Älskling, de har krympt Rover

Om Nobeldomarna gav ett pris för överprestation, kan en bra kandidat vara en sexhjulig robot i brödlådastorlek vid namn Sojourner. Som robotar går, var rover som utforskade Mars förra året en blygsam grej; den färdades bara cirka två fot i minuten och utförde bara två enkla vetenskapliga operationer, fotograferade stenar och läste deras kemiska signaturer. Och maskinen kostade bara 25 miljoner dollar, med Pathfinder-uppdraget som tog den till Mars ett fynd på 266 miljoner dollar, en fjärdedel av kostnaden för en enda rymdfärja. Men Sojourner var robotarnas Energizer Bunny, rovern som bara fortsatte att ströva. Tjänstemän förutspådde försiktigt att den kunde fungera i en månad på Mars; det skickade tillbaka data för tre.

Det grep också allmänhetens fantasi eftersom ingen rymdsatsning hade gjort sedan Neil Armstrong och Buzz Aldrin planterade USA:s flagga på månen. Under uppdragets första häftiga veckor registrerade NASA:s flera Pathfinder World Wide-webbplatser cirka 45 miljoner träffar om dagen. Time och Newsweek beviljade Pathfinders landning den 4 juli och Sojourners efterföljande avstigning samtidigt täcker och de typer av uppslag som vanligtvis reserverades för början av krig eller prinsessors död. Mattel sålde omedelbart ut den första upplagan av sin Sojourner Mighty Wheels-leksak. Vid en midsommarmottagning skämtade vicepresident Al Gore om att han hade ersatts av Sojourner som världens favoritrobot. Hade mänskligheten någonsin identifierat sig så nära med
en maskin?

På så sätt räddade rovern och dess trogna landare NASA från stigmatiseringen av två decennier av kostsamma boondoggles, dödliga katastrofer och brustna förväntningar. Den väsentliga strategin för den reformerade NASA-nix, de kostsamma, farliga bemannade expeditionerna och låter robotar och andra fjärrutforskningsverktyg göra jobbet - hade lösts.

Det var bara början. NASA förbereder nu efterföljande generationer av planetariska upptäcktsresande som kommer att få Sojourner att se avgjort enfaldig ut: rovers för att korsa många mil av Mars vidder, samla långväga prover för transport tillbaka till jorden; penetratorer för att undersöka de levande världarna som kan ligga under utomjordiska stenar och isskorpor; och flygrobotar för att undersöka andra planeter och deras månar, från Venus till Jupiters måne Titan, och kanske till och med Uranus och Neptunus, från luften.

Hur exotiska och väldigt varierande dessa enheter än kan tyckas, kommer de alla från samma kritiska förändring i NASA:s inställning till obemannad planetarisk utforskning för nästan nio år sedan - snabbare, billigare, bättre. Denna förändring initierades inte genom officiell NASA-policy utan i trots av den, av en liten grupp av robotbyggande kättare som såg en bättre väg att åka till Mars än vad deras chefer såg och som arbetade i hemlighet för att göra idén möjlig. Att uppskatta rötterna till det robotbyggande upproret hjälper till att förstå varför planetarisk utforskning nu tar den kurs det är.

I början

Filosofin som ligger bakom snabbare, billigare, bättre är mindre är mer. I rymdfärd är massa lika med pengar - mycket av det - och komplexitet innebär risk. För att till exempel göra rovers prisvärda och pålitliga, skapa dem så att de är så lätta och enkla som möjligt - 25 pund i Sojourners fall, med en svag men robust 8-bitars 1970-talsprocessorenhet för en hjärna. Så uppenbar som denna strategi verkar nu, under slutet av 1980-talet fokuserade NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) på att bygga något helt annat: en verkligt formidabel maskin i storlek, räckvidd och beräknings- och driftsförmåga - och kostnad. Detta Mars Rover Sampler Return (MRSR) fordon skulle mäta upp till 8 fot lång och väga ett halvt ton. Den skulle byggas för att kryssa i ett och ett halvt år i Mars straffande kyla, över 700 miles av dess varierade, oländiga terräng, samla prover och bana väg för mänskliga uppdrag. Det skulle kosta upp till 10 miljarder dollar.

