Cariño, han encogido el rover

Si los jueces del Premio Nobel otorgaron un premio por logros excesivos, un buen candidato podría ser un robot de seis ruedas del tamaño de una caja de pan llamado Sojourner. En lo que respecta a los robots, el rover que exploró Marte el año pasado era un artilugio modesto; viajaba solo alrededor de dos pies por minuto y realizaba solo dos operaciones científicas simples, fotografiando rocas y leyendo sus firmas químicas. Y la máquina costó solo $ 25 millones, con la misión Pathfinder que la llevó a Marte a una ganga de $ 266 millones, una cuarta parte del costo de un solo vuelo de transbordador espacial. Pero Sojourner era el Energizer Bunny de los robots, el rover que seguía vagando. Los funcionarios proyectaron con cautela que podría operar durante un mes en Marte; envió datos de tres.



También se apoderó de la imaginación del público como ninguna empresa espacial lo había hecho desde que Neil Armstrong y Buzz Aldrin colocaron la bandera de Estados Unidos en la luna. En las primeras y emocionantes semanas de la misión, los múltiples sitios de Pathfinder World Wide Web de la NASA registraron alrededor de 45 millones de visitas al día. Time y Newsweek otorgaron portadas simultáneas al aterrizaje del 4 de julio de Pathfinder y al posterior desembarco de Sojourner y el tipo de propaganda que generalmente se reserva para el comienzo de guerras o la muerte de princesas. Mattel vendió inmediatamente la primera tirada de su juguete Sojourner Mighty Wheels. En una recepción de verano, el vicepresidente Al Gore bromeó diciendo que Sojourner lo había reemplazado como el robot favorito del mundo. ¿Se había identificado la humanidad alguna vez tan estrechamente con
¿una maquina?

Así, el rover y su fiel módulo de aterrizaje salvaron a la NASA del estigma de dos décadas de costosos despilfarros, desastres fatales y expectativas frustradas. La estrategia esencial de la NASA reformada -nox las costosas y peligrosas expediciones tripuladas y dejar que los robots y otras herramientas de exploración remota hagan el trabajo- había dado buenos resultados.





Eso fue sólo el principio. La NASA está preparando ahora a las generaciones venideras de exploradores planetarios que harán que Sojourner parezca decididamente monótono: rovers para atravesar muchas millas de las extensiones de Marte, recolectando muestras lejanas para su transporte de regreso a la Tierra; penetradores para sondear los mundos vivientes que podrían estar debajo de rocas extraterrestres y costras de hielo; y aerobots para estudiar otros planetas y sus lunas, desde Venus hasta la luna de Júpiter, Titán, y quizás incluso Urano y Neptuno, desde el aire.

Por exóticos y muy variados que puedan parecer estos dispositivos, todos se derivan del mismo cambio crítico en el enfoque de la NASA hacia la exploración planetaria no tripulada hace casi nueve años: más rápido, más barato, mejor. Este cambio no se inició a través de la política oficial de la NASA, sino en desafío a ella, por un pequeño grupo de herejes constructores de robots que vieron una mejor manera de ir a Marte de lo que vieron sus jefes y que trabajaron encubiertamente para hacer posible la idea. Apreciar las raíces de esa rebelión de construcción de robots ayuda a comprender por qué la exploración planetaria ahora está tomando el rumbo que está tomando.

Al principio



La filosofía subyacente es más rápido, más barato, mejor es menos es más. En los vuelos espaciales, la masa es igual a dinero, mucho dinero, y la complejidad significa riesgo. Para hacer, digamos, rovers asequibles y confiables, créelos para que sean lo más livianos y simples posible: 25 libras en el caso de Sojourner, con una unidad de procesamiento de 8 bits de nivel de la década de 1970 débil pero resistente para un cerebro. Por más obvia que parezca ahora esta estrategia, a fines de la década de 1980, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA se centró en construir algo completamente diferente: una máquina verdaderamente formidable en tamaño, alcance, capacidad computacional y operativa, y costo. Este vehículo Mars Rover Sampler Return (MRSR) mediría hasta 8 pies de largo y pesaría media tonelada. Se construiría para navegar durante un año y medio en el frío punzante de Marte, a través de 700 millas de sus variados y accidentados terrenos, recolectando muestras y abriendo un camino para misiones humanas. Costaría hasta $ 10 mil millones.

