Inżynierowie wzięli udział w zawodach, aby przetestować prototypy robotów na potrzeby ambitnej koncepcji misji — roju podwodnych odkrywców poszukujących oznak życia w obcych oceanicznych światach.
Europa will deploy advanced robots to probe its icy oceans for life. The robots, part of the SWIM project, have been rigorously tested on Earth and through simulations to handle extraterrestrial conditions.
Exploring Europa: NASA’s Ambitious Mission
When NASA’s Europa Clipper arrives at Jupiter’s moon Europa in 2030, it will conduct 49 flybys, using a suite of powerful scientific instruments to search for evidence that the ocean beneath Europa’s icy crust could support life. The spacecraft, which launched on October 14, is equipped with the most advanced science technology ever sent to the outer solar system. Yet, even as it begins its mission, NASA teams are already designing the next generation of robotic explorers to dive deeper into Europa’s hidden ocean and beyond, pushing the boundaries of scientific discovery.
One such innovative concept is called SWIM, short for Sensing With Independent Micro-swimmers. This project imagines deploying a swarm of tiny, self-propelled robots, each about the size of a cellphone. These robots would be delivered to the subsurface ocean by an ice-melting cryobot. Once released, they would scatter and explore, searching for chemical and temperature signals that could point to the presence of life.
“People might ask, why is NASA developing an underwater robot for space exploration? It’s because there are places we want to go in the solar system to look for life, and we think life needs water. So we need robots that can explore those environments — autonomously, hundreds of millions of miles from home,” said Ethan Schaler, principal investigator for SWIM at NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California.
Under development at JPL, a series of prototypes for the SWIM concept recently braved the waters of a 25-yard (23-meter) competition swimming pool at Caltech in Pasadena for testing. The results were encouraging.
Prototyp robota zaprojektowanego do badania podpowierzchniowych oceanów lodowych księżyców odbija się w powierzchni wody podczas testów na basenie w Caltech we wrześniu. Testy przeprowadzone przez Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA wykazały wykonalność koncepcji misji z udziałem roju minirobotów pływających. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Praktyka pływania
Najnowszą iteracją zespołu SWIM jest wydrukowany w 3D plastikowy prototyp, który opiera się na tanich, produkowanych komercyjnie silnikach i elektronice. Prototyp, pchany dwoma śmigłami i czterema klapami do sterowania, wykazywał kontrolowane manewrowanie, zdolność utrzymywania się na kursie i korygowania kursu, a także poruszanie się tam i z powrotem „kosiarką”. Zarządzał tym wszystkim autonomicznie, bez bezpośredniej interwencji zespołu. Robot napisał nawet „JPL”.
Na wypadek, gdyby robot potrzebował ratunku, przyczepiono go do żyłki, a podczas każdego testu wzdłuż basenu biegał inżynier z wędką. W pobliżu kolega przejrzał na laptopie działania robota i dane z czujników. Zespół wykonał ponad 20 rund testowania różnych prototypów na basenie i w dwóch czołgach w JPL.
„Wspaniale jest zbudować robota od podstaw i zobaczyć, jak skutecznie działa w odpowiednim środowisku” – powiedział Schaler. „Roboty podwodne są ogólnie bardzo trudne, a to dopiero pierwszy z serii projektów, nad którymi musieliśmy pracować, aby przygotować się do podróży do oceanicznego świata. Ale to dowód na to, że możemy zbudować te roboty o niezbędnych możliwościach i zacząć rozumieć, z jakimi wyzwaniami staną przed nimi podczas misji podpowierzchniowej”.
W stronę autonomicznej eksploracji oceanów
Prototyp w kształcie klina używany w większości testów basenu miał około 16,5 cala (42 centymetry) długości i ważył 5 funtów (2,3 kilograma). Zaprojektowane do lotów kosmicznych roboty miałyby wymiary około trzy razy mniejsze – niewielkie w porównaniu z istniejącymi zdalnie sterowanymi i autonomicznymi podwodnymi pojazdami naukowymi. Pływacy wielkości dłoni będą mieli zminiaturyzowane, specjalnie zaprojektowane części i będą wykorzystywać nowatorski bezprzewodowy podwodny system komunikacji akustycznej do przesyłania danych i triangulacji swojej pozycji.
Cyfrowe wersje tych małych robotów zostały poddane własnemu testowi, nie w basenie, ale w symulacji komputerowej. W środowisku o takim samym ciśnieniu i grawitacji, jakie prawdopodobnie napotkałyby na Europie, wirtualny rój robotów o długości 5 cali (12 cm) wielokrotnie wyruszał w poszukiwaniu potencjalnych oznak życia. Symulacje komputerowe pomogły w określeniu granic możliwości robotów w zakresie gromadzenia danych naukowych w nieznanym środowisku i doprowadziły do opracowania algorytmów, które umożliwią rojowi efektywniejszą eksplorację.
Symulacje pomogły także zespołowi lepiej zrozumieć, w jaki sposób zmaksymalizować korzyści naukowe, uwzględniając kompromisy między czasem pracy baterii (do dwóch godzin), objętością wody, którą pływacy mogą zbadać (około 3 milionów stóp sześciennych, czyli 86 000 metrów sześciennych), a liczba robotów w jednym roju (kilkanaście, wysłanych w czterech do pięciu falach).
Ponadto zespół współpracowników z Georgia Tech w Atlancie wyprodukował i przetestował czujnik składu oceanu, który umożliwiłby każdemu robotowi równoczesny pomiar temperatury, ciśnienia, kwasowości lub zasadowości, przewodności i składu chemicznego. Chip o powierzchni zaledwie kilku milimetrów kwadratowych jest pierwszym, który łączy wszystkie te czujniki w jednym maleńkim opakowaniu.
Oczywiście tak zaawansowana koncepcja wymagałaby między innymi kilku lat pracy, aby być gotowym na ewentualną przyszłą misję lotniczą na lodowy księżyc. W międzyczasie Schaler wyobraża sobie, że roboty SWIM będą potencjalnie dalej rozwijane, aby mogły wykonywać prace naukowe w domu: wspierać badania oceanograficzne lub wykonywać krytyczne pomiary pod lodem polarnym.
Więcej o PŁYWANIU
SWIM to innowacyjny projekt NASA zarządzany przez Jet Propulsion Laboratory (JPL) firmy Caltech i finansowany w ramach programu NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), który wspiera wizjonerskie pomysły na przyszłą eksplorację kosmosu. Projekt przewiduje rój małych, autonomicznych robotów pływających zaprojektowanych do badania podpowierzchniowych oceanów na lodowych księżycach, takich jak Europa, w poszukiwaniu oznak życia. Te roboty wielkości telefonu komórkowego, dostarczane przez kriobota topiącego lód, rozprzestrzeniłyby się w celu wykrywania sygnałów chemicznych i temperaturowych, które mogłyby wskazywać na możliwość zamieszkania lub życie.
Dzięki wsparciu finansowemu fazy I i II NIAC w ramach Dyrekcji Misji Technologii Kosmicznych NASA, SWIM stanowi część programu oceniającego najnowocześniejsze technologie mogące zmienić przyszłe misje. Zachęcamy do tego naukowców z rządu USA, przemysłu i środowiska akademickiego zgłaszać propozycje do tej inicjatywy, poszerzając granice lotnictwa i eksploracji kosmosu.
