Ένα τυπικό στυλό δεν γράφει στο κενό. Χωρίς βαρύτητα, το μελάνι αρνείται να ρέει. Αυτή η απλή αποτυχία δείχνει έναν βαθύ πονοκέφαλο στην εξερεύνηση του διαστήματος: τα εργαλεία που έχουν σχεδιαστεί για επίγεια χρήση συχνά γίνονται άχρηστα σε περιβάλλον μικροβαρύτητας. Τα ρομπότ, παρά την τεχνολογική τους πολυπλοκότητα, δεν αποτελούν εξαίρεση.
Τα αυτόνομα ρομπότ που πετούν ελεύθερα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS) συχνά χάνουν τον προσανατολισμό τους. Χωρίς τη βαρύτητα για διάκριση πάνω από κάτω, ακόμη και οι αισθητήρες ακριβείας υποφέρουν από σφάλματα συσσώρευσης, με αποτέλεσμα τα μηχανήματα να παρασύρονται. Μέχρι πρόσφατα, οι αστροναύτες έπρεπε μερικές φορές να επέμβουν χειροκίνητα, διακόπτοντας την αυστηρά προγραμματισμένη εργασία τους.
Η Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA) βρήκε μια λύση σε αυτό το επίμονο πρόβλημα μέσω μιας συνεργασίας με τον καθηγητή Pyojin Kim και την ομάδα του στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας Gwangju (GIST). Ένας ειδικός στην τεχνολογία πλοήγησης, την επιστήμη που δίνει τη δυνατότητα στα ρομπότ να καθορίζουν την τρισδιάστατη θέση και τον προσανατολισμό τους, ο καθηγητής Kim έχει προτείνει έναν αλγόριθμο για να καταστείλει σημαντικά αυτά τα σφάλματα. Μειώνοντας το «απόλυτο σφάλμα περιστροφής» σε περίπου 1–2 μοίρες κατά μέσο όρο, η ομάδα επέτρεψε στα ρομπότ να εκτελούν μακροπρόθεσμες αποστολές χωρίς να απαιτείται ανθρώπινη παρέμβαση.
Μιλήσαμε με τον καθηγητή Kim για να συζητήσουμε πώς προσάρμοσε την τεχνολογία για τον κόσμο και την ανακάλυψη που κρατά τα ρομπότ της NASA σε καλό δρόμο.
Εξοικονόμηση διαστημικών ρομπότ με ψηφιακή δίδυμη πλοήγηση
Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός είναι ένα κολοσσιαίο τροχιακό εργαστήριο, μεγέθους περίπου ενός γηπέδου ποδοσφαίρου. Κατασκευάστηκε με τη σύνδεση ενοτήτων που αναπτύχθηκαν από διαφορετικά έθνη. Μέσα στην ιαπωνική πειραματική μονάδα «Kibo», ένα ρομπότ της NASA που πετά ελεύθερα με το όνομα Astrobee εργάζεται σκληρά. Η αποστολή του είναι να αναλάβει τις καθημερινές δουλειές, απελευθερώνοντας τους αστροναύτες να επικεντρωθούν στην έρευνα. Με τις ημέρες προγραμματισμένες στο λεπτό, κάθε χρόνος που αφιερώνεται στη συντήρηση είναι δαπανηρή απόσπαση της προσοχής του πληρώματος.
Στην πραγματική λειτουργία, ωστόσο, το Astrobee δεν λειτούργησε τόσο άψογα όσο αναμενόταν. Συχνά έχανε τον προσανατολισμό του, απαιτώντας από τους αστροναύτες να παρέμβουν για επαναβαθμονόμηση. Οι μηχανικοί της NASA και η ομάδα του καθηγητή Kim συνεργάστηκαν για να βρουν έναν τρόπο ώστε το ρομπότ να λειτουργεί αξιόπιστα χωρίς επίβλεψη, έτσι ώστε οι αστροναύτες να μπορούν να επικεντρωθούν στην κριτική τους έρευνα.
