Astronauci spędzają ogrom czasu w rutynowej obsłudze, sprzątaniu i przenoszeniu ładunków. NASA chce oddać część tej pracy robotom. Brzmi jak plan.
Astronauta w kosmosie to nie tylko bohater z flagą na ramieniu, naukowiec pochylony nad eksperymentem czy pilot sterujący statkiem. To też ktoś, kto taszczy worki, rozpakowuje dostawy, pilnuje sprzętu, robi przeglądy i ogarnia całą masę przyziemnych spraw, które na Ziemi nazwalibyśmy po prostu robotą techniczną. NASA dobrze wie, iż w długich misjach taki czas będzie bezcenny. Dlatego razem z Rice University uruchomiła iMETRO Dynamic Simulation – otwarte środowisko symulacyjne dla robotów, które mają pracować wewnątrz statków kosmicznych i habitatów. Mówiąc prościej, zanim robot zacznie pomagać ludziom na orbicie, Księżycu albo w drodze na Marsa, najpierw ma nauczyć się tego w cyfrowej kopii kosmicznego wnętrza.
Astronauta nie powinien być kosmicznym magazynierem
Według NASA członkowie załóg spędzają aż około 1/3 czasu w kosmosie na rutynowych zadaniach konserwacyjnych i logistycznych. Chodzi m.in. o przenoszenie worków ze śmieciami, transport ładunku z kapsuł zaopatrzeniowych, porządkowanie sprzętu, kontrolę zasobów i czynności, które są konieczne, ale niekoniecznie wymagają człowieka z wieloletnim szkoleniem astronautycznym.
To może wydawać się mało istotne, dopóki nie spojrzymy na konkrety. Godzina pracy astronauty na ISS to koszt liczony w dziesiątkach tysięcy dolarów, a każda minuta jest rozpisana w harmonogramie co do zadania. Każda godzina astronauty jest skrajnie droga. Każdy dzień załogi na stacji, w statku albo przyszłej bazie księżycowej powinien być wykorzystywany na rzeczy, których robot jeszcze nie potrafi zrobić dobrze: eksperymenty, decyzje operacyjne, obserwacje, naprawy wymagające improwizacji i eksplorację.
Jeżeli człowiek ma lecieć setki tysięcy kilometrów od Ziemi tylko po to, żeby przez dużą część dnia przerzucać cargo i zamykać rutynowe checklisty, coś tu się nie spina. NASA nie chce usuwać ludzi z kosmosu. Chce sprawić, żeby nie marnowali czasu w prace, które maszyny mogą z czasem przejąć.
Jak pisaliśmy w tekście: Nadchodzi koniec ery astronautów. Kontrolę przejmie maszyna, roboty na orbicie zaczynają być elementem infrastruktury. Nie chodzi o zastąpienie astronautów w całej misji, ale o przejęcie części obowiązków, które dziś zabierają załodze czas i uwagę.
Problem w tym, iż proste zadanie w kosmosie nie jest proste
Na Ziemi podniesienie torby, otwarcie schowka albo przesunięcie pakunku jest banalne. W mikrograwitacji robi się z tego poważny problem robotyczny. Przedmiot nie leży stabilnie na stole. Nie ma wyraźnego kierunku w dół. Każde pchnięcie może wprawić ciało w ruch. Każdy kontakt z powierzchnią, uchwytem albo modułem ma inną dynamikę niż w laboratorium na Ziemi.
Do tego dochodzi ciasne wnętrze statku kosmicznego. Pełno kabli, paneli, eksperymentów, uchwytów, ekranów, toreb, ludzi i sprzętu, którego nie wolno uszkodzić. Robot nie może działać jak przemysłowe ramię w fabryce, gdzie wszystko stoi w przewidywalnym miejscu, a człowiek trzyma się za linią bezpieczeństwa. W kosmosie robot ma pracować obok astronautów i w środowisku, które z definicji nie wybacza błędów.
Właśnie dlatego budowa robota do czarnej roboty jest trudniejsza, niż brzmi. Nie wystarczy dołożyć ramienia i kamery. Maszyna musi widzieć, planować ruch, unikać kolizji, chwytać przedmioty, radzić sobie z niepewnością i wykonywać zadania w warunkach, których większość ziemskich robotów nigdy nie zobaczy.
iMETRO ma pomóc właśnie w tym obszarze. Zamiast zamykać kosmiczną robotykę w kilku elitarnych laboratoriach, ma otworzyć ją dla większej liczby zespołów badawczych i inżynierów, którzy dotąd nie mieli dostępu do takiej infrastruktury.
Cyfrowy bliźniak zamiast czekania na dostęp do NASA
NASA Johnson Space Center zbudowało fizyczną platformę testową iMETRO, czyli rozwijane środowisko do badań nad robotami pracującymi wewnątrz pojazdów kosmicznych. Są tam pełnowymiarowe, dokładne makiety wnętrz przyszłych statków i habitatów księżycowych oraz specjalnie przygotowane roboty.
Do takiego laboratorium nie ma dostępu cały świat. choćby jeżeli ktoś ma świetny pomysł na algorytm, sposób chwytania, planowanie ruchu albo zdalne sterowanie, nie może po prostu wejść do NASA Johnson i testować go na prawdziwej instalacji.
iMETRO Dynamic Simulation ma to zmienić. To cyfrowy bliźniak fizycznej placówki, czyli symulacja odwzorowująca jej układ, obiekty, roboty i warunki pracy. Badacz może przygotować aplikację w środowisku wirtualnym, sprawdzić ją w symulacji, a potem przenieść do realnego testbedu.
