"Лавовые трубы и пещеры стали бы идеальными местами обитания для астронавтов, потому что вам не нужно строить сооружения; вы защищены от вредного космического излучения, поэтому все, что вам нужно сделать, это сделать их красивыми и уютными", - сказал Вольфганг Финк, адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники в UArizona.

Финк является ведущим автором новой статьи в Достижения в области космических исследований в нем подробно описывается коммуникационная сеть, которая связывала бы марсоходы, спускаемые на озеро аппараты и даже подводные аппараты с помощью так называемой сети с ячеистой топологией, позволяя машинам работать вместе, как команда, независимо от участия человека. По словам Финка и его соавторов, этот подход мог бы помочь решить одну из главных задач НАСА в области космических технологий, помогая преодолеть ограниченные возможности современных технологий по безопасному перемещению по кометам, астероидам, лунам и планетарным телам. В знак уважения к сказке "Гензель и Гретель" исследователи назвали свою запатентованную концепцию парадигмой "Динамически развертываемой коммуникационной сети в стиле хлебных крошек", или DDCN.

Сказка вдохновляет на будущее

"Если вы помните книгу, вы знаете, как Гензель и Гретель бросали хлебные крошки, чтобы быть уверенными, что они найдут дорогу обратно", - сказал Финк, основатель и директор исследовательской лаборатории визуальных и автономных исследовательских систем в Калифорнийском технологическом институте и Уаризоне. "В нашем сценарии "хлебные крошки" - это миниатюрные датчики, которые подключаются к марсоходам, которые развертывают датчики, когда они пересекают пещеру или другую подповерхностную среду".

Непрерывно контролируя окружающую среду и сохраняя осведомленность о том, где они находятся в космосе, марсоходы действуют самостоятельно, подключенные друг к другу через беспроводное соединение для передачи данных, по пути развертывая узлы связи. Как только марсоход обнаруживает, что сигнал ослабевает, но все еще находится в пределах досягаемости, он сбрасывает узел связи, независимо от того, сколько расстояния фактически прошло с момента размещения последнего узла.

"Одним из новых аспектов является то, что мы называем оппортунистическим развертыванием - идея о том, что вы размещаете "хлебные крошки" тогда, когда это необходимо, а не в соответствии с ранее запланированным графиком", - сказал Финк.

Все это время нет необходимости в вводе данных от материнского марсохода; каждый подчиненный марсоход примет это решение самостоятельно, добавил Финк. Финк объяснил, что система может работать одним из двух способов. В одном из них материнский марсоход выступает в качестве пассивного получателя, собирая данные, передаваемые марсоходами, проводящими разведку. В другом мать-ровер выступает в роли дирижера, управляя движениями роверов, как кукловод.

Машины берут верх

Новая концепция соответствует парадигме многоуровневой разведки, разработанной Финком и его коллегами в начале 2000-х годов. Эта идея предусматривает команду роботов, работающих на разных уровнях управления - например, орбитальный аппарат, управляющий дирижаблем, который, в свою очередь, управляет одним или несколькими посадочными аппаратами или роверами на земле. Космические миссии уже приняли эту концепцию, в нескольких из них приняли участие исследователи из Уаризоны. Например, на Марсе марсоход "Настойчивость" командует роботизированным вертолетом "Изобретательность". Концепция другой миссии, которая в конечном счете не была выбрана для финансирования, предполагала отправку орбитального аппарата с воздушным шаром и посадочным модулем lake для изучения одного из углеводородных морей на спутнике Сатурна Титане. Подход breadcrumb развивает идею еще на один шаг, предоставляя надежную платформу, позволяющую роботизированным исследователям работать под землей или даже под водой в жидких средах. По словам Финка, такие рои индивидуальных автономных роботов также могли бы помочь в поисково-спасательных работах после стихийных бедствий на Земле.