Η ρίζα του αποπροσανατολισμού είναι η απουσία διακριτής βαρύτητας. Τα επίγεια ρομπότ βασίζονται σε μια μονάδα αδρανειακής μέτρησης (IMU) για να ανιχνεύσουν την κλίση και τον προσανατολισμό σε σχέση με το διάνυσμα της βαρύτητας. Ο καθηγητής Kim επισημαίνει ότι «Οι επίγειοι αλγόριθμοι πλοήγησης έχουν σχεδιαστεί με βάση τη βαρύτητα, καθιστώντας δύσκολη την άμεση εφαρμογή τους στο διάστημα όπου λείπουν σημεία αναφοράς». Ως αποτέλεσμα, μικροσκοπικά σφάλματα ενώνονται με την πάροδο του χρόνου με αποτέλεσμα το ρομπότ να χάσει εντελώς την αίσθηση της κατεύθυνσής του.
Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η ομάδα στράφηκε στο Visual-Based Navigation (VBN), επιτρέποντας στο ρομπότ να συμπεράνει τον προσανατολισμό του βλέποντας το περιβάλλον του μέσα από κάμερες. Στην αρχή, η ομάδα υπέθεσε ότι η απλή υιοθέτηση της καθιερωμένης τεχνολογίας θα ήταν αρκετή. Έκαναν λάθος.
Το εσωτερικό του σταθμού είναι ένα χαοτικό συνονθύλευμα από καλώδια, πειραματικές εξέδρες και αιωρούμενα προσωπικά αντικείμενα. Μια προβολή που είναι διαθέσιμη ένα λεπτό μπορεί να αποκλειστεί από ένα παρασυρόμενο tablet το επόμενο. Αυτό το απρόβλεπτο μπέρδεψε τα τυπικά συστήματα πλοήγησης. «Σκεφτήκαμε ότι θα μπορούσαμε να εφαρμόσουμε τεχνολογία που βασίζεται στη Γη», θυμάται ο καθηγητής Κιμ. “Δεν απέδωσε αξιόπιστα στα περιβάλλοντα του ISS.”
Η ανακάλυψη ήρθε με τη μορφή «ψηφιακών διδύμων», ακριβών τρισδιάστατων αντιγράφων του φυσικού χώρου. Χρησιμοποιώντας τα σχεδιαγράμματα της NASA, η ομάδα κατασκεύασε ένα απολυμανμένο εικονικό μοντέλο του ISS, απαλλαγμένο από κάθε παροδική ακαταστασία. Το ρομπότ είχε προγραμματιστεί να διασταυρώνει το ακατάστατο υλικό σε πραγματικό χρόνο από τις κάμερές του με τις παρθένες εικόνες που παράγονται από το ψηφιακό δίδυμο.
Ο καθηγητής Kim εξηγεί, «Το ψηφιακό δίδυμο χρησιμεύει ως βασική αλήθεια, επιτρέποντας στο ρομπότ να φιλτράρει τον οπτικό θόρυβο και να βαθμονομήσει εκ νέου τη θέση του».
Με αυτά τα διορθωμένα δεδομένα, το ρομπότ ερμηνεύει το περιβάλλον του ως μια συλλογή γραμμών και επιπέδων. Αυτά τα εξαγόμενα γεωμετρικά χαρακτηριστικά χρησιμεύουν ως «οπτική πυξίδα», παρέχοντας μια απόλυτη κατευθυντική αναφορά. Το σύστημα αξιοποιεί το «Manhattan World Assumption», μια αρχή που θέτει ότι τα ανθρωπογενή περιβάλλοντα αποτελούνται κυρίως από ορθογώνιες επιφάνειες όπως τοίχοι και δάπεδα που συναντώνται σε ορθή γωνία. Οι boxy μονάδες του ISS είναι μια ιδανική βάση δοκιμών για αυτήν την προσέγγιση. Κλειδώνοντας σε αυτές τις δομικές γεωμετρίες, το ρομπότ μπορεί να τριγωνοποιήσει τη θέση του με ελάχιστο σφάλμα.
Η ομάδα πέτυχε μια ικανότητα πλοήγησης «χωρίς drift-free». Με την εφαρμογή της νέας τεχνολογίας, το μέσο σφάλμα περιστροφής μειώθηκε στις 1,43 μοίρες — αριθμός που δεν αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Το ρομπότ δεν χρειάζεται πλέον ανθρώπινο χέρι για να το καθοδηγήσει.
