Planetarische MicroBots. Bildnachweis: NASA Zum Vergrößern anklicken
Interview mit Penny Boston, Teil I.
Wenn Sie zu fernen Sternen reisen oder Leben in einer anderen Welt finden möchten, ist ein wenig Planung erforderlich. Aus diesem Grund hat die NASA NIAC, das NASA Institute for Advanced Concepts, gegründet. In den letzten Jahren hat die NASA Wissenschaftler und Ingenieure dazu ermutigt, über den Tellerrand hinaus zu denken und Ideen für diese Seite der Science-Fiction zu entwickeln. Sie hoffen, dass sich einige dieser Ideen durchsetzen und der Agentur Technologien zur Verfügung stellen, die sie in 20, 30 oder 40 Jahren einsetzen kann.
NIAC stellt wettbewerbsfähige Mittel zur Verfügung. Nur eine Handvoll der Dutzenden von eingereichten Vorschlägen wird finanziert. Die Finanzierung der Phase I ist minimal, gerade genug, damit Forscher ihre Idee auf Papier konkretisieren können. Wenn sich die Idee als nützlich erweist, wird sie möglicherweise in Phase II finanziert, sodass die Forschung vom reinen Konzept bis zum Rohprototyp fortgesetzt werden kann.
Eines der Projekte, das Anfang dieses Jahres mit Phase-II-Mitteln finanziert wurde, war eine Zusammenarbeit zwischen Dr. Penelope Boston und Dr. Steven Dubowsky, um „hüpfende Mikrobots“ zu entwickeln, mit denen gefährliches Gelände, einschließlich unterirdischer Höhlen, erkundet werden kann. Wenn das Projekt ausläuft, werden möglicherweise eines Tages hüpfende Mikrobots gesendet, um nach Leben unter der Marsoberfläche zu suchen.
Boston verbringt viel Zeit in Höhlen und untersucht die dort lebenden Mikroorganismen. Sie ist Direktorin des Cave and Karst Studies Program und außerordentliche Professorin an der New Mexico Tech in Socorro, New Mexico. Dubowsky ist Direktor des MIT Field and Space Robotics Laboratory am MIT in Cambridge, Massachusetts. Er ist zum Teil für seine Forschungen zu künstlichen Muskeln bekannt.
Das Astrobiology Magazine interviewte Boston kurz nachdem sie und Dubowsky ihr Phase-II-NIAC-Stipendium erhalten hatten. Dies ist der erste Teil eines zweiteiligen Interviews. Astrobiology Magazine (AM): Sie und Dr. Steven Dubowsky haben kürzlich von NIAC Finanzmittel erhalten, um an der Idee zu arbeiten, mit Miniaturrobotern unterirdische Höhlen auf dem Mars zu erkunden? Wie ist dieses Projekt entstanden?
Penny Boston (PB): Wir haben ziemlich viel in Höhlen auf der Erde gearbeitet, um die mikrobiellen Bewohner dieser einzigartigen Umgebung zu betrachten. Wir glauben, dass sie als Vorlage für die Suche nach Lebensformen auf dem Mars und anderen außerirdischen Körpern dienen können. Ich veröffentlichte 1992 mit Chris McKay und Michael Ivanov einen Artikel, in dem ich vorschlug, dass der Untergrund des Mars die letzte Zuflucht des Lebens auf diesem Planeten sein würde, da er im Laufe der geologischen Zeit kälter und trockener wurde. Das brachte uns dazu, in den Untergrund der Erde zu schauen. Als wir das taten, entdeckten wir, dass es eine erstaunliche Anzahl von Organismen gibt, die anscheinend im Untergrund heimisch sind. Sie interagieren mit der Mineralogie und produzieren einzigartige Biosignaturen. So wurde es für uns ein sehr fruchtbares Gebiet zum Lernen.
Selbst auf diesem Planeten in schwierige Höhlen zu gelangen, ist nicht so einfach. Die Umsetzung in außerirdische Robotermissionen erfordert einige Überlegungen. Wir haben gute Bilddaten vom Mars, die eindeutige geomorphologische Beweise für mindestens Lavaröhrenhöhlen zeigen. Wir wissen also, dass der Mars mindestens einen Höhlentyp hat, der ein nützliches wissenschaftliches Ziel für zukünftige Missionen sein könnte. Es ist plausibel zu glauben, dass es auch andere Arten von Höhlen gibt, und wir haben ein Papier in einem kommenden Sonderpapier der Geological Society of America veröffentlicht, in dem einzigartige höhlenbildende (speläogenetische) Mechanismen auf dem Mars untersucht werden. Der große Knackpunkt ist, wie man sich in solch hartem und schwierigem Gelände fortbewegt.