Entonces golpeó la realidad fiscal, recuerda David Lavery, gerente del programa de investigación de telerrobótica de la NASA. Nos dimos cuenta de que simplemente no iba a suceder.

Afortunadamente, sin que los jefes de la NASA lo supieran, una alternativa esperaba en los laboratorios traseros del JPL, un experimento olvidado en la automatización y simplificación de robots. Incluso cuando el JPL como institución estaba persiguiendo el sueño de MRSR hasta su callejón sin salida, un pequeño grupo de exploradores advenedizos y otro grupo de renegados de la inteligencia artificial, ambos en el JPL, habían estado buscando silenciosamente sus propias soluciones.

planetas habitables cerca de nosotros

El esfuerzo comenzó en 1988, cuando Howard Eisen, ahora ingeniero jefe de movilidad de los rovers del JPL, dejó sus estudios de posgrado en el MIT para trabajar en el laboratorio. Trajo consigo un proyecto de tesis particularmente adecuado: construir un modelo a escala de un octavo del poderoso MRSR. Descubrió que el modelo, guiado por una correa eléctrica, funcionó mucho mejor de lo esperado. De hecho, sus ruedas de cinco pulgadas podían trepar por encima de objetos de hasta veinte centímetros de altura. Así que quizás el MRSR gigante era innecesario, pensó; ¿Podría una plataforma mucho más pequeña negociar la superficie rocosa de Marte?



Eisen y sus colegas del JPL se propusieron construir una plataforma de este tipo, trabajando por su cuenta en el garaje del ingeniero (y ex hot-rodder) Don Bickler. Después de varias pruebas, Bickler inventó un chasis de seis ruedas que podía mantener un peso y tracción uniformes en todas sus ruedas. Los ingenieros lo llamaron rocker / bogey por sus dos elementos mecánicos clave y, con todo el honor, llamaron Rocky a los siguientes prototipos de rover. Todos bromeaban sobre si tendríamos tantas secuelas como las películas de Rocky, recuerda Eisen. (Lo harían.)

¿Son los coches más pesados ​​más seguros?

A mitad de camino de la construcción del primer Rocky, los rover renegados obtuvieron un espacio de laboratorio en el JPL y ganaron nuevos colaboradores: un equipo de diseñadores de inteligencia artificial (IA). Inspirado por el enfoque de arquitectura de subsunción del pionero de la inteligencia artificial del MIT, Rodney Brooks, que diseñó robots para operar utilizando una jerarquía de reacciones simples a los estímulos, David Miller, un recién llegado a la sección de inteligencia artificial del JPL, contrató al estudiante de Brooks, Colin Angle, para un verano. En el MIT, Angle había creado el pionero robot Genghis, que a pesar de su escasa capacidad intelectual podía realizar de forma autónoma una función bastante compleja: reunir todas las tazas de café de la oficina. (Esa máquina se encuentra ahora en el Museo Nacional del Aire y el Espacio). En JPL, Angle construyó un robot similar llamado Tooth usando un chasis de automóvil modelo, por menos de $ 500 en piezas y $ 5,000 en mano de obra. Mi única limitación, recuerda Angle, era que no podía gastar más de 50 dólares por cada pieza, por lo que todo podía salir de la caja chica.

Miller y sus compañeros de equipo vieron el potencial del Rocky mecánico que había desarrollado el grupo de Bickler. Al casar el cerebro electrónico de Tooth con el cuerpo de Rocky 3, crearon el primer vehículo autónomo que podía operar al aire libre, sobre tierra real.

Los gerentes de JPL quedaron impresionados, pero aún comprometidos con su gran MRSR. Entonces los miembros del Congreso gritaron por su costo y ese proyecto estaba muerto. Mientras tanto, la NASA había encontrado fondos para un único módulo de aterrizaje Pathfinder pequeño y había buscado algo para llevarlo a cabo. Dije: 'Resulta que tenemos este rover', recuerda Miller. Por fin, los renegados tenían una misión real en la que trabajar.

