داستان كاوشگر؛ چگونه ناسا براي مأموريت مريخي بعدي‌اش خودرويي خودران ساخت؟
در بخش نخست داستان كاوشگر، سير تبديل ايده‌ي هلي‌كوپتر مريخي اينجنيوتي به واقعيت را شرح داديم و دانستيم چگونه اين هواگرد مي‌تواند انقلابي در مسير اكتشافات فضايي رقم بزند. بااين‌حال، مريخ‌نورد پرسويرنس (Perseverance: به‌معناي استقامت)، عضو اصلي مأموريت پيش‌روي ناسا، نيز به‌نوبه‌ي خود رباتي شگفت‌انگيز با توانايي‌هايي منحصربه‌فرد است كه در طول حضور روي سطح سياره‌ي سرخ وظايف مهمي برعهده خواهد داشت.
يكي از اهداف پرسويرنس، جمع‌آوري و نگه‌داري نمونه‌هاي زمين‌شناسي است تا در آينده بتوان آن‌ها را براي مطالعه‌ي نزديك به زمين فرستاد. مريخ‌نورد ناسا با گشت‌وگذار در دلتايي باستاني به‌نام دهانه‌ي جزرو، نمونه‌هايي گردآوري خواهد كرد كه ممكن است حاوي نخستين شواهد از حيات فرازميني باشند. باوجوداين، پرسويرنس اول بايد آن‌ها را پيدا كند و بدين‌منظور، به تعدادي كامپيوتر مناسب دست‌كم ازانديشه متخصصين استانداردهاي مريخي نياز دارد.
پرسيورنس به‌نحو چشمگير خودران‌تر از چهار مريخ‌نورد پيشين ناسا است و به‌نحوي طراحي شده تا به‌عقيده‌ي فيليپ توو، مهندس سامانه‌هاي رباتيك در آزمايشگاه پيش‌رانش جت ناسا (JPL)، «خودرويي خودران روي مريخ» همانند نمونه‌هاي موجود در زمين باشد. مريخ‌نورد بعدي ناسا با استفاده از آرايه‌اي از حسگرها ناوبري خواهد كرد كه داده‌ها را به الگوريتم‌هاي بينايي ماشين منتقل مي‌كنند؛ اما درحالي‌كه وسايل نقليه‌ي خودران زميني مجهز به بهترين كامپيوترهاي موجود در بازار هستند، سرعت كامپيوتر اصلي روي پرسويرنس تقريبا به‌اندازه‌ي كامپيوتر خانگي قدرتمند البته در سال ۱۹۹۷ است. ناسا كامپيوتر دومي نيز روي مريخ‌نورد نصب كرده كه همانند راننده‌اي رباتيك عمل مي‌كند و مغز كهنه‌ي پرسويرنس صرفا از همين طريق مي‌تواند ازپس تمام فعاليت‌هاي مربوط به رانندگي خودكار برآيد.
داستان كاوشگر:
در مريخنوردهاي پيشين، نرم‌افزار ناوبري ناگزير بود منابع محاسباتي محدود را با تمام ديگر سامانه‌ها به‌اشتراك بگذارد؛ درنتيجه مريخ‌نورد براي رفتن از نقطه‌اي به نقطه‌ي ديگر بايد عكسي بگيرد تا محيط اطرافش را درك كند و قدري براند و سپس براي چند دقيقه توقف كند تا به حركت بعدي‌اش پي ببرد. بااين‌حال، ازآنجا كه پرسويرنس مي‌تواند بخش عمده‌ي پردازش‌هاي پيمايش بصري‌اش را به كامپيوتري اختصاصي محول كند، مجبور نخواهد بود براي اكتشاف مريخ اين رويكرد توقف و رفتن را درپيش بگيرد. درعوض، وقتي پرسويرنس قرار است به نقطه‌اي برود، كامپيوتر اصلي‌اش مي‌تواند بفهمد چگونه مريخ‌نورد را به همان‌جا ببرد و كامپيوتر بينايي ماشين نيز مي‌تواند اطمينان يابد كاوشگر در مسيرش به هيچ سنگي برخورد نمي‌كند. فيليپ توو مي‌گويد: «هرچه بيشتر به دستيابي به توانايي رانندگي و تفكر بدون وقفه نزديك‌تر مي‌شويم.»
