面包屑技巧激发了火星及其他地区洞穴的机器人探索系统

在火星上寻找房屋可能很快就会成为一种事情，亚利桑那大学的研究人员已经在探索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;你免受有害的宇宙辐射，所以你需要做的就是让它变得漂亮和舒适，“UArizona电气和计算机工程副教授Wolfgang Fink说。

芬克是《空间研究进展》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车，湖泊着陆器甚至潜水器，允许机器作为一个团队一起工作，独立于人类输入。根据芬克和他的合著者的说法，这种方法可以帮助解决美国宇航局的空间技术重大挑战之一，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。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是如何扔掉面包屑以确保他们能找到回来的路，”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芬克说。“在我们的场景中，'面包屑'是搭载在漫游车上的微型传感器，在穿越洞穴或其他地下环境时部署传感器。

持续监控他们的环境并保持对他们在太空中的位置的感知，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。一旦漫游车检测到信号正在减弱但仍在范围内，它就会丢弃一个通信节点，无论自放置最后一个节点以来实际经过了多远。

“其中一个新方面是我们所说的机会主义部署 - 当你必须部署而不是按照先前计划的时间表时部署'面包屑'的想法，”芬克说。

自始至终，都不需要母漫游车的输入;芬克补充说，每个从属漫游车都会自己做出决定。该系统可以通过两种方式之一工作，芬克解释说。其中，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。在另一个中，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

这个新概念与芬克及其同事在2000年代初设计的分层可扩展侦察范式相吻合。这个想法设想了一组在不同指挥级别运行的机器人 - 例如，控制飞艇的轨道器，飞艇又控制地面上的一个或多个着陆器或漫游车。太空任务已经接受了这一概念，其中一些有UArizona研究人员的参与。例如，在火星上，毅力号火星车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，提议派遣一个携带气球和湖泊着陆器的轨道飞行器来研究土星卫星泰坦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，允许机器人探索者在地下甚至淹没在液体环境中操作，从而进一步推动了这一想法。芬克说，这种成群的个人自主机器人也可以在地球上发生自然灾害后协助搜救工作。

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记录在地下的数据并将其带回地面。DDCN概念允许一组漫游车在复杂的地下环境中导航，而不会与地面上的“母漫游车”失去联系。配备光探测和测距系统或激光雷达，他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”中可以看到探索外星飞船的无人机没有什么不同。

“一旦部署，我们的传感器会自动建立一个非定向网状网络，这意味着每个节点都会更新周围的每个节点，”芬克说，他在2019年向NASA提交的提案中首次详细介绍了DDCN概念。

“它们可以相互切换，补偿死点和信号中断，”Fink实验室的论文合著者和高级研究科学家Mark Tarbell补充道。“如果其中一些死亡，仍然通过剩余节点进行连接，因此母漫游车永远不会失去与网络中最远节点的连接。

不归路

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返回到地面上的母漫游车。因此，一旦机器人完成工作，就没有必要取回它们，芬克说，他早在2014年就发表了使用消耗性移动机器人表面探测器组的想法。

“它们被设计成可消耗的，”他说。“与其浪费资源让他们进入洞穴并返回，不如让他们尽可能走得更远，一旦他们完成任务，耗尽权力或屈服于敌对环境，就把他们抛在后面。

“这篇新论文中引入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Dirk Schulze-Makuch说，他是许多关于外星生命的出版物的作者。“它最终使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。

拟议的概念“具有魔力”，根据UArizona水文学和大气科学，地球科学和行星科学教授Victor Baker的说法。贝克说：“当技术进步既提供了对事物或地点的首次访问，又提供了将由此发现的内容传达给寻求理解的创造性思维的手段时，科学中最惊人的发现就会出现。

探索隐藏的海洋世界

在需要潜水机器人的地方，该系统可以由一个着陆器组成——要么漂浮在湖上，就像在泰坦上一样，要么像欧罗巴一样坐在地下海洋顶部的冰上——它连接到潜艇，例如通过一根长电缆。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回着陆器的电缆中。

“想象一下，你一路到达木卫二，你融化了数英里的冰层，到达地下海洋，在那里你发现自己被外星生命包围，但你没有办法将数据带回地表，”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。

“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有效的网状通信网络，”芬克说。

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