ملاقات با ERNEST، مریخ‌نورد سرسخت نسل آینده ناسا

در طول یک آزمایش میدانی اخیر در صحرای کلرادو (واقع در کالیفرنیای جنوبی)، یک کاوشگر چهار چرخ موفق شد در مدت زمانی کمی بیشتر از یک شبانه‌روز و نیم، مسافتی بالغ بر 25 کیلومتر را طی کند. این ربات با بالا کشیدن چرخ‌های توری و مشبک خود برای عبور از موانع در زمین‌های ناهموار، از قابلیت‌های تصمیم‌گیری پیشرفته و هوش مصنوعی خود بهره برد تا یکی از موفق‌ترین آزمایش‌های پیمایشی ناسا را رقم بزند.

این ربات، ارنست (ERNEST) نام دارد که مخفف عبارت Exploration Rover for Navigating Extreme Sloped Terrain (به معنای: کاوشگر اکتشافی برای ناوبری در زمین‌های شیب‌دار خشن) است. ارنست یک نمونه اولیه و کوچک از مریخ‌نوردهاست که با هدف افزایش توانمندی در عبور از زمین‌های ناهموار و صخره‌ای ساخته شده است؛ قابلیتی که برای ماموریت‌های آینده که نیازمند سرعت بالاتر و پیمایش مسافت‌های بسیار طولانی‌تر هستند، حیاتی خواهد بود.

مهندسان آزمایشگاه پیش‌رانه جت ناسا (JPL) اخیرا این کاوشگر را مورد آزمایش‌های سختی قرار دادند و به مدت 37 ساعت، در حالی که ربات در حال عبور از بیابان‌های خشن کالیفرنیای جنوبی بود، آن را دنبال کرده و عملکردش را ارزیابی کردند.

جانشینی شایسته برای اسطوره‌های مریخ

برای درک اهمیت پروژه ERNEST، باید نگاهی به گذشته بیندازیم. از سال 1997 میلادی تاکنون، ناسا در مجموع پنج کاوشگر را به سطح مریخ فرستاده است (سوجورنر، اسپیریت، آپورچونیتی، کیوریاسیتی و پرسورنس). هر یک از این مریخ‌نوردها نسبت به نسل قبلی خود، از قابلیت‌های پیشرفته‌تری برای کاوش در زمین‌های فرازمینی و جمع‌آوری داده درباره گذشته‌ی احتمالا قابل‌سکونت سیاره سرخ برخوردار بوده‌اند. کاوشگرهای کیوریاسیتی (Curiosity) و پرسورنس (Perseverance) که به ترتیب در سال‌های 2012 و 2021 بر سطح مریخ فرود آمدند، تا به امروز در حال گشت‌وگذار و انجام تحقیقات علمی در مریخ هستند. این دو کاوشکر که قرار بود تنها چند هفته در مریخ فعال باشند، بسیار فراتر از انتظار حالا سال‌هاست که بر روی مریخ به تحقیق ادامه می‌دهند.

با این حال، برای ماموریت‌های آینده به ماه و مریخ، ناسا به کاوشگران رباتیکی نیاز دارد که توانایی بسیار بیشتری در عبور از موانع در مناطق خشن و صخره‌ای داشته باشند. این دقیقا همان جایی است که ERNEST وارد میدان می‌شود. این کاوشگر نسل آینده، به سیستم‌های حرکتی و خودران بسیار پیشرفته‌تری مجهز است که می‌توان از آن برای ماجراجویی و ورود به مناطقی که در مأموریت‌های فعلی کاملا “غیرقابل دسترس” محسوب می‌شوند، استفاده کرد.

در طول آزمایش میدانی اخیر، ERNEST در هفت روز آزمایش متناوب، با سرعتی معادل 1 کیلومتر در ساعت حرکت کرد. شاید این عدد روی زمین کند به نظر برسد، اما طبق گفته ناسا، این سرعت به مراتب بالاتر از حداکثر سرعتی است که پرسورنس و کیوریاسیتی می‌توانند با آن حرکت کنند!

جیمز کین (James Keane)، دانشمند علوم سیاره‌ای در JPL که روی ماموریت‌های ماه کار می‌کند، در بیانیه‌ای گفت: «شما با استفاده از این وسیله نقلیه، عملا می‌توانید یک سفر جاده‌ای کاملا علمی در سراسر ماه یا مریخ داشته باشید.»

ویژگی‌های انقلابی در طراحی تعلیق و حرکت

یکی از بزرگ‌ترین محدودیت‌های مریخ‌نوردهای فعلی، وابستگی آن‌ها به سیستم تعلیق قدیمی 30 ساله است. ERNEST به یک سیستم تعلیق کاملا هوشمند مجهز است که به کاوشگر اجازه می‌دهد توزیع وزن خود را به صورت لحظه‌ای در میان چرخ‌هایش مدیریت کند.

