Bilanciare rischio e rendimento nell’esplorazione planetaria

Mappa di Marte

immagine: questa mappa mostra i possibili percorsi pianificati da un nuovo approccio di modellazione per bilanciare i rischi dell’invio di robot autonomi in nuovi posti con il valore di ciò che potrebbe essere scoperto lì.
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Crediti: Carnegie Mellon University

I rover su Marte della NASA si battono per scoperte scientifiche rivoluzionarie mentre attraversano il paesaggio marziano. Allo stesso tempo, gli equipaggi che gestiscono i rover fanno tutto il possibile per proteggere loro e i miliardi di dollari dietro la missione. Questo equilibrio tra rischio e ricompensa guida le decisioni circostanti su dove vanno i rover, i percorsi che prendono per arrivarci e la scienza che scoprono.

I ricercatori dell’Istituto di robotica (RI) della School of Computer Science hanno sviluppato un nuovo approccio per bilanciare i rischi e il valore scientifico dell’invio di rover planetari in situazioni pericolose.

David Wettergreen, professore di ricerca al RI, e Alberto Candela, che ha conseguito il dottorato di ricerca. in robotica ed è ora uno scienziato dei dati presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, presenterà il loro lavoro, “An Approach to Science and Risk-Aware Planetary Rover Exploration”, alla IEEE and RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems alla fine di questo mese a Kyoto , Giappone.

“Abbiamo esaminato come bilanciare il rischio associato all’andare in luoghi difficili con il valore di ciò che potresti scoprire lì”, ha affermato Wettergreen, che ha lavorato per decenni sull’esplorazione planetaria autonoma alla Carnegie Mellon University. “Questo è il prossimo passo nella navigazione autonoma e nella produzione di dati migliori e più numerosi per aiutare gli scienziati”.

Per il loro approccio, Wettergreen e Candela hanno combinato un modello utilizzato per stimare il valore della scienza con un modello che stima il rischio. Il valore scientifico è stimato utilizzando la fiducia del robot nella sua interpretazione della composizione minerale delle rocce. Se il robot crede di aver identificato correttamente le rocce senza bisogno di ulteriori misurazioni, può scegliere di esplorare un posto nuovo. Se la fiducia del robot è bassa, tuttavia, potrebbe decidere di continuare a studiare l’area attuale e migliorare il suo modello mineralogico. Zoë, un rover che per decenni ha testato tecnologie per l’autonomia, ha utilizzato una versione precedente di questo modello durante gli esperimenti nel 2019 nel deserto del Nevada.

I ricercatori hanno determinato il rischio attraverso un modello che utilizza la topografia del terreno e i tipi di materiale di composizione del terreno per stimare quanto sarà difficile per il rover raggiungere una posizione specifica. Una ripida collina con sabbia sciolta potrebbe condannare la missione di un rover, una vera preoccupazione su Marte. Nel 2004, la NASA ha fatto atterrare due rover gemelli, Spirit e Opportunity, su Marte. La missione di Spirit si è conclusa nel 2009 quando è rimasto bloccato in una duna di sabbia e le sue ruote sono scivolate quando ha cercato di muoversi. L’opportunità è proseguita e ha funzionato fino al 2018.

Wettergreen e Candela hanno testato la loro struttura utilizzando dati reali sulla superficie di Marte. La coppia ha inviato un rover simulato che correva su Marte utilizzando questi dati, tracciando percorsi diversi in base al rischio variabile, quindi ha valutato la scienza acquisita da queste missioni.

“Il rover ha funzionato molto bene da solo”, ha detto Candela, descrivendo le missioni simulate su Marte. “Anche con simulazioni ad alto rischio, c’erano ancora molte aree da esplorare per il rover e abbiamo scoperto che abbiamo comunque fatto scoperte interessanti”.

Questa ricerca costruisce dieci decenni di lavoro del RI che studia l’esplorazione planetaria autonoma. Documenti che risalgono agli anni ’80 propongono e dimostrano metodi che consentirebbero ai rover di muoversi autonomamente sulla superficie di altri pianeti e la tecnologia sviluppata attraverso questa ricerca è stata utilizzata sui recenti rover su Marte.

I ricercatori pionieri della tecnologia autonoma della CMU hanno proposto Ambler, un robot autosufficiente a sei gambe che potrebbe dare la priorità ai suoi obiettivi e tracciare il proprio percorso su luoghi come Marte. Il team ha testato il robot alto sei metri all’inizio degli anni ’90. Seguirono altri rover, tra cui Ratler, Nomad e Hyperion, un rover progettato per seguire il sole mentre viaggia per caricare le batterie.

Zoë ha iniziato il suo lavoro in ambienti difficili nel 2004 e ha viaggiato per centinaia di miglia nel deserto di Atacama in Cile, un ambiente per molti versi simile a Marte. Entro il 2012, le missioni di Zoë nel deserto si sono spostate per concentrarsi sull’esplorazione autonoma e sulle decisioni su dove andare e quali campioni raccogliere. Un anno dopo, il rover ha deciso autonomamente di perforare il suolo desertico e ha scoperto quelli che si sono rivelati microbi insoliti e altamente specializzati, dimostrando che la scienza automatizzata può portare a scoperte preziose.

Candela e Wettergreen sperano di testare il loro recente lavoro su Zoë durante un prossimo viaggio nel deserto dello Utah. La coppia vede anche la loro ricerca dare un prezioso contributo alla futura esplorazione lunare. Il loro approccio potrebbe essere utilizzato dagli scienziati come strumento per studiare in anticipo potenziali percorsi e bilanciare il rischio di tali percorsi con la scienza che potrebbe essere acquisita. L’approccio potrebbe anche aiutare una generazione di rover autonomi inviati sulla superficie dei pianeti per condurre esperimenti scientifici senza la necessità del continuo coinvolgimento umano. Il rover potrebbe valutare il rischio e la ricompensa prima di tracciare il proprio corso.

“Il nostro obiettivo non è eliminare gli scienziati, non eliminare la persona dall’indagine”, ha affermato Wettergreen. “Davvero, il punto è consentire a un sistema robotico di essere più produttivo per gli scienziati. Il nostro obiettivo è raccogliere dati migliori e più numerosi che gli scienziati possano utilizzare nelle loro indagini”.


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