Sedan slog den finanspolitiska verkligheten till, minns David Lavery, chef för NASA:s forskningsprogram för telerobotik. Vi insåg att det bara inte skulle hända.

Lyckligtvis, utan att NASA-mässingen visste det, väntade ett alternativ i baklaboratorierna på JPL - ett försummat experiment i robotautomatisering och förenkling. Även när JPL som institution jagade MRSR-drömmen till sin återvändsgränd, hade en liten grupp uppkomlingar rover och en annan grupp artificiell intelligens-avhoppare, båda på JPL, i tysthet sökt sina egna lösningar.

Ansträngningen började 1988, när Howard Eisen, nu chefsingenjör för mobilitetsteknik för JPL:s rovers, lämnade sina forskarstudier vid MIT för att arbeta på labbet. Han tog med sig ett särskilt passande examensarbete: att bygga en modell i en åttondels skala av den mäktiga MRSR. Han fann att modellen, styrd av en elektrisk tjuder, presterade mycket bättre än förväntat. Dess fem tums hjul kunde faktiskt klättra över föremål som är upp till åtta tum höga. Så kanske jumbo-MRSR var onödigt, tänkte han; skulle en mycket mindre plattform kunna förhandla Mars steniga yta?

Eisen och hans JPL-kollegor satte sig för att bygga en sådan plattform som fungerar på egen hand i garaget hos ingenjören (och före detta hot-rodder) Don Bickler. Efter flera försök uppfann Bickler ett sexhjuligt chassi som kunde bibehålla jämn vikt och dragkraft på alla sina hjul. Ingenjörerna kallade den en rocker/bogey efter dess två viktiga mekaniska element och döpte med all heder till de efterföljande roverprototyperna Rocky. Alla skämtade om huruvida vi skulle ha lika många uppföljare som Rocky-filmerna, minns Eisen. (De skulle.)

Halvvägs genom att bygga den första Rocky, fick rover-avfallarna labbutrymme på JPL och fick nya medarbetare: ett team av artificiell intelligens (AI) designers. Inspirerad av subsumtionsarkitekturens tillvägagångssätt hos MIT:s AI-pionjär Rodney Brooks-designande robotar för att arbeta med en hierarki av enkla reaktioner på stimuli-David Miller, som nyligen anlände till JPL:s AI-sektion, anställde Brooks student Colin Angle för en sommar. På MIT hade Angle skapat den banbrytande Djingis-roboten, som trots sin låga hjärnkapacitet autonomt kunde utföra en ganska komplex funktion genom att samla ihop alla kaffekoppar på kontoret. (Den maskinen finns nu i National Air and Space Museum.) På JPL byggde Angle en liknande robot som heter Tooth med hjälp av ett bilmodellchassi, för mindre än $500 i delar och $5 000 i arbete. Min enda begränsning, minns Angle, var att jag inte kunde spendera mer än $50 för varje del, så allt kunde komma ur småpengar.

Miller och hans lagkamrater såg potentialen hos den mekaniska Rocky som Bicklers grupp hade utvecklat. Genom att gifta sig med Tooths elektroniska hjärna med Rocky 3:s kropp skapade de den första autonoma rover som kunde arbeta utomhus, på verklig smuts.

JPL-chefer var imponerade, men gifte sig ändå med sin stora MRSR. Sedan tjöt kongressmedlemmarna till dess bekostnad och det projektet var död. NASA hade under tiden hittat finansiering för en enda liten Pathfinder-landare och satsade på något att bära på den. Jag sa, vi råkar ha den här ena roveren, minns Miller. Äntligen hade överlopparna ett verkligt uppdrag att arbeta med.

