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A procura de casas em Marte pode se tornar uma coisa em breve, e os pesquisadores da Universidade do Arizona já estão no ramo de exploração de imóveis que os futuros astronautas possam usar como habitats. Pesquisadores da Faculdade de Engenharia da UArizona desenvolveram tecnologia que permitiria a um bando de robôs explorar ambientes subterrâneos em outros mundos.
“Tubos de lava e cavernas seriam habitats perfeitos para os astronautas porque você não precisa construir uma estrutura; você está protegido da radiação cósmica prejudicial, então tudo que você precisa fazer é torná-lo bonito e aconchegante”, disse Wolfgang Fink, um associado professor de engenharia electrotécnica e de computadores na UArizona.
Fink é o principal autor de um novo artigo na Avanços na Pesquisa Espacial que detalha uma rede de comunicação que ligaria rovers, lake landers e até mesmo veículos submersíveis através de uma chamada rede de topologia de malha, permitindo que as máquinas trabalhassem juntas como uma equipe, independentemente da entrada humana. De acordo com Fink e seus co-autores, a abordagem pode ajudar a enfrentar um dos Grandes Desafios da Tecnologia Espacial da NASA, ajudando a superar a capacidade limitada da tecnologia atual de atravessar ambientes com segurança em cometas, asteróides, luas e corpos planetários. Em uma homenagem ao conto de fadas “Hansel and Gretel”, os pesquisadores batizaram seu conceito de patente pendente de paradigma “Rede de Comunicação Implantada Dinâmicamente em Estilo Breadcrumb”, ou DDCN.
Um conto de fadas inspira o futuro
“Se você se lembra do livro, sabe como Hansel e Gretel deixaram migalhas de pão para garantir que encontrariam o caminho de volta”, disse Fink, fundador e diretor do Laboratório de Pesquisa de Sistemas de Exploração Visual e Autônoma da Caltech e da UArizona. “Em nosso cenário, as ‘migalhas de pão’ são sensores miniaturizados que pegam carona nos rovers, que implantam os sensores enquanto atravessam uma caverna ou outro ambiente subterrâneo.”
Monitorando continuamente seu ambiente e mantendo a consciência de onde estão no espaço, os rovers operam por conta própria, conectados uns aos outros por meio de uma conexão de dados sem fio, implantando nós de comunicação ao longo do caminho. Uma vez que um rover detecta que o sinal está diminuindo, mas ainda dentro do alcance, ele descarta um nó de comunicação, independentemente de quanta distância realmente passou desde que colocou o último nó.
“Um dos novos aspectos é o que chamamos de implantação oportunista – a ideia de que você implanta a ‘migalha de pão’ quando precisa e não de acordo com um cronograma previamente planejado”, disse Fink.
Durante todo o tempo, não há necessidade de entrada do rover mãe; cada rover subordinado fará essa determinação por conta própria, acrescentou Fink. O sistema pode funcionar de duas maneiras, explicou Fink. Em um deles, o rover mãe atua como um receptor passivo, coletando dados transmitidos pelos rovers que fazem a exploração. No outro, a mãe rover atua como orquestradora, controlando os movimentos dos rovers como um mestre de marionetes.
As máquinas assumem o controle
O novo conceito se encaixa no paradigma de reconhecimento escalável desenvolvido por Fink e seus colegas no início dos anos 2000. Essa ideia prevê uma equipe de robôs operando em diferentes níveis de comando – por exemplo, um orbitador controlando um dirigível, que por sua vez controla um ou mais veículos de pouso ou rovers no solo. As missões espaciais já abraçaram este conceito, várias com a participação de investigadores da UArizona. Por exemplo, em Marte, o rover Perseverance está comandando o Ingenuity, um helicóptero robótico. Um conceito para outra missão, que acabou não sendo selecionado para financiamento, propunha o envio de um orbitador carregando um balão e um lago para estudar um dos mares de hidrocarbonetos na lua de Saturno, Titã. A abordagem breadcrumb leva a ideia um passo adiante, fornecendo uma plataforma robusta que permite aos exploradores robóticos operar no subsolo ou mesmo submersos em ambientes líquidos. Esses enxames de robôs autônomos individuais também podem ajudar nos esforços de busca e resgate após desastres naturais na Terra, disse Fink.
