Certains scientifiques rêvent d’explorer des planètes avec des engins spatiaux « intelligents » qui savent exactement quelles données rechercher, où les trouver et comment les analyser. Même si la concrétisation de ce rêve prendra du temps, les progrès réalisés par le rover martien Perseverance de la NASA constituent des avancées prometteuses dans cette direction.
Depuis près de trois ans, la mission du rover teste une forme d’intelligence artificielle capable de rechercher des minéraux dans les roches de la planète rouge. C’est la première fois que l’IA est utilisée sur Mars pour prendre des décisions autonomes basées sur une analyse en temps réel de la composition des roches.
Le logiciel prend en charge PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry), un spectromètre développé par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. En cartographiant la composition chimique des minéraux à la surface d’une roche, PIXL permet aux scientifiques de déterminer si la roche s’est formée dans des conditions qui auraient pu favoriser la vie microbienne dans le passé ancien de Mars.
Appelé « échantillonnage adaptatif », le logiciel positionne de manière autonome l’instrument à proximité d’une cible rocheuse, puis examine les scans de la cible effectués par PIXL pour trouver des minéraux qui méritent d’être examinés plus en profondeur. Tout cela se fait en temps réel, sans que le rover ne communique avec les contrôleurs de mission sur Terre.
« Nous utilisons l’intelligence artificielle de PIXL pour nous concentrer sur des éléments scientifiques clés », a déclaré Abigail Allwood, chercheuse principale de l’instrument, du JPL. « Sans elle, vous verriez un indice intéressant dans les données et vous devriez ensuite scanner à nouveau la roche pour l’étudier plus en détail. Cela permet à PIXL de parvenir à une conclusion sans que des humains n’examinent les données. »
Les données des instruments de Perseverance, dont PIXL, aident les scientifiques à déterminer quand forer un noyau de roche et le sceller dans un tube métallique en titane afin qu’il puisse, avec d’autres échantillons hautement prioritaires, être ramené sur Terre pour une étude plus approfondie dans le cadre de la campagne de retour d’échantillons de Mars de la NASA.
Dans cette vidéo accélérée d’un test réalisé au JPL en juin 2023, un modèle d’ingénierie de l’instrument PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) à bord du rover martien Perseverance de la NASA se place contre un rocher pour collecter des données. Crédit : NASA/JPL-Caltech
L’échantillonnage adaptatif n’est pas la seule application de l’IA sur Mars. À environ 3 700 kilomètres de Perseverance se trouve Curiosity de la NASA, qui a été le pionnier d’une forme d’IA permettant au rover de détruire de manière autonome des roches avec un laser en fonction de leur forme et de leur couleur.
L’étude du gaz qui se consume après chaque décharge laser révèle la composition chimique d’une roche. Perseverance dispose de cette même capacité, ainsi que d’une forme d’IA plus avancée qui lui permet de naviguer sans directives spécifiques de la Terre. Les deux rovers dépendent toujours de dizaines d’ingénieurs et de scientifiques pour planifier chaque jour les centaines de commandes individuelles, mais cette intelligence numérique permet aux deux missions d’accomplir plus de choses en moins de temps.
« L’idée derrière l’échantillonnage adaptatif de PIXL est d’aider les scientifiques à trouver l’aiguille dans une botte de foin de données, leur permettant ainsi de gagner du temps et de l’énergie pour se concentrer sur d’autres choses », a déclaré Peter Lawson, qui a dirigé la mise en œuvre de l’échantillonnage adaptatif avant de prendre sa retraite du JPL. « En fin de compte, cela nous aide à rassembler les meilleures données scientifiques plus rapidement. »
Utiliser l’IA pour positionner PIXL
L’IA aide PIXL de deux manières. Tout d’abord, elle positionne l’instrument exactement comme il faut une fois qu’il se trouve à proximité d’une cible rocheuse. Situé à l’extrémité du bras robotique de Perseverance, le spectromètre repose sur six minuscules pattes robotisées, appelées hexapodes. La caméra de PIXL vérifie à plusieurs reprises la distance entre l’instrument et une cible rocheuse pour faciliter le positionnement.
Les variations de température sur Mars sont suffisamment importantes pour que le bras de Perseverance se dilate ou se contracte de façon microscopique, ce qui peut perturber la visée de PIXL. L’hexapode ajuste automatiquement l’instrument pour le rapprocher exceptionnellement près de la roche sans entrer en contact avec elle.
« Nous devons faire des ajustements à l’échelle du micromètre pour obtenir la précision dont nous avons besoin », a déclaré Allwood. « L’appareil se rapproche suffisamment de la roche pour faire dresser les cheveux sur la nuque d’un ingénieur. »
Réaliser une carte minérale
Une fois que PIXL est en position, un autre système d’IA a l’occasion de briller. PIXL scanne une zone de la taille d’un timbre-poste d’un rocher, en tirant un faisceau de rayons X des milliers de fois pour créer une grille de points microscopiques. Chaque point révèle des informations sur la composition chimique des minéraux présents.
Les minéraux sont essentiels pour répondre à des questions clés sur Mars. Selon la roche, les scientifiques pourraient être à la recherche de carbonates, qui cachent des indices sur la façon dont l’eau a pu former la roche, ou de phosphates, qui auraient pu fournir des nutriments aux microbes, s’il en existait dans le passé martien.
Les scientifiques n’ont aucun moyen de savoir à l’avance lequel des centaines de rayons X va révéler un minéral particulier, mais lorsque l’instrument trouve certains minéraux, il peut s’arrêter automatiquement pour recueillir davantage de données, une action appelée « long dwell ». À mesure que le système s’améliore grâce à l’apprentissage automatique, la liste des minéraux sur lesquels PIXL peut se concentrer avec un long dwell s’allonge.
« PIXL est une sorte de couteau suisse dans le sens où il peut être configuré en fonction de ce que les scientifiques recherchent à un moment donné », explique David Thompson, du JPL, qui a contribué au développement du logiciel. « Mars est un endroit idéal pour tester l’IA, car nous avons des communications régulières chaque jour, ce qui nous donne la possibilité d’effectuer des ajustements en cours de route. »
Lorsque les futures missions s’enfonceront plus profondément dans le système solaire, elles seront hors de contact plus longtemps que les missions actuellement sur Mars. C’est pourquoi il existe un intérêt marqué pour le développement d’une plus grande autonomie des missions qui parcourent et mènent des recherches scientifiques au bénéfice de l’humanité.