Away Team Tech : le tour de fil d’Ariane de Hansel et Gretel inspire l’exploration de la spéléologie robotique sur Mars et au-delà

La recherche d’une maison sur Mars pourrait bientôt devenir une chose, et des chercheurs de l’Université de l’Arizona sont déjà en train d’explorer des biens immobiliers que les futurs astronautes pourraient utiliser comme habitats. Des chercheurs de l’UArizona College of Engineering ont développé une technologie qui permettrait à un troupeau de robots d’explorer les environnements souterrains d’autres mondes.

« Les grottes et les tubes de lave feraient des habitats idéaux pour les astronautes car vous n’avez pas à construire de structure. Vous êtes protégé des rayonnements cosmiques nocifs, donc tout ce que vous avez à faire est de le rendre agréable et confortable », a déclaré Wolfgang Fink, associé. professeur de génie électrique et informatique à l’Université de l’Arizona.

Fink est l’auteur principal d’un nouvel article dans Advances in Space Research qui détaille un réseau de communication qui connecterait des rovers, des atterrisseurs lacustres et même des véhicules submersibles via un réseau dit à structure en treillis, permettant aux machines de travailler ensemble en équipe, indépendamment de apport humain.

Selon Fink et ses co-auteurs, cette approche pourrait aider à relever l’un des grands défis de la technologie spatiale de la NASA en aidant à surmonter la capacité limitée de la technologie actuelle à traverser en toute sécurité les environnements des comètes, des astéroïdes, des lunes et des corps planétaires. Dans un clin d’œil au conte de fées « Hansel et Gretel », les chercheurs ont nommé leur concept en instance de brevet le modèle « Breadcrumb-style Dynamically Distributed Communication Network », ou DDCN.

Un trou à la surface de Mars, repéré par la caméra HiRISE, a révélé une caverne en dessous. Ces cratères, à l’abri de la dure surface martienne, sont considérés comme de bons candidats pour contenir la vie martienne, ce qui en fait des cibles de choix pour les engins spatiaux, les robots et même les explorateurs humains à l’avenir. NASA/JPL/Université d’Arizona

Un conte de fées qui inspire l’avenir

« Si vous vous souvenez du livre, vous savez comment Hansel et Gretel ont laissé tomber des miettes de pain pour s’assurer qu’ils retrouveraient leur chemin », a déclaré Fink, fondateur et directeur du Visual and Independent Exploration Systems Research Lab à Caltech et U.A. « Dans notre scénario, les » fils d’Ariane « sont des capteurs miniatures qui sont placés à l’arrière du rover, et les capteurs sont déployés lorsqu’ils traversent une grotte ou un autre environnement souterrain. »

Surveillant constamment leur environnement et restant conscients de leur position dans l’espace, les rovers procèdent seuls, se connectant les uns aux autres via une connexion de données sans fil et déployant des nœuds de communication en cours de route. Une fois que le mobile détecte que le signal s’estompe mais qu’il est toujours à portée, il abandonne un nœud de communication, quelle que soit la distance déjà parcourue depuis qu’il a placé le dernier nœud.

« L’un des nouveaux aspects est ce que nous appelons la publication opportuniste – l’idée que vous publiez des » miettes de pain « lorsque vous le devez et non selon un calendrier pré-planifié », a déclaré Fink.

Et pendant tout ce temps, aucune entrée du rover parent n’est nécessaire; Fink a ajouté que chaque rover affilié prendrait cette décision par lui-même. Fink a expliqué que le système pouvait fonctionner de deux manières. Dans l’un, le rover parent agit comme un récepteur passif, collectant les données renvoyées par les rovers d’exploration. Dans l’autre cas, le véhicule mère agit en tant que coordinateur, contrôlant les mouvements du rover comme un marionnettiste.

Un véhicule expérimental que l’équipe de Fink a utilisé pour tester le matériel et les logiciels d’auto-exploration. Ce prototype est équipé de caméras et autres capteurs pour la navigation. Wolfgang Fink/Université de l’Arizona

Les machines prennent le relais

Le nouveau concept est cohérent avec le modèle d’enquête évolutif que Fink et ses collègues ont lancé au début des années 2000. Cette idée envisage une équipe de robots opérant à différents niveaux de commande – par exemple, un orbiteur contrôlant un ballon, qui à son tour contrôle un ou plusieurs atterrisseurs ou rovers sur Terre. Déjà, les missions spatiales ont adopté le concept, beaucoup avec la participation de chercheurs de l’UArizona. Par exemple, sur Mars, Creativity est piloté par le rover Perseverance, qui est un hélicoptère robotique.

Un concept pour une autre mission, qui n’a finalement pas été retenue pour financement, proposait d’envoyer un orbiteur porteur de ballons et un atterrisseur lacustre pour étudier l’une des mers d’hydrocarbures sur Titan, la lune de Saturne. L’approche du chemin de navigation pousse l’idée un peu plus loin en fournissant une plate-forme robuste qui permet aux explorateurs robotiques d’opérer sous terre ou même immergés dans des environnements liquides. Fink a déclaré que de telles hordes de robots individuels et autonomes pourraient également aider aux efforts de recherche et de sauvetage à la suite de catastrophes naturelles sur Terre.