Fink disse que o maior desafio, além de colocar os rovers dentro do ambiente subterrâneo em primeiro lugar, é recuperar os dados que eles registram no subsolo e trazê-los de volta à superfície. O conceito DDCN permite que uma equipe de rovers navegue até mesmo em ambientes subterrâneos complicados sem nunca perder contato com seu “rover mãe” na superfície. Equipados com um sistema de detecção e alcance de luz, ou lidar, eles podem até mapear passagens de cavernas em todas as três dimensões, não muito diferente dos drones que podem ser vistos explorando uma espaçonave alienígena no filme “Prometheus”.
“Uma vez implantados, nossos sensores estabelecem automaticamente uma rede de malha não direcionada, o que significa que cada nó se atualiza sobre cada nó ao seu redor”, disse Fink, que detalhou pela primeira vez o conceito DDCN em uma proposta à NASA em 2019.
“Eles podem alternar entre si e compensar pontos mortos e apagões de sinal”, acrescentou Mark Tarbell, coautor do artigo e cientista sênior de pesquisa no laboratório de Fink. “Se alguns deles morrerem, ainda haverá conectividade através dos nós restantes, para que o rover mãe nunca perca a conexão com o nó mais distante da rede”.
Missão sem volta
A robusta rede de nós de comunicação garante que todos os dados coletados pelos exploradores robóticos cheguem ao veículo-mãe na superfície. Portanto, não há necessidade de recuperar os robôs depois de terem feito seu trabalho, disse Fink, que publicou a ideia de usar grupos de sondas de superfície robótica móveis descartáveis já em 2014.
“Eles são projetados para serem dispensáveis”, disse ele. “Em vez de desperdiçar recursos para colocá-los na caverna e sair, faz mais sentido que eles vão o mais longe possível e os deixem para trás depois de cumprirem sua missão, ficarem sem energia ou sucumbirem a um ambiente hostil. .”
“A abordagem da rede de comunicação introduzida neste novo artigo tem o potencial de anunciar uma nova era de descobertas planetárias e astrobiológicas”, disse Dirk Schulze-Makuch, presidente da Sociedade Astrobiológica Alemã e autor de muitas publicações sobre vida extraterrestre. “Ele finalmente nos permite explorar as cavernas de tubos de lava marcianos e os oceanos subterrâneos das luas geladas – lugares onde a vida extraterrestre pode estar presente”.
O conceito proposto “tem magia”, de acordo com Victor Baker, professor de Hidrologia e Ciências Atmosféricas, Geociências e Ciências Planetárias da UArizona. ou lugar e os meios de comunicar o que é assim descoberto para mentes criativas que buscam compreensão”, disse Baker.
Explorando mundos oceânicos ocultos
Em lugares que exigem robôs submersíveis, o sistema pode consistir em um módulo de pouso – flutuando em um lago, como pode ser o caso de Titã, ou sentado no gelo sobre um oceano subterrâneo como em Europa – conectado ao submarino, por exemplo através de um longo cabo. Aqui, os nós de comunicação atuariam como repetidores, aumentando o sinal em intervalos regulares para evitar sua degradação. É importante ressaltar que Fink apontou que os nós têm a capacidade de coletar dados por conta própria – por exemplo, medir pressão, salinidade, temperatura e outros parâmetros químicos e físicos – e inserir os dados no cabo que conecta de volta ao módulo de pouso.
“Imagine que você vai até a Europa, você derrete seu caminho através de quilômetros de gelo, desce até o oceano subterrâneo, onde você se encontra cercado por vida alienígena, mas você não tem como obter dados de volta à superfície, ” ele disse. “Esse é o cenário que precisamos evitar.”
Tendo desenvolvido os rovers e a tecnologia de comunicação, o grupo de Fink agora está trabalhando na construção do mecanismo real pelo qual os rovers implantariam os nós de comunicação.
“Basicamente, vamos ensinar nossos ‘Hansels’ e ‘Gretels’ como descartar as migalhas de pão para que eles se somem a uma rede de comunicação em malha funcional”, disse Fink.
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