Men inte länge. Som så ofta händer när innovationer kanaliseras till mainstream, lämnades innovatörerna utanför i kylan. Miller och hans lagkamrater förlorade kontrollen över Rocky-projektet, och alla utom en lämnade JPL för den privata sektorn. Roverbudgetarna ökade, och det gjorde även tidslinjerna. Det tog bara ett och ett halvt år för Millers grupp att gå från Tooth till fjärde generationens Rocky, men JPL tog sedan ytterligare fem år att avancera till Sojourner, den sjätte i Rocky-linjen.

JPL:s Brian Wilcox, som tog rodret för mikroroverprojektet efter Miller, hävdar att detta var ett naturligt svar på utmaningarna med att göra teknologier tillförlitliga nog att fungera i den hårda miljön på mars. Sannerligen, roman som det verkade för tv-tittare, Pathfinder var ett ganska konservativt uppdrag; JPL nådde tillbaka till beprövad kommandoteknik snarare än att försöka helt autonom drift. Bättre säkert än vågat när hela världen tittar på.

Rockys barn

Men nu när Sojourner har banat väg kan andra planetariska upptäcktsresande inse potentialen det bara antydde. Rocky 7, utrustad med en robotarm och kameramast samt ett chassi i Sojourner-stil, går igenom sina steg vid den torra Lavic Lake i Mojaveöknen. Sjöbädden är en särskilt passande Mars-analog, tack vare flygarna på den närliggande Twentynine Palms Marine-basen; deras bombningsövningar har gjort att den är fylld av kratrar, ungefär som de tusentals som asteroider har hackat i Mars yta.

Den långdistansvandring som Rocky 7 utövar under autonom drift och med förbättrade sensoriska och navigationssystem kommer att vara avgörande för framtida Mars-rovers. Sojourner kröp bara några poängmeter under det vaksamma, positionskontrollerande elektroniska ögat på dess Pathfinder-moderskepp. Men Rocky 8, rover-uppenbarelsen för 2001 års Mars-uppdrag och dess efterföljare från 2003, kommer att behöva tillryggalägga många mil, förmodligen på tuffare, äldre höglandsterräng där spår av forntida liv kan finnas mer sannolikt. NASA vill att dessa rovers ska cache intressanta prover som ännu en tredje maskin - en smartare, mer specialiserad hämtningsrover - är tänkt att plocka upp 2005 med hjälp av elektroniska beacons som finns kvar med cacherna. Den rovern kan behöva dra proverna ännu fler mil till landaren för att återvända till jorden och den noggranna undersökningen som äntligen kan lösa frågan om liv på Mars.

Att täcka mer mark är bara en av många utmaningar som kommer för rovertillverkarna. Andra kretsar kring mer begränsade budgetar. Steve Saunders, JPL:s chefsprojektforskare för Mars 2001-uppdraget, noterar att framtida fordon kommer att behöva förlita sig på mindre mänskligt engagemang. Medan Pathfinder-uppdraget ockuperade upp till 10 personer flera månader efter landningen med frågor som kontroll och felsökning, tillåter Mars 2001-budgeten ett operationsteam på cirka 4. Nästa rovers måste också kosta mindre, åka på mindre raketer, göra mer vetenskap (NASA hashar fortfarande ut exakt vad) och kör 3 gånger längre än Sojourner. Och bortsett från monetära faktorer måste de överleva ett ännu bredare temperaturintervall än Sojourner gjorde (experter tror att Mars-kylan äntligen tystade Pathfinder-uppdraget).

Mycket av hoppet om att möta dessa utmaningar vilar på de nya grafitkompositer som JPL:s division för mekaniska system skapar. Att använda konsekventa kompositer i en rover kan minska den destruktiva differentialkylning och sammandragning som nu uppstår när olika metaller används, vilket gör maskinen mindre sårbar för temperaturförändringar. Och kompositer kan dra mer vikt av den slutliga nyttolasten, vilket minskar kostnaderna. Redan väger en prototyp Lightweight Survivable Rover för '05-uppdraget bara 15 pund-två tredjedelar så mycket som Sojourner - samtidigt som den sträcker sig mer än en och en halv gånger så lång och bred och står nästan dubbelt så högt, en fot från marken.

