Planetarische MicroBots. Bildnachweis: NASA Zum Vergrößern anklicken
Interview mit Penny Boston, Teil I
Wenn Sie zu fernen Sternen reisen oder das Leben auf einer anderen Welt finden möchten, ist etwas 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 ermutigt, über den Tellerrand hinauszudenken und Ideen gerade diese Seite der Science-Fiction zu entwickeln. Sie hoffen, dass einige dieser Ideen aufgehen und der Agentur Technologien zur Verfügung stellen, die sie in 20, 30 oder 40 Jahren nutzen kann.
NIAC stellt wettbewerbsorientierte Finanzierungen bereit. Von den Dutzenden eingereichten Vorschlägen werden nur eine Handvoll gefördert. Die Finanzierung der Phase I ist minimal, gerade genug, damit die Forscher ihre Idee auf Papier konkretisieren können. Wenn sich die Idee als sinnvoll erweist, kann sie eine Phase-II-Finanzierung erhalten, die es der Forschung ermöglicht, vom reinen Konzept bis zum Rohprototyp-Stadium fortzufahren.
Eines der Projekte, das Anfang des Jahres Phase-II-Mittel erhielt, war eine Zusammenarbeit zwischen Dr. Penelope Boston und Dr. Steven Dubowsky, um „hüpfende Mikrobots“ zu entwickeln, die gefährliches Gelände, einschließlich unterirdischer Höhlen, erkunden können. Wenn das Projekt Erfolg hat, könnten eines Tages hüpfende Mikrobots auf die Suche nach Leben unter der Marsoberfläche geschickt werden.
Boston verbringt viel Zeit in Höhlen und studiert 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 unter anderem 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 eine Finanzierung vom NIAC erhalten, um an der Idee zu arbeiten, Miniaturroboter zur Erforschung unterirdischer Höhlen auf dem Mars einzusetzen? Wie kam es zu diesem Projekt?
Penny Boston (PB): Wir haben ziemlich viel in Höhlen auf der Erde gearbeitet, um uns die mikrobiellen Bewohner dieser einzigartigen Umgebungen anzusehen. Wir glauben, dass sie als Vorlagen für die Suche nach Lebensformen auf dem Mars und anderen außerirdischen Körpern dienen können. Ich veröffentlichte 1992 zusammen mit Chris McKay und Michael Ivanov eine Arbeit, in der vorgeschlagen wurde, 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 hat uns dazu gebracht, in den Untergrund der Erde zu schauen. Als wir das taten, entdeckten wir, dass es eine erstaunliche Vielfalt von Organismen gibt, die anscheinend im Untergrund heimisch sind. Sie interagieren mit der Mineralogie und erzeugen einzigartige Biosignaturen. So wurde es ein sehr fruchtbares Gebiet für uns, um zu studieren.
In schwierige Höhlen zu kommen, ist selbst auf diesem Planeten nicht so einfach. Um dies auf außerirdische Robotermissionen zu übertragen, bedarf es einiger Überlegungen. Wir haben gute Bilddaten vom Mars, die eindeutige geomorphologische Beweise für zumindest Lavaröhrenhöhlen zeigen. Wir wissen also, dass der Mars mindestens diese eine Art von Höhle hat, die ein nützliches wissenschaftliches Ziel für zukünftige Missionen sein könnte. Es ist plausibel zu denken, dass es auch andere Arten von Höhlen gibt, und wir haben einen Artikel in einem bevorstehenden Spezialpapier der Geological Society of America im Druck, das einzigartige höhlenbildende (speleogenetische) Mechanismen auf dem Mars untersucht. Der große Knackpunkt ist, wie man sich in solch rigorosem und schwierigem Gelände fortbewegt.
AM: Können Sie beschreiben, was Sie in der ersten Phase des Projekts gemacht haben?
PB: In Phase I wollten wir uns auf Robotereinheiten konzentrieren, die klein, sehr zahlreich (daher entbehrlich), weitgehend autonom sind und die Mobilität haben, die erforderlich ist, um in unwegsames Gelände zu gelangen. Basierend auf Dr. Dubowskys fortlaufender Arbeit mit künstlichen Muskel-aktivierten 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, um sich dann in verschiedene Richtungen abzusetzen. So bewegen sie sich.