Pero no por mucho. Como sucede tan a menudo cuando las innovaciones se canalizan hacia la corriente principal, los innovadores se quedaron al margen. Miller y sus compañeros de equipo perdieron el control del proyecto Rocky, y todos menos uno dejaron JPL por el sector privado. Los presupuestos de los rover aumentaron, al igual que los plazos. El grupo de Miller tardó solo un año y medio en progresar de Tooth a Rocky de cuarta generación, pero JPL tardó cinco años más en avanzar a Sojourner, el sexto de la línea Rocky.

Brian Wilcox de JPL, quien asumió el timón del proyecto de microrobjetos después de Miller, argumenta que esta fue una respuesta natural a los desafíos de hacer que las tecnologías sean lo suficientemente confiables para funcionar en el duro entorno marciano. De hecho, por novedoso que les pareciera a los televidentes, Pathfinder era una misión bastante conservadora; JPL recurrió a la tecnología de comando probada y verdadera en lugar de intentar una operación completamente autónoma. Más seguro que aventurero cuando todo el mundo está mirando.

Niños de Rocky

Pero ahora que Sojourner ha allanado el camino, otros exploradores planetarios pueden darse cuenta del potencial que solo insinuaba. Rocky 7, equipado con un brazo robótico y un mástil de cámara, así como un chasis estilo Sojourner, se está poniendo a prueba en el lago seco Lavic en el desierto de Mojave. El lecho del lago es un análogo de Marte especialmente apto, gracias a los aviadores de la cercana base Twentynine Palms Marine; su práctica de bombardeo lo ha dejado lleno de cráteres, aproximándose a los miles que los asteroides han perforado en la superficie de Marte.

La caminata de larga distancia que Rocky 7 está practicando bajo operación autónoma y con sistemas sensoriales y de navegación mejorados será fundamental para los futuros rovers de Marte. Sojourner se arrastró sólo una veintena de metros bajo el ojo electrónico vigilante que verificaba la posición de su nave nodriza Pathfinder. Pero Rocky 8, el rover aparente para la misión a Marte de 2001 y su sucesor de 2003, tendrá que cubrir muchas millas, probablemente en terrenos montañosos más antiguos y accidentados, donde es más probable que se encuentren rastros de vida antigua. La NASA quiere que estos rovers almacenen en caché muestras interesantes que una tercera máquina, un rover de recuperación más fuerte y especializado, está programada para recoger en 2005 con la ayuda de balizas electrónicas que quedan con los cachés. Ese rover podría tener que transportar las muestras aún más millas hasta el módulo de aterrizaje para regresar a la Tierra y el examen detenido que finalmente pueda resolver la cuestión de la vida en Marte.

Cubrir más terreno es solo uno de los muchos desafíos futuros para los fabricantes de rover. Otros giran en torno a presupuestos más restringidos. Steve Saunders, científico principal del proyecto del JPL para la misión Mars 2001, señala que los vehículos del futuro tendrán que depender de una menor participación humana. Si bien la misión Pathfinder ocupó hasta 10 personas varios meses después del aterrizaje con asuntos como el control y la resolución de problemas, el presupuesto de Mars 2001 permite un equipo de operaciones de aproximadamente 4. Los próximos rovers también deben costar menos, viajar en cohetes más pequeños, hacer más ciencia (la NASA todavía está averiguando exactamente qué) y funciona 3 veces más que Sojourner. Y aparte de los factores monetarios, deben sobrevivir a un rango de temperaturas aún más amplio que Sojourner (los expertos calculan que el frío marciano finalmente silenció la misión Pathfinder).

Gran parte de la esperanza de superar estos desafíos se basa en los nuevos compuestos de grafito que está creando la división de sistemas mecánicos de JPL. El uso de materiales compuestos consistentes en todo un rover podría reducir el enfriamiento diferencial destructivo y la contracción que ahora ocurre cuando se usan varios metales, haciendo que la máquina sea menos vulnerable a los cambios de temperatura. Y los compuestos podrían reducir más el peso de la carga útil final, reduciendo los costos. Un prototipo de Rover Ligero Survivable para la misión '05 pesa solo 15 libras (dos tercios más que Sojourner) mientras se estira más de una vez y media más de largo y ancho y mide casi el doble de alto, un pie. fuera de la Tierra.