Финк сказал, что самая большая проблема, помимо того, что марсоходы в первую очередь попадают в подповерхностную среду, заключается в извлечении данных, которые они записывают под землей, и возвращении их на поверхность. Концепция DDCN позволяет команде марсоходов ориентироваться даже в запутанных подземных условиях, никогда не теряя контакта со своим "материнским марсоходом" на поверхности. Оснащенные системой обнаружения света и определения дальности, или лидаром, они могли даже составлять карту пещерных проходов во всех трех измерениях, мало чем отличаясь от дронов, которые можно увидеть исследующими инопланетный космический корабль в фильме "Прометей".

"После развертывания наши датчики автоматически создают ненаправленную ячеистую сеть, что означает, что каждый узел обновляет информацию о каждом узле вокруг него", - сказал Финк, который впервые подробно описал концепцию DDCN в предложении NASA в 2019 году.

"Они могут переключаться друг с другом и компенсировать мертвые зоны и отключения сигнала", - добавил Марк Тарбелл, соавтор статьи и старший научный сотрудник лаборатории Финка. "Если некоторые из них умирают, связь через оставшиеся узлы все еще сохраняется, поэтому материнский ровер никогда не теряет соединение с самым дальним узлом в сети".

Миссия, из которой нет возврата

Надежная сеть коммуникационных узлов гарантирует, что все данные, собранные роботизированными исследователями, попадают обратно на материнский марсоход на поверхности. Таким образом, нет необходимости извлекать роботов после того, как они выполнили свою работу, сказал Финк, который опубликовал идею использования групп одноразовых мобильных роботизированных поверхностных зондов еще в 2014 году.

"Они созданы для того, чтобы быть расходным материалом", - сказал он. "Вместо того, чтобы тратить ресурсы на то, чтобы затащить их в пещеру и обратно, имеет больше смысла заставить их зайти так далеко, как они только могут, и оставить их позади, как только они выполнят свою миссию, исчерпают энергию или попадут во враждебную среду".

"Подход к коммуникационным сетям, представленный в этой новой статье, потенциально может ознаменовать новую эру планетарных и астробиологических открытий", - сказал Дирк Шульце-Макух, президент Немецкого астробиологического общества и автор многих публикаций о внеземной жизни. "Это, наконец, позволяет нам исследовать пещеры марсианских лавовых труб и подземные океаны ледяных лун - места, где может присутствовать внеземная жизнь".

Предложенная концепция "обладает магией", по словам Виктора Бейкера, профессора гидрологии и атмосферных наук университета Аризоны, наук о земле и планетарных науках."Самые удивительные открытия в науке происходят, когда достижения в области технологий обеспечивают как первый доступ к вещи или месту, так и средства передачи того, что таким образом было открыто, творческим умам, которые ищут понимания", - сказал Бейкер.

Исследуя скрытые океанские миры

В местах, где требуются подводные роботы, система могла бы состоять из посадочного модуля - либо плавающего на озере, как это может быть в случае с Титаном, либо сидящего на льду поверх подповерхностного океана, как на Европе, - который соединен с подводной лодкой, например, с помощью длинного кабеля. Здесь узлы связи будут действовать как ретрансляторы, усиливая сигнал через регулярные промежутки времени, чтобы предотвратить его ухудшение. Важно отметить, отметил Финк, что узлы имеют возможность самостоятельно собирать данные - например, измерять давление, соленость, температуру и другие химические и физические параметры - и передавать данные по кабелю, соединяющему их обратно с посадочным модулем.

"Представьте, что вы добираетесь до Европы, прокладываете себе путь сквозь мили льда, спускаетесь в подземный океан, где оказываетесь в окружении инопланетной жизни, но у вас нет возможности вернуть данные на поверхность", - сказал он. "Это тот сценарий, которого нам нужно избежать".

Разработав марсоходы и технологию связи, группа Финка теперь работает над созданием реального механизма, с помощью которого марсоходы будут развертывать узлы связи.

"По сути, мы собираемся научить наших "Гензелей" и "Гретель" бросать панировочные сухари, чтобы они складывались в функционирующую ячеистую коммуникационную сеть", - сказал Финк.