Kredit: Rendering von R.D.Gus Frederick
Planetarische Einstellung für großangelegte planetare Oberflächen- und Untergrunderkundung. Klicken Sie auf das Bild für eine größere Ansicht.
Bildnachweis: Render von R.D.Gus Frederick
Wir haben berechnet, dass wir wahrscheinlich etwa tausend dieser Typen 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 immer noch über ein Netzwerk zu verfügen, das Aufklärung und Wahrnehmung, Bildgebung und vielleicht sogar einige andere wissenschaftliche Funktionen übernehmen könnte.
AM: Wie koordinieren all diese kleinen Kugeln miteinander?
PB: Sie verhalten sich wie ein Schwarm. Sie verhalten sich untereinander nach ganz einfachen Regeln, was jedoch eine große Flexibilität in ihrem kollektiven Verhalten erzeugt, die es ihnen ermöglicht, den Anforderungen des unvorhersehbaren und gefährlichen Geländes gerecht zu werden. Das ultimative Produkt, das wir uns vorstellen, ist eine Flotte dieser kleinen Kerle, die zu einem vielversprechenden Landeplatz geschickt werden, den Lander verlassen und dann in einen unterirdischen oder anderen gefährlichen Bereich übergehen, wo sie sich als Netzwerk einsetzen. Sie schaffen ein zellulares Kommunikationsnetz auf einer Knoten-zu-Knoten-Basis.
AM: Können sie die Richtung, in die sie hüpfen, kontrollieren?
PB: Wir haben den Anspruch, dass sie letztendlich sehr fähig sind. Während wir in Phase II eintreten, arbeiten wir mit Fritz Printz in Stanford an Ultraminiatur-Brennstoffzellen, um diese kleinen Kerle mit Energie zu versorgen, die es ihnen ermöglichen würden, eine ziemlich komplexe Reihe von Dingen zu tun. Eine dieser Fähigkeiten besteht darin, eine gewisse Kontrolle über die Richtung zu haben, in die sie gehen. Es gibt bestimmte Möglichkeiten, sie zu bauen, die es ihnen ermöglichen, bevorzugt in die eine oder andere Richtung zu gehen. Es ist nicht ganz so genau, wie es wäre, wenn sie Rover auf Rädern wären, die nur einen geraden Weg fahren. Aber sie können sich vorzugsweise mehr oder weniger in die Richtung neigen, in die sie gehen wollen. 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 betreibe, brauche ich etwas, das der von Rodney Brooks am MIT entwickelten Insektenroboter-Idee ähnlicher ist. In der Lage zu sein, das Modell der Insektenintelligenz und -anpassung für die Erforschung zu nutzen, hatte mich schon lange gereizt. Wenn man das zu der einzigartigen Mobilität, die Dr. Dubowskys Hüpfidee bietet, hinzufügt, kann ich denke, dass ein vernünftiger Prozentsatz dieser kleinen Einheiten die Gefahren des unterirdischen Geländes überleben kann – das schien mir einfach eine magische Kombination zu sein.
HB: Wurden diese in Phase I tatsächlich gebaut?
PB: Nein. Phase I, mit NIAC, ist eine sechsmonatige Studie, die das Gehirn anstrengt und den Bleistift drückt, um den Stand der Technik der relevanten Technologien zu ermitteln. In Phase II werden wir über einen Zeitraum von zwei Jahren eine begrenzte Anzahl von Prototypen und Feldtests durchführen. Dies ist weit weniger, als man für eine tatsächliche Mission benötigen könnte. Aber das ist natürlich der Auftrag von NIAC, Technologie in 10 bis 40 Jahren zu untersuchen. Wir gehen davon aus, dass dies wahrscheinlich im Bereich von 10 bis 20 Jahren liegt.
AM: Welche Art von Sensoren oder wissenschaftlichen Geräten stellen Sie sich vor, um diese Dinge anbringen zu können?
