Robotyczne operacje NASA w przestrzeni kosmicznej od dawna napotykają nieoczekiwaną przeszkodę: instrumenty, które działają bezbłędnie na Ziemi, często zawodzą w warunkach zerowej grawitacji na orbicie. Nie chodzi tu o skomplikowane rozkłady, ale o fundamentalną fizykę. Bez grawitacji nawet zaawansowane czujniki mają trudności z utrzymaniem orientacji, co powoduje, że roboty zbaczają z kursu. Teraz, dzięki współpracy z profesorem Pyojinem Kimem i jego zespołem z Instytutu Nauki i Technologii w Gwangju (GIST), znaleziono rozwiązanie – oparte na wirtualnej kopii samego kosmosu.
Problem z robotami w kosmosie
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) to złożone laboratorium, ale także trudne miejsce dla robotyki. Roboty takie jak Astrobee, zaprojektowane w celu automatyzacji rutynowych zadań i umożliwienia astronautom eksploracji, często tracą orientację. Brak grawitacji powoduje, że tradycyjne systemy nawigacji inercyjnej, które opierają się na określaniu nachylenia w stosunku do grawitacji Ziemi, stają się zawodne. Małe błędy kumulują się, prowadząc do zamieszania i konieczności interwencji człowieka – co jest kosztownym zakłóceniem, gdy zaplanowana jest każda minuta.
Głównym problemem jest to, że większość algorytmów nawigacyjnych zakłada obecność odniesienia grawitacyjnego. W kosmosie to założenie nie sprawdza się, pozostawiając roboty zasadniczo „zagubione” w trzech wymiarach.
Rozwiązanie z cyfrowymi bliźniakami
Zespół profesora Kima rozwiązał ten problem, tworząc „cyfrowe bliźniaki” – bardzo dokładne modele 3D wnętrza ISS. Te wirtualne przestrzenie to nie tylko statyczne plany; są to uproszczone wersje rzeczywistego środowiska, oczyszczone z bałaganu, takiego jak pływające przedmioty i kable. Robot porównuje dane z kamery w czasie rzeczywistym z tym doskonałym modelem cyfrowym, odfiltrowując szumy wizualne i ponownie kalibrując swoje położenie.
Podejście to wykorzystuje założenie Manhattan World, które stwierdza, że środowiska zabudowane składają się głównie z ortogonalnych powierzchni (ścian, podłóg itp.). Po namierzeniu tych struktur robot trianguluje swoją pozycję z niezwykłą dokładnością. Zespół zredukował średni błąd kątowy do zaledwie 1,43 stopnia, a wartość ta pozostaje stabilna w czasie, eliminując potrzebę interwencji człowieka.
Wykraczanie poza ISS: implikacje dla robotyki naziemnej
Konsekwencje wykraczają poza eksplorację kosmosu. Profesor Kim zauważa, że technologię tę można łatwo dostosować do środowisk wewnętrznych na Ziemi, gdzie sygnały GPS są zawodne. Magazyny, fabryki, a nawet gęsto zaludnione obszary miejskie mogą skorzystać z systemu nawigacji wizualnej niezależnej od zewnętrznych punktów orientacyjnych. Oparcie się na wzorach konstrukcyjnych sprawia, że idealnie nadaje się do budynków wypełnionych liniami i płaszczyznami.
Ekosystem innowacji NASA
Sukces tego projektu podkreśla rolę NASA jako cichej siły napędowej rozwoju przestrzeni komercyjnej. Podczas gdy prywatne firmy, takie jak SpaceX, przyciągają uwagę, zgromadzone przez dziesięciolecia doświadczenia i talentu NASA stanowią podstawę większości współczesnych innowacji. Gotowość agencji do pogodzenia się z porażką, inwestowania w długoterminowe badania i priorytetowego traktowania rzeczywistego wpływu tworzy wyjątkowe środowisko dla przełomów.
Droga profesora Kima od specjalisty od dronów do badacza robotyki kosmicznej ilustruje ten ekosystem. Jego staż w NASA Ames Research Center, w połączeniu z ciągłą współpracą, pokazuje, w jaki sposób agencja rozwija talenty i wspiera interdyscyplinarne innowacje.
Podsumowując Przełom w cyfrowym bliźniaku NASA nie polega tylko na utrzymywaniu robotów w orientacji w przestrzeni kosmicznej; to świadectwo siły wirtualnej symulacji, adaptacji do świata rzeczywistego i długoterminowego zaangażowania agencji w przesuwanie granic tego, co możliwe. Technologia ta ma potencjał do transformacji robotyki zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie.
