Chérie, ils ont rétréci le Rover

Si les juges Nobel décernaient un prix pour un dépassement de soi, un bon candidat pourrait être un robot à six roues de la taille d'une boîte à pain nommé Sojourner. En ce qui concerne les robots, le rover qui a exploré Mars l'année dernière était un engin modeste; il n'a parcouru qu'environ deux pieds par minute et n'a effectué que deux opérations scientifiques simples, photographiant des roches et lisant leurs signatures chimiques. Et la machine n'a coûté que 25 millions de dollars, avec la mission Pathfinder qui l'a amenée sur Mars à 266 millions de dollars, un quart du coût d'un seul vol de navette spatiale. Mais Sojourner était le lapin Energizer des robots, le rover qui continuait à errer. Les responsables ont prudemment prévu qu'il pourrait opérer pendant un mois sur Mars ; il a renvoyé des données pour trois.

Il a également saisi l'imagination du public comme aucune entreprise spatiale ne l'avait fait depuis que Neil Armstrong et Buzz Aldrin ont planté le drapeau des États-Unis sur la lune. Au cours des premières semaines enivrantes de la mission, les multiples sites Web Pathfinder World Wide Web de la NASA ont enregistré environ 45 millions de visites par jour. Time et Newsweek ont ​​accordé au débarquement de Pathfinder le 4 juillet et au débarquement ultérieur de Sojourner des couvertures simultanées et les sortes de spreads habituellement réservés aux débuts de guerres ou à la mort de princesses. Mattel a immédiatement vendu la première série de son jouet Sojourner Mighty Wheels. Lors d'une réception au milieu de l'été, le vice-président Al Gore a plaisanté en disant qu'il avait été remplacé par Sojourner en tant que robot préféré du monde. L'humanité s'était-elle déjà identifiée si étroitement avec
une machine?

Ainsi, le rover et son fidèle atterrisseur ont sauvé la NASA de la stigmatisation de deux décennies de cafouillages coûteux, de catastrophes fatales et d'attentes déçues. La stratégie essentielle de la NASA réformée - renoncer aux expéditions habitées coûteuses et dangereuses et laisser les robots et autres outils d'exploration à distance faire le travail - avait fonctionné.

Ce n'était que le début. La NASA prépare maintenant les générations futures d'explorateurs planétaires qui donneront à Sojourner un air résolument banal : des rovers pour parcourir de nombreux kilomètres d'étendues de Mars, rassemblant des échantillons éloignés pour les ramener sur Terre ; des pénétrateurs pour sonder les mondes vivants qui pourraient se trouver sous les roches extraterrestres et les croûtes de glace ; et des aérobots pour surveiller d'autres planètes et leurs lunes, de Vénus à Titan, la lune de Jupiter, et peut-être même Uranus et Neptune, depuis les airs.

Aussi exotiques et extrêmement variés que ces appareils puissent paraître, ils découlent tous du même changement critique dans l'approche de la NASA en matière d'exploration planétaire sans pilote il y a près de neuf ans - plus rapide, moins cher, mieux. Ce changement a été initié non par la politique officielle de la NASA, mais au mépris de celle-ci, par un petit groupe d'hérétiques constructeurs de robots qui voyaient un meilleur moyen d'aller sur Mars que leurs patrons ne l'avaient vu et qui travaillaient secrètement pour rendre l'idée possible. Apprécier les racines de cette rébellion de construction de robots aide à comprendre pourquoi l'exploration planétaire prend maintenant le cap qu'elle est.

Au début

La philosophie sous-jacente plus vite, moins cher, mieux c'est moins c'est plus. Dans les vols spatiaux, la masse équivaut à de l'argent - beaucoup d'argent - et la complexité est synonyme de risque. Pour rendre, par exemple, les rovers abordables et fiables, créez-les pour qu'ils soient aussi légers et simples que possible 25 livres dans le cas de Sojourner, avec une unité de traitement 8 bits faible mais robuste, au niveau des années 1970 pour un cerveau. Aussi évidente que cette stratégie semble maintenant, jusqu'à la fin des années 1980, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA s'est concentré sur la construction de quelque chose de complètement différent : une machine vraiment formidable en termes de taille, de portée, de capacité de calcul et d'exploitation, et de coût. Ce véhicule Mars Rover Sampler Return (MRSR) mesurerait jusqu'à 8 pieds de long et pèserait une demi-tonne. Il serait construit pour naviguer pendant un an et demi dans le froid glacial de Mars, à travers 700 miles de ses terrains variés et accidentés, rassemblant des échantillons et ouvrant la voie aux missions humaines. Cela coûterait jusqu'à 10 milliards de dollars.