PB: Imaging ist eindeutig etwas, das wir gerne machen würden. Da Kameras unglaublich klein und robust werden, gibt es bereits Einheiten in diesem Größenbereich, die an diesen Dingen montiert werden könnten. Möglicherweise könnten einige der Einheiten mit einer Vergrößerungsfunktion ausgestattet werden, sodass man sich die Texturen der Materialien ansehen kann, 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 daran denken wir bei der Bildgebung. Und dann sicherlich chemische Sensoren, die in der Lage sind, die chemische Umgebung zu erschnüffeln und zu spüren, was sehr kritisch ist. Von winzigen Lasernasen bis hin zu ionenselektiven Elektroden für Gase.
Wir stellen uns vor, dass sie nicht alle identisch sind, sondern ein Ensemble, bei dem die verschiedenen Arten von Einheiten mit verschiedenen Arten von Sensoren ausgestattet sind, so dass die Wahrscheinlichkeit auch bei relativ hohen Stückzahlenverlusten noch hoch wäre, dass wir würde immer noch eine komplette Suite von Sensoren haben. Auch wenn nicht jede einzelne Einheit eine riesige Nutzlast von Sensoren haben kann, könntest du genug haben, damit sie sich mit ihren anderen Einheiten signifikant überschneiden könnte.
AM: Wird es möglich sein, biologische Tests durchzuführen?
PB: Ich denke schon. Vor allem, wenn Sie sich den Zeitrahmen vorstellen, den wir betrachten, mit den Fortschritten, die mit allem, von Quantenpunkten bis hin zu Lab-on-a-Chip-Geräten, online kommen. Die Schwierigkeit besteht natürlich darin, Probenmaterial zu diesen zu bekommen. Aber wenn wir es mit kleinen bodenkontaktierenden Einheiten wie unseren hüpfenden Mikrobots zu tun haben, können Sie sie möglicherweise direkt über dem Material positionieren, das sie testen möchten. In Kombination mit Mikroskopie und Weitwinkelaufnahmen denke ich, dass die Fähigkeit vorhanden ist, ernsthafte biologische Arbeit zu leisten.
AM: Haben Sie eine Vorstellung von den Meilensteinen, die Sie während Ihres zweijährigen Projekts erreichen möchten?
PB: Wir gehen davon aus, dass wir bis März grobe Prototypen mit der entsprechenden Mobilität haben werden. Aber das ist vielleicht zu ehrgeizig. Sobald wir mobile Einheiten haben, planen wir Feldtests in echten Lavaröhrenhöhlen, an denen wir in New Mexico wissenschaftlich arbeiten.
Die Feldseite wurde bereits getestet. Als Teil von Phase I kam die MIT-Gruppe heraus und ich brachte ihnen ein wenig über Höhlenforschung und wie das Gelände tatsächlich war. Es war ein großer Augenöffner für sie. Es ist eine Sache, Roboter für die Hallen des MIT zu entwickeln, aber eine andere, sie für reale felsige Umgebungen zu entwickeln. Es war für uns alle eine sehr lehrreiche Erfahrung. Ich denke, sie haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, welche Bedingungen sie mit ihrem Design erfüllen müssen.
AM: Was sind das für Bedingungen?
PB: Extrem unebenes Gelände, viele Spalten, in denen sich diese Jungs vorübergehend verklemmen könnten. Wir brauchen also Betriebsmodi, die es ihnen ermöglichen, sich zumindest mit einer vernünftigen Erfolgsaussicht zu befreien. Die Herausforderungen der Line-of-Sight-Kommunikation auf einer stark rauen Oberfläche. Überwindung großer Felsbrocken. In kleinen Ritzen stecken bleiben. Dinge dieser Art.
Lava ist nicht glatt. Das Innere von Lavaröhren ist nach ihrer Bildung von Natur aus glatt, aber es gibt viel Material, das schrumpft, reißt und herunterfällt. Es gibt also Schutthaufen, die man umgehen und überwinden muss, und viele Höhenunterschiede. Und das sind Dinge, die herkömmliche Roboter nicht können.
Originalquelle: NASA Astrobiologie