L’astuce du fil d’Ariane de Hansel et Gretel inspire l’exploration robotique des grottes sur Mars et au-delà

“Les tubes de lave et les grottes feraient des habitats parfaits pour les astronautes parce que vous n’avez pas besoin de construire une structure ; vous êtes à l’abri des rayonnements cosmiques nocifs, donc tout ce que vous avez à faire est de le rendre joli et confortable”, a déclaré Wolfgang Fink, un associé. professeur de génie électrique et informatique à l’UArizona.

Fink est l’auteur principal d’un nouvel article dans Progrès de la recherche spatiale qui détaille un réseau de communication qui relierait des rovers, des atterrisseurs lacustres et même des véhicules submersibles via un réseau dit à topologie maillée, permettant aux machines de travailler ensemble en équipe, indépendamment de l’intervention humaine. Selon Fink et ses co-auteurs, l’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 sur les comètes, les astéroïdes, les lunes et les 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 paradigme “Breadcrumb-Style Dynamically Deployed Communication Network”, ou DDCN.

Un conte de fées 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 Autonomous Exploration Systems Research Laboratory à Caltech et UArizona. “Dans notre scénario, les” fils d’Ariane “sont des capteurs miniaturisés qui se superposent aux rovers, qui déploient les capteurs lorsqu’ils traversent une grotte ou un autre environnement souterrain.”

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

“L’un des nouveaux aspects est ce que nous appelons le déploiement opportuniste – l’idée que vous déployez le” fil d’Ariane “lorsque vous le devez et non selon un calendrier préalablement prévu”, a déclaré Fink.

Pendant tout ce temps, il n’y a pas besoin d’entrée du rover mère; chaque rover subordonné prendra cette décision par lui-même, a ajouté Fink. Le système peut fonctionner de deux manières, a expliqué Fink. Dans l’un, le rover mère agit comme un destinataire passif, collectant les données transmises par les rovers effectuant l’exploration. Dans l’autre, la mère rover joue le rôle d’orchestrateur, contrôlant les mouvements des rovers comme un marionnettiste.

Les machines prennent le relais

Le nouveau concept concorde avec le paradigme de reconnaissance évolutive à plusieurs niveaux conçu par Fink et ses collègues au début des années 2000. Cette idée envisage une équipe de robots opérant à différents niveaux de commande – par exemple, un orbiteur contrôlant un dirigeable, qui à son tour contrôle un ou plusieurs atterrisseurs ou rovers au sol. Déjà, les missions spatiales ont adopté ce concept, plusieurs avec la participation de chercheurs de l’UArizona. Par exemple, sur Mars, le rover Perseverance commande Ingenuity, un hélicoptère robotique. Un concept pour une autre mission, qui n’a finalement pas été retenue pour financement, proposait d’envoyer un orbiteur transportant un ballon et un atterrisseur lacustre pour étudier l’une des mers d’hydrocarbures sur Titan, la lune de Saturne. L’approche du fil d’Ariane pousse l’idée un peu plus loin en fournissant une plate-forme robuste permettant aux explorateurs robotiques d’opérer sous terre ou même immergés dans des environnements liquides. De tels essaims de robots individuels et autonomes pourraient également contribuer aux efforts de recherche et de sauvetage à la suite de catastrophes naturelles sur Terre, a déclaré Fink.

Fink a déclaré que le plus grand défi, en plus de faire entrer les rovers 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 alambiqués sans jamais perdre le contact avec leur “mère rover” en surface. Équipés d’un système de détection et de télémétrie de la lumière, ou lidar, ils pourraient même cartographier les passages des grottes dans les trois dimensions, un peu comme les drones que l’on peut voir explorer un vaisseau spatial extraterrestre dans le film “Prométhée”.

“Une fois déployés, nos capteurs établissent 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 d’abord détaillé le concept DDCN dans une proposition à la NASA en 2019.

“Ils peuvent basculer entre eux et compenser les points morts et les pannes de signal”, a ajouté Mark Tarbell, co-auteur de l’article et chercheur principal au laboratoire de Fink. “Si certains d’entre eux meurent, il y a toujours une connectivité via les nœuds restants, de sorte que le rover mère ne perd jamais la connexion au nœud le plus éloigné du réseau.”

Mission de non-retour

Le réseau robuste de nœuds de communication garantit que toutes les données collectées par les explorateurs robotiques reviennent au rover mère en surface. Par conséquent, il n’est pas nécessaire de récupérer les robots une fois qu’ils ont fait leur travail, a déclaré Fink, qui a publié l’idée d’utiliser des groupes de sondes de surface robotiques mobiles consommables dès 2014.

“Ils sont conçus pour être durables”, a-t-il déclaré. “Au lieu de gaspiller des ressources pour les faire entrer dans la grotte et en sortir, il est plus logique de les faire aller aussi loin que possible et de les laisser derrière eux une fois qu’ils ont rempli leur mission, à court d’énergie ou succombé à un environnement hostile. .”

“L’approche du réseau de communication introduite dans ce nouvel article a le potentiel d’annoncer une nouvelle ère de découvertes planétaires et astrobiologiques”, a déclaré Dirk Schulze-Makuch, président de la Société allemande d’astrobiologie et auteur de nombreuses 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 être présente.”

Le concept proposé “est magique”, selon Victor Baker, professeur UArizona Regents d’hydrologie et de sciences atmosphériques, de géosciences et de sciences planétaires. ou lieu et les moyens de communiquer ce qui est ainsi découvert aux esprits créatifs qui cherchent à comprendre », a déclaré Baker.

Explorer les mondes océaniques cachés

Dans les endroits qui nécessitent des robots submersibles, le système pourrait consister en un atterrisseur – soit flottant sur un lac, comme cela pourrait être le cas sur Titan, soit assis sur la glace au sommet d’un océan souterrain comme sur Europa – qui est connecté au sous-marin, par exemple à travers un long câble. Ici, les nœuds de communication agiraient comme des répéteurs, amplifiant le signal à intervalles réguliers pour l’empêcher de se dégrader. Fait important, a souligné 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 reliant à l’atterrisseur.

“Imaginez que vous parveniez jusqu’à Europe, que vous fassiez fondre des kilomètres de glace, que vous descendiez dans l’océan souterrain, où vous vous retrouvez entouré de vie extraterrestre, mais vous n’avez aucun moyen de faire remonter les données à la surface, ” il a dit. “C’est le scénario que nous devons éviter.”

Après avoir développé les rovers et la technologie de communication, le groupe de Fink travaille maintenant à la construction du mécanisme réel par lequel les rovers déploieraient les nœuds de communication.

“En gros, nous allons apprendre à nos ‘Hansels’ et ‘Gretels’ comment supprimer les miettes de pain afin qu’elles s’ajoutent à un réseau de communication maillé fonctionnel”, a déclaré Fink.