AM: Können Sie beschreiben, was Sie in der ersten Phase des Projekts getan haben?
PB: In Phase I wollten wir uns auf Robotereinheiten konzentrieren, die klein, sehr zahlreich (daher entbehrlich) und weitgehend autonom waren und über die Mobilität verfügten, die erforderlich war, um in raues Gelände zu gelangen. Basierend auf Dr. Dubowskys fortwährender Arbeit mit künstlich-muskelaktivierten Roboterbewegungen kamen wir auf die Idee von vielen, vielen, winzigen kleinen Kugeln von der Größe von Tennisbällen, die im Wesentlichen hüpfen, fast wie mexikanische Springbohnen. Sie speichern sozusagen Muskelenergie und lassen sich dann in verschiedene Richtungen fallen. So bewegen sie sich.
Kredit: Render von R.D.Gus Frederick
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Bildnachweis: Render von R.D.Gus Frederick
Wir haben berechnet, dass wir wahrscheinlich etwa tausend dieser Leute in eine Nutzlastmasse von der Größe eines der aktuellen MERs (Mars Exploration Rovers) packen könnten. Das würde uns die Flexibilität geben, den Verlust eines großen Prozentsatzes der Einheiten zu erleiden und dennoch ein Netzwerk zu haben, das Aufklärung und Erfassung, Bildgebung und vielleicht sogar einige andere wissenschaftliche Funktionen übernehmen könnte.
AM: Wie koordinieren sich all diese kleinen Sphären?
PB: Sie verhalten sich wie ein Schwarm. Sie beziehen sich nach sehr einfachen Regeln aufeinander, aber das führt zu einer großen Flexibilität in ihrem kollektiven Verhalten, die es ihnen ermöglicht, die Anforderungen von unvorhersehbarem und gefährlichem Gelände zu erfüllen. Das ultimative Produkt, das wir uns vorstellen, ist eine Flotte dieser kleinen Jungs, die zu einem vielversprechenden Landeplatz geschickt werden, aus dem Lander austreten und sich dann auf den Weg zu einem Untergrund oder einem anderen gefährlichen Gelände machen, wo sie sich als Netzwerk einsetzen. Sie erstellen ein zellulares Kommunikationsnetzwerk von Knoten zu Knoten.
AM: Können sie die Richtung kontrollieren, in die sie springen?
PB: Wir streben danach, dass sie letztendlich sehr fähig sind. Während wir in die Phase II eintreten, arbeiten wir mit Fritz Printz in Stanford an Ultra-Miniatur-Brennstoffzellen, um diese kleinen Jungs mit Strom zu versorgen, damit sie eine ziemlich komplexe Reihe von Dingen erledigen können. Eine dieser Fähigkeiten besteht darin, eine gewisse Kontrolle über die Richtung zu haben, in die sie gehen. Es gibt bestimmte Möglichkeiten, wie sie gebaut werden können, die es ihnen ermöglichen, bevorzugt in die eine oder andere Richtung zu gehen. Es ist nicht ganz so präzise, wie es wäre, wenn sie Rover auf Rädern wären, die nur auf einem geraden Weg fahren. Aber sie können sich vorzugsweise mehr oder weniger in die Richtung neigen, in die sie gehen möchten. Wir stellen uns also vor, dass sie zumindest eine grobe Kontrolle über die Richtung haben werden. Aber ein Großteil ihres Wertes hat mit ihrer Schwarmbewegung als expandierende Wolke zu tun.
So wunderbar die MER-Rover auch sind, für die Art von Wissenschaft, die ich mache, brauche ich etwas, das der Idee eines Insektenroboters ähnelt, die Rodney Brooks am MIT entwickelt hat. Das Modell der Insektenintelligenz und der Anpassung für die Erforschung nutzen zu können, hatte mich schon lange angesprochen. Wenn ich das zu der einzigartigen Mobilität hinzufüge, die Dr. Dubowskys Hopping-Idee bietet, kann ein vernünftiger Prozentsatz dieser kleinen Einheiten meiner Meinung nach die Gefahren des unterirdischen Geländes überleben - das schien mir nur eine magische Kombination zu sein.
HB: Wurde in Phase I tatsächlich eines davon gebaut?
PB: Nein. Phase I mit NIAC ist eine sechsmonatige Studie, die den Bleistift drückt, um den Stand der Technik der relevanten Technologien zu untersuchen. In Phase II werden wir über einen Zeitraum von zwei Jahren eine begrenzte Anzahl von Prototypen und Feldtests durchführen. Dies ist weit weniger als das, was man für eine tatsächliche Mission benötigt. Aber das ist natürlich das Mandat von NIAC, die Technologie 10 bis 40 Jahre später zu untersuchen. Wir glauben, dass dies wahrscheinlich im Bereich von 10 bis 20 Jahren liegt.
