 厘米)的冷冻机器人的 4 英寸长(10 厘米长)的部分中,仅占科学有效载荷体积的 15% 左右。 这将为更强大但移动性更小的科学仪器留下足够的空间,这些仪器可以在穿越冰层的长途旅行中收集数据并在海洋中提供静止测量。

计划于 2024 年发射的 Europa Clipper 任务将在 2030 年到达木星月球时开始使用大量仪器在多次飞越期间收集详细的科学信息。展望未来,研究此类海洋世界的低温机器人概念正在通过 NASA 的欧罗巴科学探索地下进入机制 (SESAME) 计划以及其他 NASA 技术开发计划开发。


这张插图显示了 NASA 低温机器人概念,称为使用放射性同位素进行冰冷卫星探测 (PRIME),将微型楔形机器人部署到海洋世界冰冻表面着陆器下方的海里。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

一起更好

与 SWIM 概念一样雄心勃勃,其目的是在提高科学水平的同时降低风险。 低温机器人将通过通信系绳连接到地面着陆器,而地面着陆器又将成为与地球上的任务控制器的接触点。 这种拴系的方法,以及包括大型推进系统的有限空间,意味着冷冻机器人可能无法冒险超越冰与海洋的交汇点。

“如果经过这么多年进入海洋,你从冰壳中穿过了错误的地方怎么办?如果那里有生命迹象,但你进入海洋的地方没有生命迹象怎么办?” JPL 的 SWIM 团队科学家 Samuel Howell 说,他也在 Europa Clipper 上工作。 “通过将这些成群的机器人带到我们身边,我们将能够看到‘那里’,探索比单个冷冻机器人所允许的更多的环境。”

豪厄尔将这个概念与美国宇航局的 Ingenuity Mars Helicopter 进行了比较,后者是该机构在红色星球上的恒心漫游者的空中伙伴。 “直升机扩展了漫游者的范围,它发回的图像是帮助漫游者了解怎样探索其环境的背景,”他说。 “如果你有一堆而不是一架直升机,你会对你的环境有更多的了解。这就是 SWIM 背后的想法。”

SWIM 还将允许从冷冻机器人炽热的核电池中收集数据,探测器将依靠该电池来融化穿过冰层的向下路径。 沙勒说,一旦进入海洋,电池产生的热量就会产生一个热气泡,慢慢融化上面的冰,并可能引起可能改变水化学性质的反应。

此外,SWIM 机器人可以以受鱼或鸟启发的行为“聚集”在一起,从而通过重叠测量减少数据错误。 该组数据还可以显示梯度:温度或盐度,对于 example,在蜂群的集体传感器中增加,并指向他们正在检测的信号源。

“如果存在能量梯度或化学梯度,那就是生命开始出现的方式。我们需要从低温机器人到上游来感知这些,”沙勒说。

每个机器人都有自己的推进系统、机载计算机和超声波通信系统,以及温度、盐度、酸度和压力的简单传感器。 用于监测生物标志物(生命迹象)的化学传感器将成为 Schaler 的 II 期研究的一部分。