De robotoperaties van NASA in de ruimte hebben lange tijd te maken gehad met een verrassende hindernis: dezelfde instrumenten die feilloos op aarde werken, falen vaak in de gewichtloosheid van een baan om de aarde. Het gaat hier niet om complexe storingen; het gaat over fundamentele natuurkunde. Zonder zwaartekracht hebben zelfs geavanceerde sensoren moeite om de oriëntatie te behouden, waardoor robots uit koers raken. Nu heeft een samenwerking met professor Pyojin Kim en zijn team van het Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) een oplossing opgeleverd – een die afhankelijk is van een virtuele replica van de ruimte zelf.
Het probleem met robots in de ruimte
Het Internationale Ruimtestation (ISS) is een geavanceerd laboratorium, maar het is ook een moeilijke omgeving voor robotica. Robots als Astrobee, ontworpen om klusjes te automatiseren en astronauten vrij te maken voor onderzoek, raken regelmatig hun oriëntatie kwijt. De afwezigheid van zwaartekracht betekent dat traditionele traagheidsnavigatiesystemen, die afhankelijk zijn van het waarnemen van de kanteling ten opzichte van de aantrekkingskracht van de aarde, onbetrouwbaar worden. Kleine foutjes stapelen zich op, wat leidt tot desoriëntatie en de noodzaak van menselijk ingrijpen – een kostbare verstoring als elke minuut gepland is.
Het kernprobleem is dat de meeste navigatie-algoritmen uitgaan van een zwaartekrachtreferentiepunt. In de ruimte vervalt deze veronderstelling, waardoor robots in wezen ‘verloren’ blijven in drie dimensies.
De digitale tweelingoplossing
Het team van professor Kim pakte dit aan door ‘digitale tweelingen’ te creëren: uiterst nauwkeurige 3D-modellen van het interieur van het ISS. Deze virtuele ruimtes zijn niet alleen statische blauwdrukken; het zijn opgeschoonde versies van de echte omgeving, ontdaan van rommel zoals drijvende apparatuur en kabels. De robot vergelijkt zijn realtime camerabeelden met dit ongerepte digitale model, filtert visuele ruis weg en herkalibreert zijn positie.
Deze benadering maakt gebruik van de ‘Manhattan World Assumption’, die stelt dat door de mens gemaakte omgevingen voornamelijk bestaan uit orthogonale oppervlakken (muren, vloeren, enz.). Door zich op deze structuren te vergrendelen, bepaalt de robot zijn positie met opmerkelijke nauwkeurigheid. Het team heeft de gemiddelde rotatiefout teruggebracht tot slechts 1,43 graden – een cijfer dat in de loop van de tijd stabiel blijft, waardoor menselijke correctie niet meer nodig is.
Voorbij het ISS: implicaties voor op aarde gebaseerde robotica
De implicaties reiken verder dan ruimteverkenning. Professor Kim merkt op dat deze technologie gemakkelijk kan worden aangepast aan binnenomgevingen op aarde waar GPS-signalen onbetrouwbaar zijn. Magazijnen, fabrieken en zelfs dichtbebouwde stedelijke gebieden zouden baat kunnen hebben bij een visueel navigatiesysteem dat niet afhankelijk is van externe referenties. De afhankelijkheid van structurele patronen maakt het ideaal voor gebouwen vol lijnen en vlakken.
NASA’s ecosysteem van innovatie
Het succes van dit project onderstreept de rol van NASA als stille motor van de commerciële ruimtevaartontwikkeling. Terwijl particuliere bedrijven als SpaceX de krantenkoppen halen, vormen de tientallen jaren aan opgebouwde expertise en talent van NASA de basis voor veel van de innovatie die vandaag de dag plaatsvindt. De bereidheid van het bureau om mislukkingen te omarmen, te investeren in langetermijnonderzoek en prioriteit te geven aan impact in de echte wereld, creëert een unieke omgeving voor doorbraken.
De reis van professor Kim van dronespecialist naar ruimterobotonderzoeker illustreert dit ecosysteem. Zijn stage bij NASA Ames Research Center, in combinatie met duurzame samenwerking, laat zien hoe het bureau talent koestert en interdisciplinaire innovatie bevordert.
Samenvattend gaat de doorbraak van de digitale tweeling van NASA niet alleen over het op koers houden van robots in de ruimte; het is een bewijs van de kracht van virtuele modellering, aanpassing aan de echte wereld en de langetermijnbetrokkenheid van het bureau om de grenzen van wat mogelijk is te verleggen. Deze technologie heeft het potentieel om robotica zowel op als buiten de aarde te transformeren.
