El truco de la miga de pan de Hansel y Gretel inspira un sistema automatizado de exploración de cuevas en Marte y más allá

La búsqueda de un hogar en Marte pronto podría convertirse en algo, y los investigadores de la Universidad de Arizona ya están en el negocio de explorar bienes raíces que los futuros astronautas podrían usar como hábitats. Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la UArizona han desarrollado una tecnología que permitiría a una manada de robots explorar los entornos subterráneos de otros mundos.

«Los tubos de lava y las cuevas serían hábitats ideales para los astronautas porque no tienes que construir una estructura; estás protegido de la radiación cósmica dañina, así que todo lo que tienes que hacer es hacerlo agradable y acogedor», dijo Wolfgang Fink, uno de los socios. Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad Estatal de Arizona.

Fink es el autor principal de un nuevo artículo de investigación Avances en la investigación espacial Él detalla una red de comunicaciones que conectaría rovers, vehículos de aterrizaje en lagos e incluso vehículos sumergibles a través de una red de estructura de malla, lo que permite que las máquinas trabajen juntas como un equipo, independientemente de la intervención humana. Según Fink y sus coautores, este enfoque podría ayudar a abordar uno de los grandes desafíos de la tecnología espacial de la NASA al ayudar a superar la capacidad limitada de la tecnología actual para atravesar entornos seguros en cometas, asteroides, lunas y cuerpos planetarios. Refiriéndose al cuento de hadas «Hansel y Gretel», los investigadores llamaron a su concepto pendiente de patente el modelo de red de comunicación distribuida dinámicamente al estilo Breadcrumb, o DDCN.

Un cuento de hadas que inspira el futuro

“Si recuerdas el libro, sabes cómo Hansel y Gretel arrojaron migas de pan para asegurarse de encontrar el camino de regreso”, dijo Fink, fundador y director del Laboratorio de Investigación de Sistemas de Exploración Visual e Independiente en Caltech y U.A. «En nuestro escenario, las ‘migas de pan’ son sensores en miniatura que se colocan en la parte posterior de los rovers, que despliegan los sensores a medida que atraviesan una cueva u otro entorno subterráneo».

Supervisando constantemente su entorno y manteniendo la conciencia de dónde se encuentran en el espacio, los rovers avanzan por su cuenta, conectándose entre sí a través de una conexión de datos inalámbrica y desplegando nodos de comunicación en el camino. Una vez que el rover detecta que la señal se está desvaneciendo pero aún está dentro del alcance, deja caer un nodo de comunicación, sin importar la distancia que haya recorrido desde que colocó el último nodo.

«Uno de los nuevos aspectos es lo que llamamos difusión oportunista: la idea de que distribuyes ‘migas de pan’ cuando tienes que hacerlo y no en un horario planificado previamente», dijo Fink.

Y mientras tanto, no se necesita ninguna entrada del vehículo principal; Fink agregó que cada rover afiliado tomaría esa decisión por su cuenta. Fink explicó que el sistema podría funcionar de dos maneras. En uno, el rover principal actúa como un receptor pasivo, recopilando datos enviados por los rover de exploración. En el otro caso, el vehículo madre actúa como coordinador, controlando los movimientos del rover como un titiritero.

Las máquinas se hacen cargo

El nuevo concepto corresponde a encuesta calificada El modelo que Fink y sus colegas crearon a principios de la década de 2000. Esta idea prevé un equipo de robots que operan en diferentes niveles de comando, por ejemplo, un orbitador que controla un globo, que a su vez controla uno o más módulos de aterrizaje o rovers en la Tierra. Las misiones espaciales ya han adoptado el concepto, muchas con la participación de investigadores de UArizona. Por ejemplo, en Marte, Creativity es pilotada por el rover Perseverance, que es un helicóptero robótico.

Un concepto para otra misión, que finalmente no se seleccionó para su financiación, proponía enviar un orbitador con globos y un módulo de aterrizaje en un lago para estudiar uno de los mares de hidrocarburos en la luna Titán de Saturno. El enfoque de ruta de navegación lleva la idea un paso más allá al proporcionar una plataforma robusta que permite a los exploradores robóticos operar bajo tierra o incluso sumergidos en entornos líquidos. Fink dijo que tales hordas de robots autónomos individuales también podrían ayudar en los esfuerzos de búsqueda y rescate después de los desastres naturales en la Tierra.