Vidare kollapsar den här prototypens hjul till en tredjedel av sin utökade volym och kan därför packas i en mindre flygkapsel, säger Paul Schenker, divisionens forsknings- och utvecklingsledare. Vi utökar den idén till hela roverramen, tillägger han och lovar att göra provhämtningsrovern verkligen hopfällbar och därmed ännu billigare att skicka.

De största framstegen för Schenkers team har varit att bygga armar från lättviktskompositer. En arm, helt sammansatt ner till motorn, väger bara cirka åtta pund men kan förlängas till cirka sex fot, gräva ett dike, lyfta och deponera prover och slänga en mikrokamera. En annan, som väger två pund, kan lyfta flera gånger sin egen vikt, delvis på grund av ultraljudsmotorer (så kallade eftersom de surrar vid ohörbara frekvenser). Sådana motorer maximerar vridmomentet - därav dragkraft och hävstångseffekt - vid mycket låga hastigheter, vilket är precis vad du vill ha för utomjordiska användningar, där höga hastigheter ökar risken för olyckor och kräver mer informationsbehandling. Dessutom kräver låghastighets ultraljudsmotorer inte växellådor som konventionella motorer gör för att minska deras rotationer till användbara hastigheter. Att eliminera växellådan eliminerar mer vikt; igen, mindre är mer.

När de ultralätta rovrarna med pensionatets räckvidd är redo att flyga, kan en ännu mer dramatisk uppsats om roverminiatyrisering ha visat sig i den första landningen någonsin på en asteroid. Återigen, nödvändighet, i form av nyttolastbegränsningar, är designens moder. I september 2003 kommer det japanska rymduppdraget som kallas Muses-C att landa på den halvmil breda, jordkorsande asteroiden Nereus. Planen är att landa på tre platser (att lyfta och landa igen kräver lite kraft i en asteroids låga gravitation), samla in prover och skicka dessa till jorden i januari 2006 med fallskärmar som släpps från rymdflygningar. Men först bör Muses-C lämna av en amerikansk passagerare - en rover.

När Japans Institute of Space and Astronomical Science (ISAS) kom till NASA för att söka teknisk hjälp med Muses-C, erbjöd det NASA chansen att fylla ut landarens oanvända lastutrymme. Amerikanerna tänkte skicka ett komplement av vetenskapliga instrument, men beslutade att om dessa var fästa vid landern skulle de bara duplicera den japanska ansträngningen. Bättre att skicka en rover för att utforska andra delar av Nereus.

Bara ett problem: Muses-C har bara två punds extra lastkapacitet, och hälften behövs för dator- och kommunikationsutrustning för att NASA ska kunna prata direkt med rovern. Ergo nästa steg i miniatyrisering: en ett pund nanorover. (Detta är ett konstbegrepp, eftersom nanoteknik vanligtvis syftar på arbete på molekylär nivå. Men vad kallar man annars en maskin som är en tjugondel av storleken på en mikrorover?) Nanoroverns vetenskapliga instrument kommer att vara mer sofistikerade än den relativt gigantiska Sojourners : en infraröd spektrometer för avläsning av kemiska signaturer med infraröda strålar, en bildkamera med åttapositionsfilterhjul för avläsning av olika ljusspektra och kanske en röntgenspektrometer. Men maskinen kommer att få ett mycket enklare chassi. En nuvarande prototyp har bara två hjul, på vilka den kommer att sladda och till och med välta (och sedan rätta till sig själv). På en asteroid, där nedslagen är blickande lätta, kommer en sådan oro inte att vara den katastrof som det skulle vara på en planet i full storlek. Vid låg gravitation, där det är svårt att stanna, är sådana rörelser oundvikliga ändå.

