El truco de Hansel y Gretel inspira sistema de exploración robótica para cuevas en Marte         

Por Daniel Stolte, Universidad de Arizona

01 de marzo de 2023.

Uno de los rovers experimentales utilizados por el equipo de Fink para probar hardware y software relacionados con la exploración autónoma. Este prototipo está equipado con cámaras y otros sensores para la navegación. Crédito: Wolfgang Fink/Universidad de Arizona.

La búsqueda de casas 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 UArizona han desarrollado una tecnología que permitiría a una bandada de robots explorar entornos subterráneos en otros mundos.

"Los tubos de lava y las cuevas serían hábitats perfectos para los astronautas porque no tienes que construir una estructura; estás protegido de la radiación cósmica dañina, así que todo lo que necesitas hacer es hacerlo bonito y acogedor", dijo Wolfgang Fink, un asociado profesor de ingeniería eléctrica e informática en UArizona.

Fink es el autor principal de un nuevo artículo en Advances in Space Research que detalla una red de comunicación que vincularía rovers, módulos de aterrizaje en lagos e incluso vehículos sumergibles a través de una red de topología de malla, lo que permite que las máquinas trabajen juntas como un equipo, independientemente de entrada humana. Según Fink y sus coautores, el 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. En un guiño al cuento de hadas "Hansel y Gretel", los investigadores llamaron a su concepto paradigma de "Red de comunicación implementada dinámicamente al estilo de migas de pan", o DDCN.

"Si recuerdas el libro, sabes cómo Hansel y Gretel lanzaron 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 y Autónomo en Caltech y UArizona. "En nuestro escenario, las 'migas de pan' son sensores miniaturizados que se montan sobre los rovers, que despliegan los sensores a medida que atraviesan una cueva u otro entorno subterráneo".

Supervisando continuamente su entorno y manteniendo la conciencia de dónde se encuentran en el espacio, los rovers avanzan por su cuenta, conectados entre sí a través de una red de datos inalámbrica, desplegando nodos de comunicación a lo largo del camino. Una vez que un rover detecta que la señal se está desvaneciendo pero aún está dentro del alcance, deja caer un nodo de comunicación, independientemente de la distancia que haya pasado realmente desde que colocó el último nodo.

"Uno de los nuevos aspectos es lo que llamamos implementación oportunista: la idea de que implementa las 'migas de pan' cuando tiene que hacerlo y no de acuerdo con un cronograma planificado previamente", dijo Fink.

Mientras tanto, no hay necesidad de información del rover madre; cada rover subordinado tomará esa determinación por su cuenta, agregó Fink. El sistema puede funcionar de dos maneras, explicó Fink. En uno, el rover madre actúa como receptor pasivo, recopilando datos transmitidos por los rover que realizan la exploración. En el otro, el rover madre actúa como orquestador, controlando los movimientos de los rover como un titiritero.

El nuevo concepto encaja con el paradigma de reconocimiento escalable por niveles ideado por Fink y sus colegas a principios de la década  de 2000. Esta idea prevé un equipo de robots que operan en diferentes niveles de mando, por ejemplo, un orbitador que controla un dirigible, que a su vez controla uno o más módulos de aterrizaje o rovers en tierra. Las misiones espaciales ya han adoptado este concepto, varias con la participación de investigadores de UArizona. Por ejemplo, en Marte, el rover Perseverance está al mando de Ingenuity, un helicóptero robótico.

Un concepto para otra misión, que finalmente no fue seleccionada para su financiación, proponía enviar un orbitador con un globo 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 migas de pan 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. Dichos enjambres de robots autónomos individuales también podrían ayudar en los esfuerzos de búsqueda y rescate a raíz de los desastres naturales en la Tierra, dijo Fink.

Fink dijo que el mayor desafío, además de llevar a los rovers dentro del entorno subterráneo en primer lugar, es recuperar los datos que registran bajo tierra y traerlos de vuelta a la superficie. El concepto DDCN permite que un equipo de rovers navegue incluso en entornos subterráneos intrincados sin perder nunca el contacto con su "rover madre" en la superficie. Equipados con un sistema de detección y alcance de luz, o lidar, podrían incluso trazar pasajes de cuevas en las tres dimensiones, a diferencia de los drones que se pueden ver explorando una nave espacial alienígena en la película "Prometheus".

"Una vez desplegados, nuestros sensores establecen automáticamente una red de malla no dirigida, lo que significa que cada nodo se actualiza a sí mismo sobre cada nodo que lo rodea", dijo Fink, quien detalló por primera vez el concepto DDCN en una propuesta a la NASA en 2019.

"Pueden cambiar entre sí y compensar los puntos muertos y los apagones de señal", agregó Mark Tarbell, coautor del artículo y científico investigador principal en el laboratorio de Fink. "Si algunos de ellos mueren, todavía hay conectividad a través de los nodos restantes, por lo que el rover madre nunca pierde la conexión con el nodo más lejano de la red".

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

"Están diseñados para ser prescindibles", dijo. "En lugar de desperdiciar recursos para llevarlos a la cueva y volver a salir, tiene más sentido que vayan lo más lejos posible y los dejen atrás una vez que hayan cumplido su misión, se hayan quedado sin energía o hayan sucumbido 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 astrobiológicos y planetarios", dijo Dirk Schulze-Makuch, presidente de la Sociedad Astrobiológica Alemana y autor de muchas publicaciones sobre vida extraterrestre. "Finalmente nos permite explorar las cuevas de los tubos de lava marcianos y los océanos subterráneos de las lunas heladas, lugares donde la vida extraterrestre podría estar presente".

El concepto propuesto "tiene magia", según Victor Baker, profesor de hidrología y ciencias atmosféricas, geociencias y ciencias planetarias de UArizona Regents. "Los descubrimientos más asombrosos de la ciencia se producen cuando los avances tecnológicos brindan acceso por primera vez a una cosa o lugar y los medios para comunicar lo que se descubre a las mentes creativas que buscan comprensión", dijo Baker.

En lugares que requieren robots sumergibles, el sistema podría consistir en un módulo de aterrizaje, ya sea flotando en un lago, como podría ser el caso de Titán, o sentado en el hielo sobre un océano subterráneo como en Europa, que está conectado al submarino, por ejemplo a través de un cable largo. Aquí los nodos de comunicación actuarían como repetidores, aumentando la señal en intervalos regulares para evitar que se degrade. Es importante destacar, señaló Fink, 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 incorporar los datos en el cable que se conecta de nuevo al módulo de aterrizaje.

"Imagina que llegas hasta Europa, te abres camino a través de kilómetros de hielo, llegas al océano subterráneo, donde te encuentras rodeado de vida extraterrestre, pero no tienes forma de llevar datos a la superficie. " él dijo. "Ese es el escenario que debemos evitar".

Habiendo desarrollado los rovers y la tecnología de comunicación, el grupo de Fink ahora está trabajando en la construcción del mecanismo real mediante el cual los rovers desplegarían los nodos de comunicación.

"Básicamente, vamos a enseñar a nuestros 'Hansels' y 'Gretels' cómo dejar caer las migas de pan para que se sumen a una red de comunicación de malla en funcionamiento", dijo Fink.

Fuente:

https://phys.org/news/2023-03-hansel-gretel-breadcrumb-robotic-exploration.html