Ο καθηγητής Κιμ αναμένει ότι αυτή η τεχνολογία θα είναι πολύτιμη στη Γη, όχι μόνο στο διάστημα. Θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως οδηγός για drones και ρομπότ σε εσωτερικά περιβάλλοντα όπου τα σήματα GPS δεν μπορούν να φτάσουν. Το σύστημα βασίζεται σε οπτικά δεδομένα για την ανίχνευση δομικών μοτίβων, καθιστώντας το ιδανικό για κτίρια γεμάτα με γραμμές και επίπεδα. Ο καθηγητής Kim σημειώνει ότι «οι τεχνικές προσανατολισμού που βασίζονται σε αυτά τα δομικά χαρακτηριστικά είναι εφαρμόσιμες όχι μόνο σε διαστημικούς σταθμούς αλλά και σε τυπικά αστικά περιβάλλοντα».
Πληροφορίες από τη συνεργασία της NASA
Ρωτήστε τον καθηγητή Κιμ γιατί η ανθρωπότητα πρέπει να βγει σε τροχιά, και η απάντησή του είναι αναζωογονητικά ωμή: «Επειδή το διάστημα έχει πλέον πραγματική οικονομική και βιομηχανική αξία, δείχνοντας εμπορικές δυνατότητες».
Με το SpaceX να αποδεικνύει ότι το διάστημα μπορεί να είναι μια επιχείρηση και όχι απλώς ένα σύνορο, έχει εμφανιστεί ένα κύμα νεοφυών επιχειρήσεων, που στοχεύουν τα πάντα, από τη σεληνιακή εξόρυξη έως τη συναρμολόγηση δορυφόρων. Ωστόσο, η NASA παραμένει ο σιωπηλός συνεργάτης πίσω από αυτήν την έκρηξη του ιδιωτικού τομέα. Οι δεκαετίες συσσωρευμένης τεχνολογίας και ταλέντου της αποτελούν το θεμέλιο πάνω στο οποίο χτίζονται αυτές οι νέες επιχειρήσεις.
Ήταν αυτό το οικοσύστημα που τράβηξε τον καθηγητή Kim, αρχικά ειδικό στα drone, στο μωρό. Το ταξίδι του ξεκίνησε με μια πρακτική άσκηση στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA κατά τη διάρκεια των διδακτορικών του σπουδών. Το κέντρο βρισκόταν τότε στο πυκνό αναπτυσσόμενο Astrobee. Για να μιμηθούν τη μικροβαρύτητα, οι ερευνητές επέπλεαν το ρομπότ σε τραπέζια που έφεραν αέρα χρησιμοποιώντας πίδακες διοξειδίου του άνθρακα, χειραγωγώντας τον φωτισμό για να δοκιμάσουν αυστηρά την ικανότητά του να εντοπίζεται.
Αυτή η έρευνα ταίριαζε φυσικά με την τεχνογνωσία του καθηγητή Kim. Ο χρόνος του στο πρακτορείο αποκάλυψε ότι τα επίγεια drones και τα διαστημικά ρομπότ μοιράζονται την ίδια θεωρητική βάση, παρά το πολύ διαφορετικό περιβάλλον τους. Η λογική πίσω από τη χαρτογράφηση ενός περιβάλλοντος και τον προσδιορισμό της τοποθεσίας είναι καθολική, διαφέρει ως προς την εφαρμογή του.
Οι συνδέσεις που έγιναν τότε διήρκεσαν σχεδόν μια δεκαετία και εξελίσσονται στην τρέχουσα κοινή έρευνα. Ο Κιμ εξέφρασε την ευγνωμοσύνη του: «Αυτή η έρευνα θα ήταν αδύνατη χωρίς τη βοήθεια του μέντορά μου τότε, Δρ. Μπράιαν Κόλτιν, των συναδέλφων μου στη NASA, του σημερινού συν-ερευνητή μου Δρ. Ράιαν Σουσάν και του Δρ. Τέρι Φονγκ, οι οποίοι παρείχαν τις ευκαιρίες για την πρακτική άσκηση και την κοινή έρευνα».