Además, las ruedas de este prototipo colapsan a un tercio de su volumen extendido y, por lo tanto, pueden empaquetarse en una cápsula de vuelo más pequeña, dice Paul Schenker, líder de investigación y desarrollo de la división. Estamos extendiendo esa idea a todo el marco del rover, agrega, prometiendo hacer que el rover de recuperación de muestras sea realmente plegable y, por lo tanto, incluso más barato de enviar.

El mayor progreso del equipo de Schenker ha sido la construcción de brazos a partir de compuestos ligeros. Un brazo, todo compuesto hasta el motor, pesa solo alrededor de ocho libras, pero puede alargarse hasta alrededor de seis pies, cavar una zanja, levantar y depositar muestras y colocar una microcámara. Otro, que pesa dos libras, puede levantar varias veces su propio peso, en parte debido a los motores ultrasónicos (llamados así porque zumban a frecuencias inaudibles). Dichos motores maximizan el par (por lo tanto, la tracción y el apalancamiento) a velocidades muy bajas, que es justo lo que desea para usos extraterrestres, donde las altas velocidades aumentan el riesgo de accidentes y requieren más procesamiento de información. Además, los motores ultrasónicos de baja velocidad no requieren cajas de engranajes como lo hacen los motores convencionales para reducir sus rotaciones a velocidades útiles. Eliminar la caja de cambios elimina más peso; de nuevo, menos es más.

Para cuando los rovers ultraligeros con alcance de pensión estén listos para volar, un ensayo aún más dramático sobre la miniaturización del rover puede haber demostrado su eficacia en el primer aterrizaje en un asteroide. Una vez más, la necesidad, en forma de restricciones de carga útil, es la madre del diseño. En septiembre de 2003, la misión espacial japonesa conocida como Muses-C debe aterrizar en el asteroide Nereus de media milla de ancho que cruza la tierra. El plan es aterrizar en tres sitios (despegar y aterrizar nuevamente requiere poca energía en la baja gravedad de un asteroide), recolectar muestras y enviarlas a la tierra en enero de 2006 utilizando paracaídas lanzados desde vuelos espaciales. Pero primero Muses-C debería dejar a un pasajero estadounidense, un vehículo de superficie.

Cuando el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronómicas de Japón (ISAS) llegó a la NASA en busca de ayuda técnica sobre Muses-C, le ofreció a la NASA la oportunidad de llenar el espacio de carga no utilizado del módulo de aterrizaje. Los estadounidenses pensaron en enviar un complemento de instrumentos científicos, pero decidieron que si estos estaban conectados al módulo de aterrizaje simplemente duplicarían el esfuerzo japonés. Es mejor enviar un rover para explorar otras partes de Nereus.

Solo un problema: Muses-C tiene solo dos libras de capacidad de carga adicional, y se necesita la mitad para equipos informáticos y de comunicación que permitan a la NASA hablar directamente con el rover. Ergo, el siguiente paso en la miniaturización: un nanorover de una libra. (Este es un término artístico, ya que la nanotecnología generalmente se refiere al trabajo a nivel molecular. Pero, ¿de qué otra manera se llama a una máquina una vigésima parte del tamaño de un microrretro?) Los instrumentos científicos del nanorover serán más sofisticados que los del relativamente gigantesco Sojourner. : un espectrómetro infrarrojo para leer firmas químicas por rayos infrarrojos, una cámara de imágenes con ruedas de filtro de ocho posiciones para leer varios espectros de luz y quizás un espectrómetro de rayos X. Pero la máquina tendrá un chasis mucho más simple. Un prototipo actual tiene solo dos ruedas, sobre las cuales patinará e incluso se volcará (y luego se enderezará). En un asteroide, donde los impactos son levemente ligeros, tal desplazamiento no será el desastre que sería en un planeta de tamaño completo. En baja gravedad, donde detenerse es difícil, estos movimientos son inevitables de todos modos.

