Der Breadcrumb-Trick von Hänsel und Gretel inspiriert Roboter-Explorationssystem für Höhlen auf dem Mars und darüber hinaus

Die Wohnungssuche auf dem Mars könnte bald zu einer Sache werden, und Forscher der University of Arizona sind bereits damit beschäftigt, Immobilien auszukundschaften, die zukünftige Astronauten als Lebensraum nutzen könnten. Forscher des UArizona College of Engineering haben eine Technologie entwickelt, die es einer Schar von Robotern ermöglichen würde, unterirdische Umgebungen auf anderen Welten zu erkunden.

„Lavaröhren und Höhlen wären perfekte Lebensräume für Astronauten, weil man keine Struktur bauen muss; man ist vor schädlicher kosmischer Strahlung geschützt, also muss man es nur hübsch und gemütlich machen“, sagte Wolfgang Fink, ein Mitarbeiter Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der UArizona.

Fink ist Hauptautor eines neuen Artikels in Fortschritte in der Weltraumforschung Das beschreibt ein Kommunikationsnetzwerk, das Rover, Seelander und sogar Tauchfahrzeuge durch ein sogenanntes Mesh-Topologie-Netzwerk verbindet, das es den Maschinen ermöglicht, unabhängig von menschlichen Eingaben als Team zusammenzuarbeiten. Laut Fink und seinen Co-Autoren könnte der Ansatz dazu beitragen, eine der großen Herausforderungen der Weltraumtechnologie der NASA anzugehen, indem er dazu beiträgt, die begrenzte Fähigkeit der aktuellen Technologie zu überwinden, Umgebungen auf Kometen, Asteroiden, Monden und Planetenkörpern sicher zu durchqueren. In Anspielung auf das Märchen „Hänsel und Gretel“ nannten die Forscher ihr zum Patent angemeldetes Konzept das „Breadcrumb-Style Dynamically Deployed Communication Network“-Paradigma oder kurz DDCN.

Ein Märchen inspiriert die Zukunft

„Wenn Sie sich an das Buch erinnern, wissen Sie, wie Hänsel und Gretel Brotkrümel fallen ließen, um sicherzustellen, dass sie ihren Weg zurück finden“, sagte Fink, Gründer und Direktor des Visual and Autonomous Exploration Systems Research Laboratory am Caltech und UArizona. „In unserem Szenario sind die ‚Brotkrümel‘ miniaturisierte Sensoren, die sich huckepack auf die Rover setzen, die die Sensoren einsetzen, wenn sie eine Höhle oder eine andere unterirdische Umgebung durchqueren.“

Die Rover überwachen kontinuierlich ihre Umgebung und behalten ihre Position im Weltraum im Auge. Die Rover bewegen sich selbstständig fort, sind über eine drahtlose Datenverbindung miteinander verbunden und setzen unterwegs Kommunikationsknoten ein. Sobald ein Rover erkennt, dass das Signal nachlässt, sich aber noch in Reichweite befindet, lässt er einen Kommunikationsknoten fallen, unabhängig davon, wie viel Entfernung tatsächlich vergangen ist, seit er den letzten Knoten platziert hat.

„Einer der neuen Aspekte ist das, was wir als opportunistisches Deployment bezeichnen – die Idee, dass man die ‚Breadcrumbs‘ dann einsetzt, wenn es nötig ist, und nicht nach einem zuvor geplanten Zeitplan“, sagte Fink.

Währenddessen ist keine Eingabe vom Mutterrover erforderlich; Jeder untergeordnete Rover wird diese Entscheidung selbst treffen, fügte Fink hinzu. Das System kann auf zwei Arten funktionieren, erklärte Fink. In einem Fall fungiert der Mutterrover als passiver Empfänger und sammelt Daten, die von den Rovern übermittelt werden, die die Erkundung durchführen. In der anderen fungiert der Mother Rover als Orchestrator und steuert die Bewegungen der Rover wie ein Puppenspieler.

Maschinen übernehmen

Das neue Konzept harmoniert mit dem Tier-skalierbare Aufklärung Paradigma, das Anfang der 2000er Jahre von Fink und Kollegen entwickelt wurde. Diese Idee sieht ein Team von Robotern vor, die auf verschiedenen Kommandoebenen operieren – zum Beispiel ein Orbiter, der ein Luftschiff steuert, das wiederum einen oder mehrere Lander oder Rover am Boden steuert. Weltraummissionen haben sich dieses Konzept bereits zu eigen gemacht, mehrere davon mit Beteiligung von Forschern der UArizona. Auf dem Mars beispielsweise steuert der Perseverance-Rover Ingenuity, einen Roboterhubschrauber.

Ein Konzept für eine andere Mission, die letztendlich nicht zur Finanzierung ausgewählt wurde, sah vor, einen Orbiter mit einem Ballon und einem Seelander zu schicken, um eines der Kohlenwasserstoffmeere auf dem Saturnmond Titan zu untersuchen. Der Breadcrumb-Ansatz führt die Idee noch einen Schritt weiter, indem er eine robuste Plattform bereitstellt, die es Roboterforschern ermöglicht, unterirdisch oder sogar in flüssige Umgebungen einzutauchen. Solche Schwärme einzelner, autonomer Roboter könnten auch bei Such- und Rettungsbemühungen nach Naturkatastrophen auf der Erde helfen, sagte Fink.