پرسيورنس به‌نحو چشمگير خودران‌تر از چهار مريخ‌نورد پيشين ناسا است
خودراني براي مأموريت پرسويرنس حياتي است. زمين و مريخ چنان از يكديگر فاصله دارند كه ممكن است حركت يك‌طرفه‌ي سيگنالي راديويي با سرعت نور تا ۲۲ دقيقه طول بكشد. درواقع رفت‌و‌برگشت يك فرمان بين زمين و مريخ تقريبا يك ساعت طول مي‌كشد و درنتيجه، اين تأخير طولاني كنترل آني مريخ‌نورد را غيرممكن مي‌كند. پرسويرنس برنامه‌اي فشرده دارد؛ بدين‌صورت كه بايد هلي‌كوپتر اينجنيوتي را براي آزمايش‌هاي پروازي روي سطح مريخ رها و سپس چندين نمونه سنگ جمع‌آوري و محلي براي نگه‌داري آن‌ها پيدا كند. مأموريتي ديگر در آينده اين نمونه‌ها را به زمين خواهد برد تا دانشمندان با هدف يافتن نشانه‌هاي حيات آن‌ها را مطالعه كنند. اگر مريخ‌نورد بخواهد تمام اين وظايف را در يك سال اختصاص‌يافته به مأموريت اوليه‌اش با موفقيت انجام دهد، بايد بتواند بسياري از تصميم‌هاي جهت‌يابي را با اتكا به خود اتخاذ كند.
وسايل نقليه‌ي خودران زميني معمولا براي تعيين موقعيت يك جسم و فاصله‌ي احتمالي با آن از ليزر استفاده مي‌كنند؛ اما اين سامانه‌هاي ليدار حجيم و پرمصرف و مستعد خرابي مكانيكي هستند. درعوض، پرسويرنس براي پي‌بردن به موقعيت خود روي سياره‌ي سرخ از بينايي استريو و اودومتري بصري بهره مي‌گيرد. بينايي استريو دو تصوير از دوربين چپ و دوربين راست را تركيب مي‌كند تا تصويري سه‌بُعدي از محيط اطراف مريخ‌نورد بسازد؛ درحالي‌كه نرم‌افزار اودومتري بصري تصاوير را به‌موقع به‌طور مجزا تجزيه‌وتحليل مي‌كند تا ميزان حركت مريخ‌نورد را تخمين بزند.
لري متيس، پژوهشگر ارشد و سرپرست گروه بينايي ماشين در آزمايشگاه پيش‌رانش جت ناسا، مي‌گويد: «بابت پايداري مكانيكي ليدار براي مأموريتي فضايي نگران بوديم. از دهه‌ها پيش، يعني وقتي سامانه‌هاي ليدار كمتر تكامل‌يافته بود، استفاده از بينايي استريو را براي درك سه‌بُعدي در JPL آغاز كرديم و عملكردي بسيار موفقي از آن شاهد بوديم.» متيس تاكنون به ساخت سامانه‌هاي ناوبري براي تمام سطح‌نوردهاي ارسال‌شده به مريخ كمك كرده است. به‌جز سوجرنر، نخستين مريخ‌نورد ناسا، تمام كاوشگران متحرك اين سازمان براي جابه‌جايي در مريخ تركيبي از بينايي استريو و اودومتري بصري را به‌كار گرفته‌اند؛ اما آنچه پرسيورنس را متمايز مي‌كند، بهره‌گيري از سخت‌افزاري اختصاصي و مجموعه‌اي از الگوريتم‌هاي جديد پيچيده براي بينايي ماشين است.
پرسويرنس همانند خودروهاي خودران زميني با استفاده از آرايه‌اي از حسگرها ناوبري مي‌كند كه داده را از محيط به الگوريتم‌هاي بينايي ماشين مي‌رساند.
عينك ديجيتال جديد پرسويرنس به آن امكان مي‌دهد چند برابر سريع‌تر از مريخنوردهاي نسل پيشين محيط اطرافش را به‌طور خودكار بپيمايد. اين توانايي بدين‌معني است كه مريخ‌نورد وقت بيشتري براي تمركز بر اهداف علمي اصلي‌اش دارد. بااين‌حال، پيمودن همان مقدار مسافتي كه تنبل، يكي از حيوانات كُند، مي‌تواند در مدت يك ساعت پوشش دهد، براي پرسويرنس يك روز كامل طول خواهد كشيد؛ اما مريخ‌نورد بعدي ناسا درمقايسه‌با نسل‌هاي پيشين خودرويي مسابقه‌اي است. توو مي‌گويد: «بيشترين مسافتي كه سطح‌نوردي مريخي تاكنون در يك روز پيموده، ۲۱۹ متر است. ما مي‌توانيم روزانه درحدود ۲۰۰ متر بپيماييم؛ درنتيجه به‌طور متوسط پرسويرنس ركورد كنوني سطح‌نوردهاي مريخي را مي‌گيرد يا مي‌شكند.»