Zespół opracował w symulacji aplikację do zdalnej obsługi robotów w placówce NASA i uruchomił ją na fizycznym stanowisku w mniej niż 1 dzień. W świecie kosmicznej robotyki to różnica między wielotygodniowym cyklem testów a szybkim przechodzeniem od pomysłu do walidacji.
Open source to sposób na przyspieszenie wyścigu
Najważniejsza decyzja w całym projekcie jest taka, iż iMETRO Dynamic Simulation ma być otwarte. NASA i Rice University nie budują zamkniętego narzędzia tylko dla własnych zespołów. Udostępniają środowisko jako open source, żeby badacze z całego świata mogli tworzyć, testować i porównywać rozwiązania.
To ma bardzo dużo sensu, bo kosmiczna robotyka jest zbyt trudna, żeby rozwijać ją wyłącznie w kilku zamkniętych laboratoriach. Potrzebne są algorytmy planowania ruchu, systemy percepcji, testy chwytaków, symulacje kontaktu, scenariusze operacyjne, interfejsy dla operatorów i procedury bezpieczeństwa. Każdy z tych elementów może być rozwijany przez inne zespoły.
W projekcie wykorzystano m.in. MuJoCo, czyli symulator fizyki dobrze nadający się do dynamiki kontaktu, oraz ROS 2, popularny ekosystem narzędzi robotycznych. NASA nie próbuje więc połączyć kosmiczne wymagania z narzędziami znanymi szerokiej społeczności robotyków.
Jak pisaliśmy w tekście: Wojsko przetestowało robota na orbicie. Fruwa jak astronauta i dokręci śrubkę, NASA już od lat eksperymentuje z robotami Astrobee na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. To małe, swobodnie latające roboty, które mogą wspierać załogę, dokumentować eksperymenty i testować autonomię w mikrograwitacji. iMETRO ma nauczyć maszyny pracy w środowisku, w którym człowiek jest zbyt cenny, by robił wszystko sam.
Robot ma otworzyć schowek, złapać torbę i nie narobić szkód
W testach iMETRO chodzi o zadania dużo mniej efektowne niż filmowe spacery po Marsie. Przykładowa demonstracja obejmowała m.in. otwieranie ciężkiej ławki/schowka, lokalizowanie uchwytu torby cargo i umieszczanie jej we właściwym miejscu. W kosmosie to zestaw ciężkich problemów.
Robot musi zaplanować ruch bez zderzenia z otoczeniem. Musi rozpoznać punkt chwytu. Musi poradzić sobie z kontaktem z ciężkim elementem. Musi wykonać manewr tak, by nie uderzyć w ściany, wyposażenie ani człowieka. Musi też przenieść zachowanie z symulacji do fizycznego stanowiska, gdzie zawsze pojawiają się różnice: tarcie, luzy, niedoskonałe modele, opóźnienia, odchyłki w położeniu przedmiotów.
To właśnie słynna luka sim-to-real. W symulacji wszystko może działać pięknie, a prawdziwy robot nagle widzi inny cień, chwyta torbę milimetr za daleko albo trafia na opór, którego model nie przewidział. Cała sztuka polega na tym, by symulacja była wystarczająco wierna i wystarczająco elastyczna, żeby kod miał szansę przetrwać zderzenie z rzeczywistością.
W kosmosie ta luka jest szczególnie bolesna, bo nie można po prostu podbiec do robota i poprawić mu ręki. Zwłaszcza gdy mówimy o misjach daleko od Ziemi, gdzie opóźnienia komunikacyjne i ograniczony kontakt z centrum kontroli będą codziennością.
To jest plan na Księżyc i Marsa, nie tylko na ISS
Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej robotyczni pomocnicy są oczywiście niezwykle przydatni. W przyszłych habitatów na Księżycu i Marsie mogą być po prostu koniecznością. Im dalej od Ziemi, tym trudniej będzie polegać na stałym wsparciu ludzi z centrum kontroli. Im dłuższa misja, tym bardziej rośnie koszt każdej godziny pracy załogi.
Program Artemis ma przywrócić ludzi na Księżyc i zbudować podstawy stałej obecności poza niską orbitą okołoziemską. To oznacza nowe środowiska: wnętrza lądowników, habitatów, pojazdów, stacji Gateway i przyszłych baz. We wszystkich będą rzeczy do przenoszenia, przeglądy do wykonania, schowki do sprawdzenia, filtry do wymiany, próbki do uporządkowania i procedury, które ktoś musi zamknąć.
Jak pisaliśmy w tekście: Załoga Artemis III wybrana. Ci ludzie przetrą szlak zdobywców Księżyca, powrót ludzi na Księżyc ma być dopiero początkiem większego programu. Przy krótkiej wizycie można jeszcze dużo rzeczy robić manualnie. Przy długiej obecności taki model zaczyna się załamywać.
Roboty wewnątrz habitatów są częścią logistyki przetrwania. jeżeli człowiek ma skupić się na nauce, budowie infrastruktury i eksploracji, ktoś albo coś musi przejąć powtarzalną obsługę zaplecza.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