Puis la réalité fiscale a frappé, se souvient David Lavery, directeur du programme de recherche en télérobotique de la NASA. Nous avons réalisé que cela n'allait tout simplement pas arriver.

Heureusement, à l'insu des dirigeants de la NASA, une alternative attendait dans les laboratoires du JPL - une expérience négligée dans l'automatisation et la simplification des robots. Alors même que le JPL en tant qu'institution poursuivait le rêve du MRSR jusqu'à son impasse, un petit groupe de rover parvenus et un autre groupe de renégats de l'intelligence artificielle, tous deux au JPL, cherchaient tranquillement leurs propres solutions.

L'effort a commencé en 1988, lorsque Howard Eisen, maintenant ingénieur en chef de la mobilité pour les rovers du JPL, a quitté ses études supérieures au MIT pour travailler au laboratoire. Il a apporté avec lui un projet de thèse particulièrement pertinent : construire un modèle à l'échelle un huitième du puissant MRSR. Il a constaté que le modèle, guidé par une attache électrique, fonctionnait bien mieux que prévu. En effet, ses roues de cinq pouces pouvaient grimper sur des objets jusqu'à huit pouces de haut. Alors peut-être que le MRSR géant était inutile, pensa-t-il; Une plate-forme beaucoup plus petite pourrait-elle négocier la surface rocheuse de Mars ?

Eisen et ses collègues du JPL ont entrepris de construire une telle plate-forme en travaillant seuls dans le garage de l'ingénieur (et ancien hot-rodder) Don Bickler. Après plusieurs essais, Bickler a inventé un châssis à six roues qui pouvait maintenir un poids et une traction uniformes sur toutes ses roues. Les ingénieurs l'ont appelé un rocker/bogey d'après ses deux éléments mécaniques clés et avec tout l'honneur qui leur est dû, ont nommé les prototypes de rover ultérieurs Rocky. Tout le monde se demandait si nous aurions autant de suites que les films Rocky, se souvient Eisen. (Ils voudraient.)

À mi-chemin de la construction du premier Rocky, les renégats du rover ont obtenu un espace de laboratoire au JPL et ont gagné de nouveaux collaborateurs : une équipe de concepteurs d'intelligence artificielle (IA). Inspiré par l'approche de l'architecture de subsomption du pionnier de l'IA du MIT, Rodney Brooks, qui conçoit des robots pour fonctionner en utilisant une hiérarchie de réactions simples aux stimuli, David Miller, récemment arrivé à la section IA du JPL, a embauché l'étudiant de Brooks, Colin Angle, pour un été. Au MIT, Angle avait créé le robot pionnier Gengis, qui, malgré sa faible puissance cérébrale, pouvait exécuter de manière autonome une fonction assez complexe : rassembler toutes les tasses à café du bureau. (Cette machine est maintenant au Musée national de l'air et de l'espace.) Au JPL, Angle a construit un robot similaire nommé Tooth à l'aide d'un châssis de voiture miniature, pour moins de 500 $ en pièces et 5 000 $ en main-d'œuvre. Ma seule contrainte, se souvient Angle, était que je ne pouvais pas dépenser plus de 50 $ pour chaque pièce, donc tout pouvait provenir de la petite caisse.

Miller et ses coéquipiers ont vu le potentiel du Rocky mécanique que le groupe de Bickler avait développé. En mariant le cerveau électronique de Tooth au corps de Rocky 3, ils ont créé le premier rover autonome capable de fonctionner à l'extérieur, sur de la vraie saleté.

Les managers du JPL ont été impressionnés, mais toujours attachés à leur grand MRSR. Puis les membres du Congrès ont hurlé à ses dépens et ce projet était mort. Pendant ce temps, la NASA avait trouvé un financement pour un seul petit atterrisseur Pathfinder et avait cherché quelque chose pour continuer. J'ai dit, il se trouve que nous avons ce seul rover », se souvient Miller. Les renégats avaient enfin une véritable mission à accomplir.

