مریخ‌نورد استقامت چطور راهش را روی سیاره سرخ پیدا می‌کند؟

مدت تقریبا کوتاهی از فرود جدیدترین مریخ‌نورد ناسا روی سیاره سرخ می‌گذرد. استقامت یا پشتکار (Perseverance) اولین ماموریت بشر در سیاره سرخ در نوع خودش است. وظیفه آن جمع‌آوری و ذخیره نمونه‌های ژئولوژیکی است و سرانجام آن‌ها را به زمین بازمی‌گرداند. استقامت روزها را به گشت و گذار در دهانه جزرو (Jezero Crater)، یک دلتای باستانی در مریخ می‌گذراند و نمونه‌هایی که جمع می‌کند شاید حامل اولین شواهد حیات فرازمینی باشند. اما اول از همه باید آن‌ها را پیدا کند. برای این کار کامپیوترهای خیلی شگفت‌انگیزی لازم است، حداقل با استانداردهای مریخی!

استقامت به طور قابل توجهی از همه مریخ‌نوردهای قبلی ناسا خودگردان‌تر است و طوری طراحی شده که «فیلیپ توو» (Philip Twu)، مهندس سیستم‌های رباتیک آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL)، آن را یک «ماشین خودران روی مریخ» می‌نامد، دقیقا مثل ماشین‌های خودران روی زمین.

این مریخ‌نورد با استفاده از آرایه‌ای از سنسورها که داده‌ها را به الگوریتم بینایی ماشین می‌فرستند، حرکت می‌کند؛ اما برخلاف ماشین‌های خودران زمینی که به بهترین و گران‌ترین کامپیوترهای ممکن مجهز شده‌اند، کامپیوتر اصلی استقامت تقریبا به اندازه بهترین کامپیوترهای شخصی سریع است (البته آن‌ کامپیوترهایی که در سال ۱۹۹۷ داشتیم). تنها دلیلی که مغز زغالی استقامت می‌تواند از پس رانندگی خودکار بر بیاید این است که ناسا یک کامپیوتر دوم در آن کار گذاشته که شبیه به یک راننده رباتیک عمل می‌کند.

در مریخ‌نوردهای قبلی، نرم‌افزار مسیریابی باید منابع محدود پردازشی را با سیستم‌های دیگر شریک می‌شد. پس یک مریخ‌نورد برای اینکه از نقطه‌ای به نقطه دیگر برود، باید یک عکس می‌گرفت تا اطرافش را شناسایی کند، کمی به جلو می‌رفت، بعد برای چند دقیقه می‌ایستاد تا حرکت بعدی را محاسبه کند. اما از آنجا که استقامت می‌تواند بسیاری از پردازش‌های مسیریابی را با کامپیوتر مخصوصی انحام دهد، نیازی به رویکرد ایست-حرکت برای کاوش مریخ ندارد.

در عوض کامپیوتر اصلی محاسبه می‌کند این مریخ‌نورد چطور به نقطه موردنظر برسد و کامپیوتر بینایی هم مطمئن می‌شود ماشین در مسیر به هیچ سنگی برخورد نمی‌کند. توو می‌گوید: «ما به مرحله‌ای که ماشین بتواند همزمان براند و فکر کند نزدیک و نزدیک‌تر می‌شویم.»

قابلیت خودگردانی برای ماموریت کاوشگر استقامت حیاتی است. فاصله بین زمین و مریخ آنقدر زیاد است که سیگنال‌های رادیویی با سرعت نور برای سفری یک طرفه به ۲۲ دقیقه زمان نیاز دارند. این تاخیر زیاد، کنترل مریخ‌نورد در زمان واقعی را غیرممکن می‌کند و تقریبا یک ساعت انتظار برای رفت و برگشت سیگنال اصلا عملی نیست.

این مریخ‌نورد برنامه فشرده‌ای دارد: باید یک هلیکوپتر کوچک را برای تست پرواز رها کند، بعد به جمع‌آوری ده‌ها نمونه و یافت مکانی در سطح سیاره برای ذخیره آن‌ها بپردازد. یک ماموریت در آینده این ذخیره را به زمین برمی‌گرداند تا برای نشانه‌های حیات مطالعه شوند. اگر مریخ‌نورد بخواهد تمام این‌ها را در یک سالی که برای ماموریت اصلی‌اش در نظر گرفته شده انجام دهد، باید بتواند تصمیمات مسیریابی زیادی را به‌طور مستقل بگیرد.

ماشین‌های خودران زمینی معمولا از لیزر برای تعیین مکان اشیاء و فاصله آن‌ها استفاده می‌کنند؛ اما این سیستم‌های لیزری غول‌پیکر، پرمصرف و آسیب‌پذیر هستند. در عوض، استقامت از یک دید استریو و فاصله‌سنج تصویری استفاده می‌کند تا مکانش را روی سیاره سرخ پیدا کند. دید استریو دو تصویر را از یک دوربین در سمت چپ و یک دوربین در سمت راست ترکیب می‌کند تا یک تصویر سه بعدی از اطراف تولید کند. از طرف دیگر، فاصله‌سنج تصویری، تصاویر را در زمان‌های مختلف مقایسه می‌کند تا بفهمد مریخ‌نورد چه مقدار حرکت کرده است.