مريخ‌نورد بعدي ناسا به‌لطف سخت‌افزار اختصاصي و الگوريتم‌هاي جديد بينايي ماشين، بسيار سريع خواهد بود
اينكه پرسويرنس آهسته فكر مي‌كند، تقصير او نيست؛ بلكه تابش‌ها مقصر پردازش كُند مغز مريخ‌نورد هستند. مريخ ميدان مغناطيسي يا جوّ غليظ ندارد تا سطح آن را از ذرات باردار در حال تابش از خورشيد محافظت كنند. اين ذرات كامپيوترها را خراب مي‌كنند و مي‌توانند موجب روشن و خاموش‌شدن ترانزيستورها شوند. انباشته‌شدن تعداد كافي از اين خطاها مي‌تواند كامپيوتر را از كار بيندازد و موجب ازدست‌رفتن داده‌هاي ارزشمند يا شكست كل مأموريت شود؛ درنتيجه، مهندسان در ناسا هرچه در توان دارند، انجام مي‌دهند تا از ابتدا جلوي وقوع خرابي‌ها را بگيرند.
براي ايمن‌سازي كامپيوتر دربرابر تابش‌ها، شيوه‌هاي فراواني وجود دارد. به‌عنوان مثال، مي‌توان ترانزيستورهايي اضافي افزود كه خاموش و روشن كردنشان دشوارتر باشد. مينال ساوانت، معمار سامانه‌هاي فضايي در شركت فناوري زايلينكس و سازنده‌ي تراشه‌ي بينايي ماشين براي پرسيورنس، مي‌گويد تراشه‌ي آن‌ها ازانديشه متخصصين طراحي دربرابر تابش‌ها مقاوم است. براساس آزمايش‌هاي احراز كيفيت شركت، تراشه نبايد سالانه بيش از دو خطاي تغيير وضعيت بيت را تجربه كند. در جريان اين خطا، ذرات باردار موجب مي‌شوند بيتي از اطلاعات ذخير‌ه‌شده در حافظه از يك به صفر يا برعكس تغيير كند.
به‌طور كلي، محافظت از پردازنده دربرابر تابش نيازمند قرباني‌كردن عملكرد آن است. اين امر تا حدي ناشي از طراحي پردازنده و تا حدي مرتبط با اين حقيقت است كه آزمايش ايمني قطعه‌اي دربرابر تابش صرفا زمان زيادي مي‌برد. وقتي كيفيت قطعه احراز شود، عملكرد تازه‌ترين پردازنده از مدل انتخاب‌شده پيشي گرفته است. مهندسان ناسا نمي‌خواهند از فناوري قديمي استفاده كنند؛ اما مي‌خواهند از فناوري‌اي بهره بگيرند كه مي‌دانند جواب مي‌دهد. نوع تراشه‌ي به‌كاررفته در پرسويرنس در چندين مأموريت فضايي پيشين پرواز كرده و عملكردش در طول نزديك به يك دهه اثبات شده است.
صنعت فضايي آمريكا به‌طور سنتي و البته منطقي بسيار ريسك‌گريز است. ساوانت مي‌گويد: «خطايي كوچك مي‌تواند موجب شكست كل مأموريت شود؛ درنتيجه، آن‌ها مي‌خواهند به‌جاي آزمودن فناوري تازه از قطعه‌اي استفاده كنند كه پيش‌تر در فضا بوده است. اطمينان‌پذيري شرط ضروري است.»
كامپيوتر بينايي ماشين زايلينكس الگوريتم‌هاي بينايي جديدي را اجرا خواهد كرد كه توو و متيس و همكارانشان در ناسا ساخته‌اند. پرسويرنس برخلاف خودروهاي خودران زميني، براي پردازش تصوير مجموعه‌اي لوكس از كامپيوترهاي قدرتمند را ندارد. انرژي و قدرت پردازش منابعي ارزشمند در سياره‌ي سرخ هستند؛ بدين‌معنا كه الگوريتم‌هاي به‌كاررفته در پرسويرنس براي ناوبري، بايد بدون قرباني‌كردن دقت تاحدممكن كم‌حجم و كارآمد باشند.