Mais pas pour longtemps. Comme cela arrive souvent lorsque les innovations sont canalisées vers le grand public, les innovateurs ont été laissés pour compte. Miller et ses coéquipiers ont perdu le contrôle du projet Rocky, et tous sauf un ont quitté JPL pour le secteur privé. Les budgets des Rovers ont augmenté, tout comme les délais. Le groupe de Miller n'a mis qu'un an et demi pour passer de Tooth au Rocky de quatrième génération, mais JPL a ensuite mis cinq ans de plus pour passer à Sojourner, le sixième de la lignée Rocky.

Brian Wilcox du JPL, qui a pris la tête du projet de microrover après Miller, affirme qu'il s'agissait d'une réponse naturelle aux défis consistant à rendre les technologies suffisamment fiables pour fonctionner dans le rude environnement martien. En effet, aussi nouveau que cela puisse paraître aux téléspectateurs, Pathfinder était une mission plutôt conservatrice ; JPL est revenu à une technologie de commande éprouvée plutôt que de tenter un fonctionnement entièrement autonome. Mieux vaut être prudent qu'aventureux quand le monde entier regarde.

Les enfants de Rocky

Mais maintenant que Sojourner a ouvert la voie, d'autres explorateurs planétaires peuvent réaliser le potentiel qu'il ne faisait qu'indiquer. Rocky 7 - équipé d'un bras de robot et d'un mât de caméra ainsi que d'un châssis de style Sojourner - fait ses preuves au lac sec Lavic dans le désert de Mojave. Le fond du lac est un analogue de Mars particulièrement approprié, grâce aux aviateurs de la base marine voisine de Twentynine Palms ; leur pratique de bombardement l'a laissé criblé de cratères, approchant les milliers que les astéroïdes ont entaillé à la surface de Mars.

La randonnée longue distance que Rocky 7 pratique en fonctionnement autonome et avec des systèmes sensoriels et de navigation améliorés sera essentielle pour les futurs rovers martiens. Sojourner n'a rampé que quelques dizaines de mètres sous l'œil électronique de contrôle de position de son vaisseau-mère Pathfinder. Mais Rocky 8, le rover-apparent pour la mission Mars 2001 et son successeur 2003, devra parcourir de nombreux kilomètres, probablement sur un terrain montagneux plus accidenté et plus ancien où des traces de vie ancienne peuvent plus probablement être trouvées. La NASA souhaite que ces rovers mettent en cache des échantillons intéressants qu'une troisième machine - un rover de récupération plus robuste et plus spécialisé - devrait récupérer en 2005 à l'aide de balises électroniques laissées avec les caches. Ce rover devra peut-être transporter les échantillons encore plus de kilomètres jusqu'à l'atterrisseur pour le retour sur Terre et l'examen approfondi qui pourrait enfin régler la question de la vie sur Mars.

Couvrir plus de terrain n'est qu'un des nombreux défis à venir pour les fabricants de rover. D'autres tournent autour de budgets plus restreints. Steve Saunders, scientifique en chef du projet du JPL pour la mission Mars 2001, note que les futurs véhicules devront compter sur moins d'implication humaine. Alors que la mission Pathfinder a occupé jusqu'à 10 personnes plusieurs mois après l'atterrissage pour des questions telles que le contrôle et le dépannage, le budget de Mars 2001 permet une équipe d'environ 4 personnes. Les prochains rovers doivent également coûter moins cher, monter sur des fusées plus petites, en faire plus. science (la NASA cherche toujours exactement quoi) et fonctionne 3 fois plus longtemps que Sojourner. Et mis à part les facteurs monétaires, ils doivent survivre à une plage de températures encore plus large que Sojourner (les experts pensent que le froid martien a finalement fait taire la mission Pathfinder).

Une grande partie de l'espoir de relever ces défis repose sur les nouveaux composites de graphite que la division des systèmes mécaniques de JPL est en train de créer. L'utilisation de composites cohérents dans un rover pourrait réduire le refroidissement différentiel destructeur et la contraction qui se produisent maintenant lorsque divers métaux sont utilisés, rendant la machine moins vulnérable aux changements de température. Et les composites pourraient réduire le poids de la charge utile finale, réduisant ainsi les coûts. Déjà, un prototype Lightweight Survivable Rover pour la mission '05 ne pèse que 15 livres, soit les deux tiers du Sojourner, tout en s'étirant plus d'une fois et demie plus longtemps et en largeur et se tenant près de deux fois plus haut, un pied du sol.