«لری متیس» (Larry Matthies)، دانشمند ارشد و سرپرست گروه دید کامپیوتری در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا می‌گوید: «ما به قابلیت اطمینان سیستم‌های لیزری برای ماموریت‌های فضایی خوش‌بین نبودیم. چند دهه قبل در JPL، وقتی هنوز رادارها به بلوغ فعلی نرسیده بودند، از دید استریو برای تشخیص سه بعدی استفاده کردیم و این سیستم به خوبی برای ما کار کرده است.»

متیس در ساخت سیستم‌های مسیریابی تصویری تمام مریخ‌نوردهایی که تا به حال به مریخ رفته‌اند، مشارکت داشته. به جز سوجورنر (Sojourner)، اولین مریخ‌نورد ناسا، همه کاوشگران متحرک از یک ترکیب دید استریو و فاصله‌سنج تصویری استفاده کرده‌اند. اما چیزی که استقامت را خاص می‌کند این است که این مریخ‌نورد از سخت‌افزار مخصوص این کار و مجموعه‌ای از الگوریتم‌های بینایی ماشین جدید استفاده می‌کند.

عینک دیجیتال جدید استقامت آن را قادر می‌سازد تا با سرعتی چند برابر پیشینیانش مسیریابی کند و در نتیجه زمان بیشتری برای تمرکز روی اهداف علمی اصلی‌اش داشته باشد. البته هنوز برای این مریخ‌نورد یک روز کامل طول می‌کشد تا مسافتی که یک تنبل در یک ساعت می‌رود را طی کند.

اما استقامت در برابر مریخ‌نوردهای قبلی ناسا یک ماشین مسابقه‌ای است. توو می‌گوید: «بیشترین مسافتی که یک مریخ‌نورد تا به حال در یک روز طی کرده، ۲۱۹ متر است. ما می‌توانیم حدود ۲۰۰ متر در روز حرکت کنیم، پس از لحاظ میانگین، استقامت یا به رکورد فعلی مریخ‌نوردها می‌رسد یا آن را می‌شکند.»

این تقصیر استقامت نیست که کند فکر می‌کند؛ تشعشعات را سرزنش کنید. مریخ میدان مغناطیسی یا اتمسفر غلیظی ندارد که آن را در برابر ذرات باردار خورشید حفاظت کند و این ذرات باردار برای کامپیوترها ویرانگر هستند. آن‌ها می‌توانند باعث شوند ترانزیستورها به طور ناخواسته روشن و خاموش شوند و اگر این خطاها جمع شوند، کامپیوتر کرش خواهد کرد. این احتمالا به معنی از دست رفتن داده‌های ارزشمند یا حتی شکست کل ماموریت است، پس مهندسان ناسا هر کاری می‌کنند که این کرش‌ها از همان اول اتفاق نیفتند.

تکنیک‌های فراوانی وجود دارد که یک کامپیوتر را نسبت به تشعشعات ایمن می‌کنند. برای مثال می‌توان ترانزیستورهایی اضافی به کار برد که خاموش و روشن کردن‌شان دشوارتر است، که این باعث می‌شود احتمال این اتفاق توسط یک یون سرگردان بسیار کم شود.

«مینال ساوانت» (Minal Sawant)، معمار سیستم‌های فضایی در زایلینکس (Xilinx)، کمپانی تکنولوژی کالیفرنیایی که چیپ بینایی ماشین استقامت را طراحی کرده و ساخته است، می‌گوید که طراحی چیپ نسبت به تشعشعات مقاوم شده. بر اساس آزمایش‌های مقاومتی که این کمپانی انجام داده، چیپ نباید بیشتر از دو خطا – که در آن یک یون باعث می‌شود یک بیت داده ذخیره شده در حافظه از یک به صفر تبدیل شود یا برعکس – در سال داشته باشد.

اما به طور کلی می‌توان گفت محافظت یک پردازنده در برابر تشعشعات به معنی فدا کردن عملکرد آن است. بخشی از این به خاطر طراحی پردازنده است و بخشی دیگر به دلیل این حقیقت که آزمایش اجزای سازنده پردازشگر زمان‌بر است. مهندسان ناسا نمی‌خواهند از تکنولوژی‌های قدیمی استفاده کنند؛ بلکه می‌خواهند از تکنولوژی‌هایی استفاده کنند که می‌دانند کار خواهند کرد. این مدل چیپ زایلینکس که استقامت استفاده می‌کند، در چندین ماموریت در گذشته به فضا فرستاده شده و تقریبا به اندازه یک دهه داده عملکرد آن در دسترس است.