En asteroid presenterar ännu mer skrämmande temperaturutmaningar än Mars. Brian Wilcox, JPL:s handledare för robotteknik, noterar att Sojourner endast fungerade när det var varmt efter att dess gelisolering hade fångat tillräckligt med värme varje dag. Men att isolera är meningslöst på något så litet som en nanorover, med sin proportionellt höga yta. Och asteroidutforskare måste stå för 250-graders temperaturfluktuationer från dag till natt. Elektriska komponenter klassificeras vanligtvis endast upp till en bils temperaturintervall - cirka 120 grader. Att hitta komponenter som klarar minus-125 grader är en stor utmaning, säger JPL:s systemingenjör Rick Welch, som har arbetat med nanorover. Lämpliga delar tenderar att vara CMOS-komplementär metalloxid-halvledarelektronik, som bibehåller konduktiviteten och arbetar vid extremt låga temperaturer. Asteroidrovern kommer att vara en nattsökare; under den [brännande] dagen stänger vi bara av den, konstaterar han.

Under de senaste fyra åren har JPL också arbetat med idén om flygutforskning: flygrobotar, autonoma robotballonger som kan täcka ett mycket bredare territorium än någon markrover samtidigt som de producerar mycket högre upplösning än satelliter. Idén är inte ny; 1985 skickade sovjeterna och fransmännen en undersökningsballong till Venus. Den fungerade kort men bra, guppade uppåt när den närmade sig den varma Venutian-ytan och gaserna i påsen expanderade, sedan nedåt när den träffade den kalla stratosfären och dessa gaser kondenserades.

Men de aerobots som JPL designar (och för vilka den kommer att lansera en testbädd tidigt i år) är mycket mer sofistikerade. Istället för att flyta på en konstant höjd kommer de att kontrollera sin höjd genom ventiler som kan släppa ut eller begränsa de gaser som ger dem flytkraft. Således, förklarar JPL aerobot systemingenjör Aaron Bachelder, kommer de att kunna sväva under en tid (kanske någon timme ovanför Venus, på grund av den hårda värmen, runt 460 grader Celsius på dess yta). Sedan drar de sig tillbaka till stratosfären för att svalka sig. Ormar långa, dinglande flexibla bihang-kommer att skydda mot kraschar genom att överföra vikt från flygroboten till marken om ballongen svävar för lågt. Flygrobotarna kommer också att innehålla strömlinjeformade avkännings- och vetenskapliga instrument för närstudier av ytan. Och, insisterar JPL:s specialprojektledare Jim Cutts, att de faktiskt har visat sig inte haka på stenar i jordförsök av fransmännen. Han tillägger och tar en sida från nanorover-lekboken att hans besättning designar flygrobotar som är tillräckligt lätta - runt 22 pund - för att åka med andra uppdrag.

NASA tänkte på Venus som den första flygrobotdestinationen, eftersom dess värme - för stor för markbåtar - gör den planeten till ett optimalt val för ballongerna. Och Venus förutsägbara vindar gör det också till en enklare plats att planera rutter för enheterna än blåsig Mars. Men nu när Pathfinders triumf har gjort Mars fashionabel, hoppas Cutts också att skicka en flygrobot till Mars 2003 - kanske åka tillsammans med årets stenjaktsrover.

Aerobots utsikter slutar inte med de två närmaste planeterna. JPL har också skisserat flygrobotuppdrag till den jovianska månen Titan och de yttre gasplaneterna. Eftersom dessa planeter har mycket lättare atmosfärer, skulle ljusgasballonger inte fungera på dem på det sätt som de förväntas på solida planeter. Och så uppdrag till Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus skulle förlita sig på en annan, vördnadsvärd teknologi: varmluftsballonger, uppvärmda av planeternas egen infraröda strålning.

Om flygrobotarna slår ut, kommer tekniken att ha fullföljts; ballonger, den tidigaste formen av luftburen transport, kommer att flyga i spetsen för planetarisk utforskning. Det är bara ytterligare en indikation på mångfalden i tillvägagångssätt NASA har använt under de åtta åren sedan de slutade sätta sitt hopp om undersökningar på en enda massiv Mars-rover.

Dölj