متيس معتقد است: «حتي اگر سخت‌افزار عالي باشد، الگوريتم‌ها هميشه اشتباه مي‌كنند. در بينايي كامپيوتري، داده‌هاي پرتي وجود دارد كه موجب مي‌شود الگوريتم اشتباه كند؛ ازاين‌رو، بايد اين احتمال را به‌شدت درانديشه متخصصين بگيريم.» داده‌هاي پرت ممكن است شامل موقعيتي باشد كه مريخ‌نورد نمي‌تواند جسمي را ببيند يا آن را با چيزي ديگر اشتباه مي‌گيرد. يكي از راهكارها براي اين اشكال، انتقال داده از ديگر حسگرها به سامانه‌ي ناوبري است تا مريخ‌نورد براي جابه‌جايي صرفا به بينايي تكيه نكند. به‌عنوان مثال، ژيروسكوپ‌ها و شتاب‌سنج‌ها در درك شيب و ناهمواري سطح به مريخ‌نورد كمك مي‌كنند.
راهكار ديگر قراردادن مريخ‌نورد درمعرض سناريوهاي هرچه‌بيشتر پيش از پرتاب است تا در‌اين‌صورت وقتي به مريخ مي‌رسد، با اتفاقي غيرمنتظره مواجه نشود. در آزمايشگاه پيش‌رانش جت ناسا، زمين بزرگي پوشيده از تخته‌سنگ‌ها و خاك قرمز در فضاي باز وجود دارد كه چشم‌اندازي مريخي را شبيه‌سازي مي‌كند. اين مكان حياط مريخي نام دارد و در چند سال گذشته به‌عنوان محيطي تمريني براي الگوريتم‌هايي به‌كاررفته است كه پرسويرنس را هدايت خواهند كرد. توو و همكارانش به‌طور منظم ماكتي از پرسويرنس را به حياط مريخي برده و عمدا سناريوهايي طراحي كرده‌اند كه به‌باورشان مريخ‌نورد را سردرگم خواهد كرد. به‌عنوان مثال، اگر مريخ‌نورد خود را به داخل بن‌بستي براند، مي‌تواند عقب‌نشيني و مسيري تازه را امتحان كند؟
مسيري كه پرسويرنس خواهد گشود، مي‌تواند به يافتن شواهدي از حيات فرازميني منتهي شود
توو مي‌گويد: «هرچه سامانه پيچيده‌تر باشد، انواع بيشتري از تصميم‌ها را مي‌توان گرفت. اطمينان از اين موضوع بسيار چالش‌برانگيز بوده است كه تمام سناريوهاي احتمالي را پوشش داده‌ايد كه ممكن است مريخ‌نورد با آن‌ها مواجه شود. بااين‌حال با انجام آزمايش‌هاي عملي فراوان نظير اين، جنبه‌هاي خاص رفتار الگوريتم را پيدا مي‌كنيم.»
براي چيدن تخته‌سنگ‌ها در جعبه‌ي شني بزرگ، راه‌هاي بسياري وجود دارد. اغلب آزمايش‌هاي الگوريتم‌هاي ناوبري پرسويرنس در شبيه‌سازي‌هاي مجازي انجام شد؛ جايي كه تيم مريخ‌نورد هر سناريو امكان‌پذيري را روي نرم‌افزار ربات ريخت تا به نحوه‌ي عملكرد آن در موقعيت‌هاي مختلف پي ببرد. اين كار همچنان عمدتا درهم‌آميختن سنگ‌هاي مجازي اطراف بود؛ اما براي طراحي انواع چشم‌اندازها و سناريوهايي احتمالي واقعا محدوديتي وجود نداشت. توو مي‌گويد اين آزمايش گسترده‌ي الگوريتم‌هاي بصري با ديگر داده‌هاي گرد‌آوري‌شده‌ي مريخ‌نورد به پرسويرنس امكان خواهد داد تا درمقايسه‌با ساير سطح‌نوردهاي مريخي، در زمين‌هاي ناهموار بسيار بيشتري ناوبري كند.
درپايان بايد اشاره كنيم حتي بي‌نقص‌ترين شبيه‌سازي‌ها هم به پاي شرايط واقعي نمي‌رسند. مريخ‌نورد پرخطرترين آزمونش را وقتي انجام خواهد داد كه فوريه‌ي سال آينده (بهمن يا اسفند ۱۳۹۹) روي سياره‌ي سرخ قدم بگذارد. اگر همه‌چيز به‌خوبي پيش برود، مسيري كه پرسويرنس خواهد گشود، مي‌تواند به يافتن شواهدي از حيات فرازميني منتهي شود.
ادامه دارد...
هم انديشي ها