Un asteroide presenta desafíos de temperatura aún más temibles que Marte. Brian Wilcox, supervisor del grupo de robótica de JPL, señala que Sojourner operaba solo cuando hacía calor, después de que su aislamiento de gel había atrapado suficiente calor todos los días. Pero aislar es inútil en algo tan pequeño como un nanorover, con su área de superficie proporcionalmente alta. Y los exploradores de asteroides deben prepararse para las fluctuaciones de temperatura de 250 grados Celsius del día a la noche. Por lo general, los componentes eléctricos se clasifican solo hasta el rango de temperatura de un automóvil, alrededor de 120 grados. Encontrar componentes que puedan soportar menos-125 grados es un desafío principal, dice el ingeniero de sistemas de JPL Rick Welch, quien ha trabajado en el nanorover. Las partes apropiadas tienden a ser componentes electrónicos semiconductores de óxido metálico complementarios a CMOS, que mantienen la conductividad y funcionan a temperaturas extremadamente bajas. El asteroide rover será un rastreador nocturno; durante el día [abrasador], simplemente lo apagaremos, señala.

Durante los últimos cuatro años, el JPL también ha trabajado en la idea de la exploración aérea: aerobots, globos robóticos autónomos que podrían cubrir un territorio mucho más amplio que cualquier rover terrestre mientras producen fotografías con una resolución mucho más alta que los satélites. La idea no es nueva; en 1985, los soviéticos y franceses enviaron un globo de reconocimiento a Venus. Se desempeñó brevemente pero bien, moviéndose hacia arriba cuando se acercó a la superficie caliente de Venutian y los gases en su bolsa se expandieron, luego hacia abajo cuando golpeó la estratosfera fría y esos gases se condensaron.

Pero los aerobots que está diseñando el JPL (y para los que lanzará un banco de pruebas a principios de este año) son mucho más sofisticados. En lugar de flotar a una altura constante, controlarán su altitud a través de válvulas que pueden liberar o confinar los gases que les dan flotabilidad. Por lo tanto, explica el ingeniero de sistemas aerobot del JPL Aaron Bachelder, podrán flotar durante algún tiempo (quizás una hora más o menos por encima de Venus, debido al feroz calor, alrededor de 460 grados Celsius en su superficie). Luego se retirarán a la estratosfera para refrescarse. Las serpientes (apéndices flexibles que cuelgan largos y colgantes) protegerán contra los choques transfiriendo el peso del aerobot al suelo si el globo vuela demasiado bajo. Los aerobots también incluirán instrumentos científicos y de detección optimizados para el estudio de cerca de la superficie. Y, insiste el director de proyectos especiales de JPL, Jim Cutts, los franceses han demostrado que no se enganchan en las rocas en las pruebas de tierra. Agrega, tomando una página del libro de jugadas de nanorover, que su equipo está diseñando aerobots lo suficientemente livianos (alrededor de 22 libras) para viajar con otras misiones.

La NASA pensaba en Venus como el primer destino de aerobot, ya que su calor, demasiado grande para los rovers terrestres, hace que ese planeta sea una opción óptima para los globos. Y los vientos predecibles de Venus también hacen que sea un lugar más fácil para planificar rutas para los dispositivos que el tempestuoso Marte. Pero ahora que el triunfo de Pathfinder ha puesto a Marte de moda, Cutts también espera enviar un aerobot a Marte en 2003, quizás junto con el vehículo de caza de rocas de ese año.

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Las perspectivas de Aerobots no terminan con los dos planetas más cercanos. JPL también ha esbozado misiones de aerobot a la luna joviana Titán y los planetas gaseosos exteriores. Debido a que esos planetas tienen atmósferas mucho más ligeras, los globos de gas ligero no funcionarían en ellos como se espera que lo hagan en los planetas sólidos. Y así, las misiones a Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno se basarían en una tecnología diferente y venerable: globos de aire caliente, calentados por la propia radiación infrarroja de los planetas.

Si los aerobots funcionan, la tecnología habrá completado el círculo; Los globos, la primera forma de transporte aéreo, volarán a la vanguardia de la exploración planetaria. Esa es solo una indicación más de la diversidad de enfoques que la NASA ha estado empleando en los ocho años desde que dejó de depositar sus esperanzas de investigaciones en un solo rover masivo de Marte.

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