Fink sagte, die größte Herausforderung, abgesehen davon, die Rover überhaupt in die unterirdische Umgebung zu bringen, bestehe darin, die Daten, die sie unter der Erde aufzeichnen, abzurufen und sie wieder an die Oberfläche zu bringen. Das DDCN-Konzept ermöglicht es einem Team von Rovern, selbst in verwinkelten unterirdischen Umgebungen zu navigieren, ohne jemals den Kontakt zu ihrem „Mutter-Rover“ an der Oberfläche zu verlieren. Ausgestattet mit einem Lichterkennungs- und Entfernungssystem (Lidar) konnten sie sogar Höhlengänge in allen drei Dimensionen kartieren, ähnlich wie die Drohnen, die im Film „Prometheus“ ein außerirdisches Raumschiff erkunden.

„Nach dem Einsatz bauen unsere Sensoren automatisch ein ungerichtetes Mesh-Netzwerk auf, was bedeutet, dass sich jeder Knoten über jeden Knoten um ihn herum aktualisiert“, sagte Fink, der das DDCN-Konzept erstmals 2019 in einem Vorschlag an die NASA detailliert ausführte.

„Sie können untereinander schalten und Funklöcher und Signalausfälle kompensieren“, fügte Mark Tarbell, Co-Autor der Veröffentlichung und leitender Forschungswissenschaftler in Finks Labor, hinzu. „Wenn einige von ihnen sterben, besteht immer noch Konnektivität über die verbleibenden Knoten, sodass der Mutterrover nie die Verbindung zum entferntesten Knoten im Netzwerk verliert.“

Mission ohne Wiederkehr

Das robuste Netzwerk von Kommunikationsknoten stellt sicher, dass alle von den Roboterforschern gesammelten Daten zurück zum Mutterrover an der Oberfläche gelangen. Daher sei es nicht nötig, die Roboter nach getaner Arbeit zurückzuholen, sagte Fink, der bereits 2014 die Idee veröffentlichte, Gruppen von mobilen Einweg-Roboter-Oberflächensonden einzusetzen.

„Sie sind so konzipiert, dass sie entbehrlich sind“, sagte er. „Anstatt Ressourcen zu verschwenden, um sie in die Höhle und wieder heraus zu bringen, ist es sinnvoller, sie so weit wie möglich gehen zu lassen und sie zurückzulassen, sobald sie ihre Mission erfüllt haben, keine Energie mehr haben oder einer feindlichen Umgebung erlegen sind .“

„Der in diesem neuen Artikel vorgestellte Kommunikationsnetzwerk-Ansatz hat das Potenzial, ein neues Zeitalter planetarer und astrobiologischer Entdeckungen einzuläuten“, sagte Dirk Schulze-Makuch, Präsident der Deutschen Gesellschaft für Astrobiologie und Autor zahlreicher Veröffentlichungen über außerirdisches Leben. „Es erlaubt uns endlich, die Lavaröhrenhöhlen des Mars und die unterirdischen Ozeane der Eismonde zu erkunden – Orte, an denen außerirdisches Leben vorhanden sein könnte.“

Das vorgeschlagene Konzept „hält Magie“, so Victor Baker, ein UArizona Regents Professor für Hydrologie und Atmosphärenwissenschaften, Geowissenschaften und Planetenwissenschaften. „Die erstaunlichsten Entdeckungen in der Wissenschaft kommen zustande, wenn Fortschritte in der Technologie sowohl den erstmaligen Zugang zu einem Ding oder Ort ermöglichen als auch die Möglichkeit bieten, das, was dabei entdeckt wird, kreativen Köpfen mitzuteilen, die nach Verständnis suchen“, sagte Baker.

Entdecken Sie verborgene Meereswelten

An Orten, die Tauchroboter erfordern, könnte das System aus einem Lander bestehen – der entweder auf einem See schwimmt, wie es auf Titan der Fall sein könnte, oder auf dem Eis auf einem unterirdischen Ozean sitzt, wie auf Europa – der mit dem U-Boot verbunden ist. zum Beispiel durch ein langes Kabel. Hier würden die Kommunikationsknoten als Repeater fungieren und das Signal in regelmäßigen Abständen verstärken, um eine Verschlechterung zu verhindern. Wichtig, betonte Fink, haben die Knoten die Fähigkeit, selbst Daten zu sammeln – zum Beispiel Druck, Salzgehalt, Temperatur und andere chemische und physikalische Parameter zu messen – und die Daten in das Kabel aufzunehmen, das zurück zum Lander führt.

„Stellen Sie sich vor, Sie schaffen es bis nach Europa, Sie schmelzen Ihren Weg durch kilometerlanges Eis, schaffen es bis zum unterirdischen Ozean, wo Sie von außerirdischem Leben umgeben sind, aber Sie haben keine Möglichkeit, Daten zurück an die Oberfläche zu bringen, “ er sagte. „Das ist das Szenario, das wir vermeiden müssen.“

Nachdem die Rover und die Kommunikationstechnologie entwickelt wurden, arbeitet Finks Gruppe nun daran, den eigentlichen Mechanismus aufzubauen, mit dem die Rover die Kommunikationsknoten einsetzen würden.

„Im Grunde werden wir unseren ‚Hänsel‘ und ‚Gretel‘ beibringen, wie man die Brotkrumen fallen lässt, damit sie ein funktionierendes Mesh-Kommunikationsnetzwerk ergeben“, sagte Fink.