Le plus grand défi, a déclaré Fink, en plus de faire entrer les véhicules dans l’environnement souterrain en premier lieu, est de récupérer les données qu’ils enregistrent sous terre et de les ramener à la surface. Le concept DDCN permet à une équipe de rovers de naviguer même dans des environnements souterrains complexes sans perdre le contact avec la « mère rover » en surface. Équipés d’un système de détection et de télémétrie de la lumière, ou LIDAR, ils peuvent même tracer des passages de grottes dans les trois dimensions, contrairement aux drones que l’on peut voir en train de repérer des vaisseaux spatiaux extraterrestres dans le film « Prométhée ».

« Une fois déployés, nos capteurs créent automatiquement un réseau maillé non dirigé, ce qui signifie que chaque nœud se met à jour sur chaque nœud qui l’entoure », a déclaré Fink, qui a expliqué pour la première fois le concept DDCN dans une proposition à la NASA en 2019.

« Ils peuvent basculer entre eux et compenser les points morts et les interruptions de signal », a ajouté Mark Tarbell, co-auteur de l’article et chercheur principal du laboratoire de Fink. « Si certains d’entre eux meurent, il y a toujours une communication entre les nœuds restants, de sorte que le vaisseau mère ne perd jamais le contact avec le nœud le plus éloigné du réseau. »

mission sans retour

Le réseau robuste de nœuds de communication garantit que toutes les données collectées par les explorateurs robotiques reviennent au rover parent en surface. Il n’est donc pas nécessaire de reprendre les robots une fois qu’ils ont fait leur travail, a déclaré Fink, qui a popularisé l’idée d’utiliser des ensembles de sondes de surface robotiques mobiles et jetables dès 2014.

« Il est conçu pour être consommable », a-t-il déclaré. « Au lieu de gaspiller des ressources pour les faire entrer dans la grotte et en ressortir, il est plus logique de les faire aller aussi loin que possible et de les laisser derrière eux une fois qu’ils ont accompli leur mission, à court d’énergie ou succombé à un environnement hostile. ”

« L’approche réseau présentée dans ce nouvel article a le potentiel d’annoncer une nouvelle ère de découvertes planétaires et astrobiologiques », a déclaré Dirk Schulze-Macuch, président de la Société allemande d’astrobiologie et auteur de plusieurs publications sur la vie extraterrestre. « Cela nous permet enfin d’explorer les grottes de tubes de lave martiennes et les océans souterrains des lunes glacées – des endroits où la vie extraterrestre pourrait exister. »

Le concept proposé « porte de la magie », selon Victor Becker, professeur d’hydrologie, de sciences de l’atmosphère et de sciences de la Terre et des planètes à l’Université de l’Arizona. « Les découvertes scientifiques les plus étonnantes se produisent lorsque les progrès de la technologie permettent d’accéder pour la première fois à un objet ou à un lieu et aux moyens de communiquer leur découverte aux esprits créatifs qui cherchent à comprendre », a déclaré Baker.

Explorez des mondes océaniques cachés

Dans les endroits où des robots submersibles sont nécessaires, le système pourrait consister en une sonde – soit flottant sur un lac, comme sur Titan, soit posée sur la glace au-dessus d’un océan souterrain comme Europa – connectée à un sous-marin, par exemple via un long câble. Ici, les nœuds de connexion agissent comme des répéteurs, ce qui amplifie le signal à intervalles réguliers pour éviter qu’il ne se dégrade. Plus important encore, a noté Fink, les nœuds ont la capacité de collecter eux-mêmes des données – par exemple mesurer la pression, la salinité, la température et d’autres paramètres chimiques et physiques – et d’ingérer les données dans le câble qui se connecte à l’atterrisseur.

« Imaginez que vous arrivez à Europe, que vous fondez sur des kilomètres de glace et que vous vous rendez dans l’océan souterrain, où vous vous retrouvez entouré de vie extraterrestre, mais n’avez aucun moyen de ramener les données à la surface », a-t-il déclaré. « C’est le scénario que nous devons éviter. »

Après avoir développé des rovers et une technologie de communication, le groupe de Fink construit actuellement le mécanisme réel par lequel les rovers déploieront des nœuds de communication.

Fink a déclaré: « Fondamentalement, nous allons apprendre à ‘Hansels’ et ‘Gretels’ comment déposer des miettes de pain afin qu’elles s’ajoutent à un réseau maillé fonctionnel.

Un modèle de réseau de communication de style Hansel & Gretel Breadcrumb déployé dynamiquement utilisant la structure maillée pour explorer les planètes souterrainesLes avancées de la recherche spatiale

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