ساوانت می‌گوید: «صنعت فضای آمریکا به طور سنتی بسیار ریسک‌گریز است و منطقی پشت این ریسک‌گریزی وجود دارد. یک خطای کوچک می‌تواند کل ماموریت را از مسیر خارج کند، پس آن‌ها ترجیح می‌دهند به جای تکنولوژی‌های جدید از اجزایی استفاده کنند که قبلا در فضا بوده است. قابلیت اطمینان کلید اصلی است!»

کامپیوتر بینایی ماشین زایلینکس، الگوریتم‌های بینایی جدیدی که توو، متیس و همکاران آن‌ها در ناسا توسعه داده‌اند را اجرا می‌کند. برخلاف ماشین‌های خودران روی زمین، استقامت برای پردازش تصویر از مجموعه‌ای از کامپیوترهای قدرتمند در صندوق عقب بهره نمی‌برد. انرژی و قدرت پردازش در سطح سیاره سرخ منابع گران‌بهایی هستند. یعنی الگوریتم‌هایی که استقامت برای مسیریابی به کار می‌برد باید تا جای ممکن سبک و کارا باشند، بدون این که از دقتشان کاسته شود.

متیس می‌گوید: «الگوریتم همیشه می‌تواند اشتباه کند، حتی اگر سخت‌افزار بدون نقص باشد. در بینایی کامپیوتر داده‌های پرتی وجود دارند که می‌توانند باعث اشتباه الگوریتم شوند. پس ما باید این امکان را از بین ببریم.»

داده‌های پرت می‌توانند شامل شرایطی باشند که مریخ‌نورد نمی‌تواند یک شیء را ببیند یا آن را با چیزی دیگر اشتباه می‌گیرد. یک راه حل این است که داده‌های سیستم مسیریابی از سنسورهای دیگر هم تامین شوند، در نتیجه مریخ‌نورد برای حرکت دیگر روی بینایی متکی نخواهد بود. برای مثال ژیروسکوپ‌ها و شتاب‌سنج‌ها برای درک شیب و برآمدگی‌های سطح به مریخ‌نورد کمک می‌کنند.

راه حل دیگر این است که پیش از اعزام ماموریت، الگوریتم را در معرض سناریوهای هرچه بیشتر قرار داد تا وقتی به مریخ رسید، چیزی غافلگیرش نکند. در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا در پاسادینا، یک زمین روباز وسیع وجود دارد که با تخته سنگ‌ها و خاک قرمز شبیه سطح مریخ درآمده است.

اینجا حیاط مریخ نام دارد و در سال‌های گذشته نقش زمین تمرین الگوریتم‌هایی را بازی کرده که استقامت را هدایت می‌کنند. توو و همکارانش به طور منظم یک کپی از این مریخ‌نورد را به حیاط مریخ می‌بردند و عمدا سناریوهایی ایجاد می‌کردند که به نظرشان می‌توانست مریخ‌نورد را گیج کند. برای مثال اگر مریخ‌نورد به یک بن‌بست می‌رسید، می‌توانست برگردد و مسیر جدیدی امتحان کند؟

توو می‌گوید: «هرچقدر سیستم پیچیده‌تر باشد، تصمیماتی که می‌تواند بگیرد بیشتر خواهد بود. اطمینان از اینکه تمام سناریوهای ممکن برای مریخ‌نورد را پوشش داده‌اید، کاری بسیار چالش‌برانگیز است. ولی با انجام تست‌های واقعی بسیار زیاد مانند این‌ها است که بدقلقی‌های الگوریتم را پیدا می‌کنیم.»

فقط مشکل اینجاست که راه‌های بسیار زیادی برای پخش کردن تخته‌سنگ‌ها در یک حیاط بزرگ وجود دارد. اکثر تست‌های الگوریتم‌های مسیریابی استقامت به وسیله شبیه‌سازی‌های مجازی اجرا شدند. در اینجا تیم مریخ‌نورد تمام سناریوهای قابل تصور را در برابر نرم‌افزار مریخ‌نورد قرار دادند تا بفهمند در آن شرایط چه عملکردی خواهد داشت.

باز هم حالت‌های بسیار زیادی برای سنگ‌ها وجود دارد، اما هیچ محدودیتی برای سطوح و سناریوهای قابل مدلسازی وجود ندارد. توو می‌گوید این تست‌های گسترده الگوریتم و ترکیبش با داده‌هایی که استقامت از سنسورها دریافت می‌کند به آن اجازه می‌دهد تا سطح‌هایی دشوارتر از هر چیزی که مریخ‌نوردهای قبلی در توان داشتند را پشت سر بگذارد.

اما حتی بی‌نقص‌ترین شبیه‌سازی‌ها هم در برابر چیزهای واقعی رنگ می‌بازند. اگر همه چیز خوب پیش برود، استقامت می‌تواند مسیر ما را به سمت شواهدی از زندگی فرازمینی در گذشته‌های دور باز کند.