Ο καθηγητής Κιμ εντυπωσιάστηκε ιδιαίτερα από τη στάση του οργανισμού απέναντι στην αποτυχία. Κατά τη διάρκεια της παραμονής του εκεί, είδε τη NASA να επιδιώκει τολμηρά πειράματα, υποστηριζόμενα από σημαντικούς προϋπολογισμούς και εξαιρετικό ταλέντο. «Επειδή μόνο τα επιτυχημένα έργα δημοσιοποιούνται, φαίνεται σαν να μην αποτυγχάνουν ποτέ», είπε ο καθηγητής Κιμ. «Αλλά πίσω από κάθε δημόσιο θρίαμβο κρύβονται δεκάδες ήσυχες αποτυχίες». Σημειώνει ότι η δύναμη του οργανισμού έγκειται στην προθυμία του να αντέξει αυτές τις οπισθοδρομήσεις για να επιτύχει μια και μόνη σημαντική ανακάλυψη.
Αυτή η εστίαση στον πραγματικό αντίκτυπο διαμόρφωσε και τα πρότυπα αξιολόγησής τους. Πέρα από τις συμβατικές ακαδημαϊκές μετρήσεις, η NASA έδωσε ιδιαίτερη έμφαση στον πραγματικό αντίκτυπο και την πρακτική σημασία της έρευνας. Αν και είναι κοινή πρακτική να υποβάλλονται δύο εργασίες μετά την ολοκλήρωση ενός διδακτορικού διπλώματος, ορισμένοι ερευνητές υπέβαλαν μόνο μία ή επέλεξαν να μοιραστούν τα αποτελέσματά τους σε διακομιστές προεκτύπωσης όπως το arXiv και όχι σε επίσημα περιοδικά.
«Παρά τη συντηρητική φύση της ως κυβερνητικής υπηρεσίας, η NASA είναι εκπληκτικά ανοιχτή στην προσέγγισή της στην έρευνα», θυμάται ο Κιμ. «Εντυπωσιάστηκα από την κουλτούρα της εκτίμησης της εγγενούς αξίας και της συμβολής της έρευνας σε σχέση με τα απλά αποτελέσματα».
Η συνεχής επένδυση στην επιστήμη έχει ανοίξει το δρόμο για μια τεράστια βιομηχανική υποδομή και αμέτρητες διαστημικές νεοφυείς επιχειρήσεις με επικεφαλής τους αποφοίτους της NASA. Ο καθηγητής Kim επισημαίνει το ισχυρό οικοσύστημα των κατασκευαστών των ΗΠΑ που ειδικεύονται σε εξαρτήματα «διαστημικής ποιότητας» ικανά να αντέχουν σε ακραίες συνθήκες. Έχει δημιουργήσει έναν ενάρετο κύκλο όπου οι κρατικές επενδύσεις καλλιεργούν ταλέντο και τεχνολογία, τροφοδοτώντας ένα κύμα νεοφυών επιχειρήσεων που οδηγούν τον ιδιωτικό τομέα.
Για όσους φιλοδοξούν να ενταχθούν στο πρακτορείο, ο καθηγητής Κιμ προσφέρει συμβουλές βασισμένες στον ρεαλισμό.
“Θέλω να σας δώσω μερικές ρεαλιστικές συμβουλές. Οι ερευνητές που συνάντησα στη NASA ήταν όλοι από τα κορυφαία πανεπιστήμια του κόσμου. Μπορεί να ακούγεται κλισέ, αλλά πρέπει να διαπρέψετε στα μαθηματικά και τις σπουδές σας γενικότερα. Ενώ είναι καλό να ονειρεύεστε μεγάλα, το να κάνετε αυτό το όνειρο πραγματικότητα απαιτεί συντριπτική ικανότητα. Η πόρτα στην παγκόσμια σκηνή είναι πάντα ανοιχτή.
Αυτό το άρθρο δημιουργήθηκε ως μέρος της σειράς NASA Impact από την Popular Science Korea.
2025 PopSci Outdoor Gift Guide
VIA: popsci.com