De plus, les roues de ce prototype s'effondrent à un tiers de leur volume étendu et peuvent donc être emballées dans une capsule de vol plus petite, explique Paul Schenker, responsable de la recherche et du développement de la division. Nous étendons cette idée à l'ensemble du cadre du rover, ajoute-t-il, promettant de rendre le rover de récupération d'échantillons vraiment pliable et donc encore moins cher à envoyer.

Le plus grand progrès de l'équipe de Schenker a été dans la construction de bras à partir de composites légers. Un bras, entièrement composite jusqu'à son moteur, ne pèse que huit livres environ, mais peut s'allonger jusqu'à environ six pieds, creuser une tranchée, soulever et déposer des échantillons et accrocher une microcaméra. Un autre, pesant deux livres, peut soulever plusieurs fois son propre poids, en partie grâce aux moteurs à ultrasons (appelés ainsi parce qu'ils ronronnent à des fréquences inaudibles). De tels moteurs maximisent le couple - donc la traction et l'effet de levier - à très basse vitesse, ce qui est exactement ce que vous souhaitez pour les utilisations extraterrestres, où les vitesses élevées augmentent le risque d'accidents et nécessitent plus de traitement de l'information. De plus, les moteurs à ultrasons à basse vitesse ne nécessitent pas de réducteurs comme le font les moteurs conventionnels pour réduire leurs rotations à des vitesses utiles. L'élimination de la boîte de vitesses élimine plus de poids ; encore une fois, moins c'est plus.

Au moment où les rovers ultralégers avec des portées de pension sont prêts à voler, un essai encore plus dramatique sur la miniaturisation des rovers a peut-être fait ses preuves lors du tout premier atterrissage sur un astéroïde. Encore une fois, la nécessité, sous la forme de restrictions de charge utile, est la mère de la conception. En septembre 2003, la mission spatiale japonaise connue sous le nom de Muses-C doit atterrir sur l'astéroïde Nereus, large d'un demi-mile. Le plan est d'atterrir sur trois sites (le décollage et l'atterrissage nécessitent à nouveau peu de puissance dans la faible gravité d'un astéroïde), de collecter des échantillons et de les envoyer sur terre d'ici janvier 2006 à l'aide de parachutes largués de vols spatiaux. Mais d'abord, Muses-C devrait déposer un passager américain, un rover.

Lorsque l'Institut japonais des sciences spatiales et astronomiques (ISAS) est venu à la NASA pour demander une aide technique sur Muses-C, il a offert à la NASA la possibilité de remplir l'espace de chargement inutilisé de l'atterrisseur. Les Américains pensèrent envoyer un complément d'instruments scientifiques, mais décidèrent que s'ils étaient attachés à l'atterrisseur, ils ne feraient que dupliquer l'effort japonais. Mieux vaut envoyer un rover explorer d'autres parties de Nereus.

Un seul problème : Muses-C n'a que deux livres de capacité de chargement supplémentaire, dont la moitié est nécessaire pour l'équipement informatique et de communication pour permettre à la NASA de parler directement avec le rover. Ergo la prochaine étape de la miniaturisation : un nanorover d'une livre. (C'est un terme technique, puisque la nanotechnologie fait généralement référence au travail au niveau moléculaire. Mais comment appelle-t-on autrement une machine d'un vingtième de la taille d'un microrover ?) Les instruments scientifiques du nanorover seront plus sophistiqués que ceux du relativement gigantesque Sojourner : un spectromètre infrarouge pour la lecture de signatures chimiques par rayons infrarouges, une caméra d'imagerie avec roues filtrantes à huit positions pour la lecture de divers spectres lumineux, et peut-être un spectromètre à rayons X. Mais la machine aura un châssis beaucoup plus simple. Un prototype actuel n'a que deux roues, sur lesquelles il va déraper et même se retourner (puis se redresser). Sur un astéroïde, où les impacts sont visiblement légers, un tel carénage ne sera pas le désastre qu'il serait sur une planète de taille normale. En basse gravité, où l'arrêt est difficile, de tels mouvements sont de toute façon inévitables.