El mayor desafío, dijo Fink, además de llevar los vehículos dentro del entorno subterráneo en primer lugar, es recuperar los datos que están registrando bajo tierra y traerlos de vuelta a la superficie. El concepto DDCN permite que un equipo de rovers navegue incluso en entornos subterráneos complejos sin perder el contacto con el «rover madre» en la superficie. Equipados con un sistema de detección de luz y rango, o LIDAR, pueden incluso trazar pasajes de cuevas en las tres dimensiones, a diferencia de los drones que se pueden ver explorando naves extraterrestres en la película «Prometheus».

“Una vez desplegados, nuestros sensores crean automáticamente una red de malla no dirigida, lo que significa que cada nodo se actualiza en todos los nodos que lo rodean”, dijo Fink, quien explicó por primera vez el concepto DDCN en una propuesta a la NASA en 2019.

«Pueden cambiar entre sí y compensar los puntos muertos y las interrupciones de la señal», agregó Mark Tarbell, coautor del artículo e investigador principal en el laboratorio de Fink. «Si algunos de ellos mueren, todavía hay comunicación entre los nodos restantes, por lo que la nave nodriza nunca pierde el contacto con el nodo más lejano de la red».

misión sin retorno

La sólida red de nodos de comunicación garantiza que todos los datos recopilados por los exploradores robóticos regresen al vehículo principal en la superficie. Por lo tanto, no hay necesidad de recuperar los robots una vez que hayan hecho su trabajo, dijo Fink, quien popularizó la idea de usar conjuntos de sondas de superficie robóticas prescindibles y móviles ya en 2014.

“Fue diseñado para ser prescindible”, dijo. “En lugar de desperdiciar recursos para que entren y salgan de la cueva, tiene más sentido que vayan lo más lejos posible y los dejen atrás una vez que hayan hecho su trabajo, se hayan quedado sin energía o sucumban a un entorno hostil”.

«El enfoque de la red de comunicación presentado en este nuevo artículo tiene el potencial de anunciar una nueva era de descubrimientos planetarios y astrobiológicos», dijo Dirk Schultz-Makuch, presidente de la Sociedad Alemana de Astrobiología y autor de varias publicaciones sobre vida extraterrestre. «Finalmente nos permite explorar las cuevas de tubos de lava marcianos y los océanos subterráneos de lunas heladas, lugares donde podría existir vida extraterrestre».

El concepto propuesto «tiene magia», según Victor Becker, profesor de hidrología, ciencias atmosféricas y ciencias planetarias y de la Tierra en la Universidad de Arizona. “Los descubrimientos más sorprendentes de la ciencia ocurren cuando los avances tecnológicos brindan acceso por primera vez a un objeto o lugar y los medios para comunicar lo que se descubre a las mentes creativas que buscan comprender”, dijo Baker.

Explora mundos oceánicos ocultos

En lugares donde se requieren robots sumergibles, el sistema podría consistir en una sonda, ya sea flotando en un lago, como en Titán, o asentada sobre hielo sobre un océano subterráneo como Europa, conectada a un submarino, por ejemplo, a través de un cable largo. Aquí, los nodos de conexión actúan como repetidores, lo que aumenta la señal a intervalos regulares para evitar que se degrade. Lo más importante, señaló Fink, es que los nodos tienen la capacidad de recopilar datos por sí mismos, por ejemplo, medir la presión, la salinidad, la temperatura y otros parámetros químicos y físicos, e ingerir los datos en el cable que se conecta de nuevo al módulo de aterrizaje.

«Imagine que llega hasta Europa, se derrite a través de kilómetros de hielo y llega al océano subterráneo, donde se encuentra rodeado de vida extraterrestre, pero no tiene forma de traer los datos a la superficie», dijo. dicho. Este es el escenario que debemos evitar. »

Habiendo desarrollado rovers y tecnología de comunicación, el grupo de Fink ahora está construyendo el mecanismo real mediante el cual los rovers desplegarán nodos de comunicación.

Fink dijo: “Básicamente, vamos a enseñar a ‘Hansels’ y ‘Gretels’ cómo soltar migas de pan para que se sumen a una red de comunicación en malla que funcione.