AM: Welche Arten von Sensoren oder wissenschaftlichen Geräten können Sie sich vorstellen, um diese Dinge anzulegen?
PB: Imaging ist eindeutig etwas, was wir gerne tun würden. Da Kameras unglaublich klein und robust werden, gibt es bereits Einheiten im Größenbereich, die an diesen Dingen montiert werden könnten. Möglicherweise könnten einige der Einheiten mit einer Vergrößerungsfunktion ausgestattet sein, so dass man sich die Texturen der Materialien ansehen könnte, auf denen sie landen. Die Integration von Bildern, die von winzigen Kameras auf vielen verschiedenen kleinen Einheiten aufgenommen wurden, ist einer der Bereiche für die zukünftige Entwicklung. Das würde den Rahmen dieses Projekts sprengen, aber das ist es, woran wir für die Bildgebung denken. Und dann sicherlich chemische Sensoren, die in der Lage sind, die chemische Umgebung zu schnüffeln und zu erfassen, was sehr kritisch ist. Alles von winzigen Lasernasen bis zu ionenselektiven Elektroden für Gase.
Wir stellen uns vor, dass sie nicht alle identisch sind, sondern ein Ensemble mit genügend verschiedenen Arten von Einheiten, die mit verschiedenen Arten von Sensoren ausgestattet sind, so dass die Wahrscheinlichkeit selbst bei relativ hohen Verlusten an Einheiten immer noch hoch ist hätte noch eine komplette Suite von Sensoren. Obwohl nicht jede einzelne Einheit eine riesige Nutzlast an Sensoren haben kann, könnten Sie genug haben, um eine signifikante Überlappung mit den anderen Einheiten zu erzielen.
AM: Wird es möglich sein, biologische Tests durchzuführen?
PB: Ich denke schon. Besonders wenn Sie sich den Zeitrahmen vorstellen, den wir uns ansehen, mit den Fortschritten, die mit Quantenpunkten bis hin zu Lab-on-a-Chip-Geräten online gehen. Die Schwierigkeit besteht natürlich darin, Probenmaterial zu diesen zu bringen. Wenn es sich jedoch um kleine bodenkontaktierende Einheiten wie unsere hüpfenden Mikrobots handelt, können Sie sie möglicherweise direkt über dem Material positionieren, das sie testen möchten. In Kombination mit Mikroskopie und Weitfeldbildern denke ich, dass die Fähigkeit vorhanden ist, ernsthafte biologische Arbeit zu leisten.
AM: Haben Sie eine Vorstellung davon, welche Meilensteine Sie während Ihres zweijährigen Projekts erreichen möchten?
PB: Wir gehen davon aus, dass wir bis März möglicherweise grobe Prototypen mit der entsprechenden Mobilität haben werden. Aber das kann zu ehrgeizig sein. Sobald wir mobile Einheiten haben, planen wir Feldtests in echten Lavaröhrenhöhlen, an denen wir in New Mexico Wissenschaft betreiben.
Der Feldstandort ist bereits getestet. Als Teil der Phase I kam die MIT-Gruppe heraus und ich brachte ihnen ein wenig über Höhlenforschung und das tatsächliche Gelände bei. Es war ein großer Augenöffner für sie. Es ist eine Sache, Roboter für die Hallen des MIT zu entwerfen, aber es ist eine andere Sache, sie für reale felsige Umgebungen zu entwerfen. Es war eine sehr lehrreiche Erfahrung für uns alle. Ich denke, sie haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, unter welchen Bedingungen sie ihr Design erfüllen müssen.
AM: Was sind diese Bedingungen?
PB: Extrem unebenes Gelände, viele Spalten, in die sich diese Jungs vorübergehend verklemmen könnten. Wir brauchen also Betriebsarten, die es ihnen ermöglichen, sich selbst zu befreien, zumindest mit einer vernünftigen Erfolgschance. Die Herausforderungen der Sichtlinienkommunikation auf einer sehr rauen Oberfläche. Über große Felsbrocken hinwegkommen. In kleinen Rissen stecken bleiben. Solche Dinge.
Lava ist nicht glatt. Das Innere von Lavaröhren ist nach ihrer Bildung von Natur aus glatt, aber es gibt viel Material, das schrumpft und reißt und herunterfällt. Es gibt also Trümmerhaufen, die man immer wieder umgehen kann, und viele Höhenunterschiede. Und dies sind Dinge, zu denen herkömmliche Roboter nicht in der Lage sind.
Ursprüngliche Quelle: NASA Astrobiology