Un astéroïde présente des défis de température encore plus redoutables que Mars. Brian Wilcox, superviseur du groupe de robotique du JPL, note que Sojourner ne fonctionnait que lorsqu'il faisait chaud, après que son isolant en gel avait emprisonné suffisamment de chaleur chaque jour. Mais l'isolation est futile sur quelque chose d'aussi petit qu'un nanorover, avec sa surface proportionnellement élevée. Et les explorateurs d'astéroïdes doivent se préparer à des fluctuations de température de 250 degrés Celsius du jour à la nuit. Les composants électriques ne sont généralement évalués que jusqu'à la plage de température d'une automobile - environ 120 degrés. Trouver des composants capables de supporter moins-125 degrés est un défi majeur, explique l'ingénieur système du JPL Rick Welch, qui a travaillé sur le nanorover. Les pièces appropriées ont tendance à être des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaires CMOS, qui maintiennent la conductivité et fonctionnent à des températures extrêmement basses. Le rover astéroïde sera un robot de nuit ; pendant la journée [brûlante], nous allons simplement l'éteindre, note-t-il.

Au cours des quatre dernières années, JPL a également travaillé sur l'idée de l'exploration aérienne : des aérobots, des ballons robotiques autonomes qui pourraient couvrir un territoire beaucoup plus large que n'importe quel rover au sol tout en produisant des photographies à une résolution beaucoup plus élevée que les satellites. L'idée n'est pas nouvelle ; en 1985, les Soviétiques et les Français ont envoyé un ballon d'enquête à Vénus. Il a fonctionné brièvement mais bien, remontant vers le haut lorsqu'il s'est approché de la surface chaude de Vénus et les gaz dans son sac se sont dilatés, puis vers le bas lorsqu'il a heurté la stratosphère froide et que ces gaz se sont condensés.

Mais les aérobots que JPL conçoit (et pour lesquels il lancera un banc d'essai au début de cette année) sont beaucoup plus sophistiqués. Plutôt que de flotter à une hauteur constante, ils contrôleront leur altitude grâce à des valves qui peuvent libérer ou confiner les gaz qui leur donnent de la flottabilité. Ainsi, explique Aaron Bachelder, ingénieur en systèmes d'aérobots du JPL, ils pourront planer pendant un certain temps (peut-être une heure environ au-dessus de Vénus, en raison de la chaleur intense, autour de 460 degrés Celsius à sa surface). Ensuite, ils se retireront dans la stratosphère pour se rafraîchir. Les appendices flexibles pendants et longs de serpents protégeront contre les collisions en transférant le poids de l'aérobot au sol si le ballon plane trop bas. Les aérobots contiendront également des instruments de détection et scientifiques rationalisés pour une étude approfondie de la surface. Et, insiste le directeur des projets spéciaux du JPL, Jim Cutts, il a en fait été prouvé qu'ils ne s'accrochent pas aux rochers lors des essais sur terre menés par les Français. Il ajoute, en prenant une page du livre de jeu nanorover, que son équipage conçoit des aérobots suffisamment légers - environ 22 livres - pour faire du stop avec d'autres missions.

La NASA considérait Vénus comme la première destination des aérobots, car sa chaleur trop élevée pour les rovers au sol fait de cette planète un choix optimal pour les ballons. Et les vents prévisibles de Vénus en font également un endroit plus facile pour planifier des itinéraires pour les appareils que Mars venteux. Mais maintenant que le triomphe de Pathfinder a rendu Mars à la mode, Cutts espère également envoyer un aérobot sur Mars en 2003, peut-être avec le rover de chasse aux pierres de cette année-là.

Les perspectives des aérobots ne s'arrêtent pas aux deux planètes les plus proches. Le JPL a également esquissé des missions d'aérobots vers la lune jovienne Titan et les planètes gazeuses extérieures. Parce que ces planètes ont des atmosphères beaucoup plus légères, les ballons à gaz léger ne fonctionneraient pas sur elles de la manière attendue sur les planètes solides. Ainsi, les missions vers Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune reposeraient sur une technologie différente et vénérable : des montgolfières, chauffées par le propre rayonnement infrarouge des planètes.

Si les aérobots réussissent, la technologie aura bouclé la boucle ; les ballons, la première forme de transport aérien, voleront à l'avant-garde de l'exploration planétaire. Ce n'est qu'une indication de plus de la diversité des approches que la NASA a employées au cours des huit années depuis qu'elle a cessé de placer ses espoirs d'enquêtes sur un seul rover martien massif.

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