Hansel和Gretel的面包屑技巧激发了机器人探索火星及其他地方的洞穴

在火星上找房子很快就会成为现实，亚利桑那大学的研究人员已经开始寻找未来宇航员可以用作栖息地的房地产。UArizona工程学院的研究人员已经开发出一种技术，可以让一群机器人探索其他世界的地下环境。

“熔岩管和洞穴将为宇航员提供完美的栖息地，因为你不必建造结构;你可以免受有害的宇宙辐射的影响，所以你需要做的就是让它漂亮舒适，”合伙人沃尔夫冈芬克说UArizona 电气和计算机工程教授。

Fink 是《太空研究进展》(Advances in Space Research)上一篇新论文的主要作者，该论文详细介绍了一个通信网络，该网络将通过所谓的网状拓扑网络连接漫游者、湖泊着陆器甚至潜水器，使机器能够作为一个团队一起工作，独立于人工输入。根据 Fink 和他的合著者的说法，该方法可以帮助克服当前技术安全穿越彗星、小行星、卫星和行星体环境的有限能力，从而帮助解决NASA 的一项空间技术重大挑战。为了向童话故事“Hansel and Gretel”致敬，研究人员将他们正在申请专利的概念命名为“面包屑式动态部署通信网络”范式或 DDCN。

童话启迪未来

“如果你还记得这本书，你就会知道 Hansel 和 Gretel 是如何通过撒面包屑来确保他们能找到回来的路的，”Fink 说，他是加州理工学院和 UArizona 视觉和自主探索系统研究实验室的创始人兼主任。“在我们的场景中，‘面包屑’是搭载在漫游车上的微型传感器，漫游车在穿越洞穴或其他地下环境时部署传感器。”

连续监测环境并保持对空间位置的感知，漫游者自行前进，通过无线数据连接相互连接，沿途部署通信节点。一旦流动站感知到信号正在减弱但仍在范围内，它就会丢弃一个通信节点，而不管自从它放置最后一个节点以来实际经过了多远的距离。

Fink 说：“其中一个新方面就是我们所说的机会主义部署——即在必要时而不是根据先前计划的时间表部署‘面包屑’的想法。”

一直以来，都不需要母车的输入;Fink 补充说，每个下级漫游者将自行做出决定。Fink 解释说，该系统可以以两种方式之一工作。在其中一种情况下，母漫游车充当被动接收者，收集进行探索的漫游车传输的数据。另一方面，母漫游者充当协调者，像木偶大师一样控制漫游者的动作。

机器接管

新概念与层级可扩展侦察相吻合Fink 及其同事在 2000 年代初期设计的范式。这个想法设想了一组在不同指挥级别操作的机器人——例如，一个控制飞艇的轨道飞行器，而飞艇又控制一个或多个地面上的着陆器或漫游者。太空任务已经接受了这个概念，其中有几个由 UArizona 研究人员参与。例如，在火星上，毅力号漫游者正在指挥一架机器人直升机 Ingenuity。另一项任务的概念最终没有被选中获得资助，该任务提议派遣携带气球和湖泊着陆器的轨道器去研究土星卫星土卫六上的一个碳氢化合物海。面包屑方法通过提供一个强大的平台使这个想法更进一步，允许机器人探险家在地下甚至淹没在液体环境中。这样成群结队的个体，

芬克说，除了首先让漫游车进入地下环境之外，最大的挑战是检索它们在地下记录的数据并将其带回地面。DDCN 概念允许一组漫游者在复杂的地下环境中航行，而不会与地面上的“母漫游者”失去联系。配备光探测和测距系统或激光雷达，它们甚至可以绘制出所有三个维度的洞穴通道，这与电影《普罗米修斯》中探索外星飞船的无人机没什么不同。

“一旦部署，我们的传感器就会自动建立一个无向网状网络，这意味着每个节点都会更新自己周围的每个节点，”Fink 说，他在 2019 年向 NASA 提交的一份提案中首次详细介绍了 DDCN 概念。

Fink 实验室的论文合著者兼高级研究科学家马克·塔贝尔 (Mark Tarbell)补充说：“它们可以相互切换，并补偿盲点和信号中断。” “如果他们中的一些人死了，剩下的节点仍然有连接，所以母漫游车永远不会失去与网络中最远节点的连接。”

不归路的使命

强大的通信节点网络确保机器人探索者收集的所有数据都能传回地面上的母车。因此，一旦机器人完成工作就无需取回机器人，Fink 说，他早在 2014 年就提出了使用成组的可消耗移动机器人表面探测器的想法。

“它们被设计成可消耗的，”他说。“与其浪费资源让他们进出洞穴，不如让他们尽可能地走得更远，一旦他们完成任务、耗尽力量或屈服于恶劣的环境，就把他们抛在后面更有意义”

“这篇新论文中介绍的通信网络方法有可能预示着行星和天体生物学发现的新时代，”德国天体生物学会主席、许多关于地外生命的出版物的作者德克舒尔茨-马库奇说。“它最终让我们能够探索火星熔岩管洞穴和冰冷卫星的地下海洋——可能存在外星生命的地方。”

亚利桑那大学水文学与大气科学、地球科学与行星科学教授维克多·贝克表示，提议的概念“具有魔力” 。 贝克说：“当技术的进步提供了对事物或地点的首次访问以及将由此发现的内容传达给寻求理解的创造性思维的方式时，科学中最惊人的发现就出现了。”

探索隐藏的海洋世界

在需要潜水机器人的地方，该系统可能包括一个着陆器——或者漂浮在湖面上，就像土卫六上的情况，或者坐在地下海洋上的冰上，就像木卫二上的那样——连接到潜艇，例如通过长电缆。在这里，通信节点将充当中继器，定期增强信号以防止其降级。芬克指出，重要的是，节点有能力自己收集数据——例如测量压力、盐度、温度和其他化学和物理参数——并将数据摄取到连接着陆器的电缆中。

“想象一下，你一直走到欧罗巴，你穿过数英里的冰层融化，到达地下海洋，在那里你发现自己被外星生命包围，但你无法将数据传回地表， “ 他说。“这是我们需要避免的情况。”

在开发了漫游车和通信技术之后，芬克的团队现在正致力于构建漫游车部署通信节点的实际机制。

Fink 说：“基本上，我们将教我们的‘Hansels’和‘Gretels’如何放下面包屑，以便它们加起来形成一个正常运行的网状通信网络。”