به لطف دو مفصل موتوردار و قدرتمند در قسمت جلوی ربات، این کاوشگر می‌تواند با الگوهای حرکتیِ متفاوتی رانندگی کند؛ از جمله:

خزیدن یا پیچ‌وتاب خوردن (Squirming): برای رهایی از تله‌های شنی نرم.
راه‌رفتن چرخشی (Wheel-walking): بالا کشیدن یک چرخ در حالی که بقیه ثابت هستند.
صخره‌نوردی (Obstacle-climbing): عبور از موانعی که برای مریخ‌نوردهای فعلی غیرممکن است.

علاوه بر این، با استفاده از چهار چرخ که هر کدام سیستم فرمان‌دهی مستقلی دارند، ERNEST قادر است در هر جهتی حرکت کند؛ از جمله حرکت کاملا خرچنگی و به سمت پهلو (Sideways).

هاری نایار (Hari Nayar)، تکنولوژیست ارشد JPL و رهبر تیم ERNEST، در این باره می‌گوید: «ما کار را با این فرضیه شروع کردیم که می‌توانیم در طراحی یک سیستم حرکتی رباتیک برای سطح سیارات، عملکرد بهتری داشته باشیم. اگرچه سیستم راکر-بوگی (Rocker-bogie) در 30 سال گذشته بسیار موفق بوده است، اما در این مدت تحقیقات گسترده‌ای در زمینه تحرک، فیزیک حرکت و درک تعامل چرخ با زمین انجام شده است که ما اکنون از آن‌ها بهره می‌بریم.»

مراحل ساخت ERNEST و مغز متفکر آن

با وجود قابلیت‌های جذاب، ERNEST با طولی معادل تنها 1.2 متر، از پیشینیان خود (که هم‌اندازه یک خودروی شاسی‌بلند بودند) بسیار کوچکتر است. پیش از ساخت این نسخه فعلی، تیم مهندسیِ ناسا دو نمونه اولیه کوچک‌تر با طول حدود 0.6 متر طراحی کرده بودند تا آزمایش‌های اولیه را در یک تریلر پر از خاک شبیه‌سازی‌شده‌ی ماه (Regolith) انجام دهند.

پس از بزرگ‌نمایی و رسیدن به طراحی فعلی، تیم تصمیم گرفت به ربات توانایی تفکر مستقل بدهد. مهندسان از یادگیری تقویتی (Reinforcement Learning) استفاده کردند؛ نوعی از هوش مصنوعی که در آن، ربات از طریق تعامل مستقیم با محیط خود و با روش آزمون و خطا (مانند یک کودک که راه رفتن را یاد می‌گیرد) می‌آموزد که چگونه بهترین مسیر را انتخاب کند.

این الگوریتم خودران ابتدا در یک مسیرِ مانع‌دارِ شبیه‌سازی‌شده در «حیاط مریخی» (Mars Yard) متعلق به ناسا آزمایش شد؛ مسیری پر از تپه‌های شنی، توده‌های آوار، پله‌ها و شیب‌های تند. در نهایت در ماه مارس گذشته، تیم مهندسی، ERNEST را برای اولین آزمایش میدانی به بیابان بردند و حرکت کاملا خودمختارِ آن را ثبت کردند.

چالش تاریکی مطلق: یکی از جذاب‌ترین بخش‌های این پروژه، آزمایش ربات در تاریکی کامل بود. هدف این بود که ببینند ربات در هنگام غروب و طلوع خورشید روی سطح کره ماه (زمان‌هایی که سایه‌ها بسیار بلند و فریبنده هستند) چقدر خوب می‌تواند جهت‌یابی کند. این موضوع برای برنامه‌های فضایی آینده که قطب جنوب ماه را هدف قرار داده‌اند (جایی که دهانه‌های تاریک و همیشه سایه‌دار وجود دارد)، بسیار حیاتی است.

Issa Nesnas یکی از متخصصان ارشد در JPL، تصریح کرد: «این آزمایش‌ها به ما کمک می‌کند تا سخت‌افزار حرکتی و نرم‌افزار خودمختار ربات را برای پیمایش مسافت‌های بسیار طولانی، در طیف گسترده‌ای از شرایط زمینی و نورپردازی که پیش‌بینی می‌شود در کره ماه با آن‌ها مواجه شویم، اصلاح و بهینه‌سازی کنیم.»

در نهایت، موفقیت‌های نمونه اولیه نشان می‌دهد که روزی فرا خواهد رسید که یک نسخه بسیار بزرگ‌تر و سریع‌تر از ERNEST، نقش اصلی را در ماموریت‌های آینده بشریت به سمت کره ماه و اعماق فضا ایفا خواهد کرد؛ رباتی که نه تنها ابزاری برای اکتشاف است، بلکه یک همکار هوشمند برای فضانوردان خواهد بود. البته نباید از نمونه‌های چینی نیز غافل شد. پروژه‌هایی که تا این اندازه عمومی نمی‌شوند اما از همین حالا برای فرود روی ماه آماده‌اند.