Роботизированные операции NASA в космосе давно сталкиваются с неожиданным препятствием: инструменты, безупречно работающие на Земле, часто дают сбой в условиях невесомости на орбите. Дело не в сложных поломках, а в фундаментальной физике. Без гравитации даже передовые датчики с трудом удерживают ориентацию, из-за чего роботы сбиваются с курса. Теперь, благодаря сотрудничеству с профессором Пёджином Кимом и его командой из Института науки и технологий Кванджу (GIST), найдено решение — основанное на виртуальной копии самого космоса.
Проблема с роботами в космосе
Международная космическая станция (МКС) — это сложная лаборатория, но в то же время суровое место для робототехники. Роботы, такие как Astrobee, разработанные для автоматизации рутинных задач и освобождения астронавтов для исследований, часто теряют ориентацию. Отсутствие гравитации означает, что традиционные инерциальные навигационные системы, полагающиеся на определение наклона относительно земного притяжения, становятся ненадежными. Незначительные ошибки накапливаются, приводя к дезориентации и необходимости вмешательства человека — дорогостоящей помехе, когда каждая минута расписана.
Основная проблема заключается в том, что большинство навигационных алгоритмов предполагают наличие гравитационного ориентира. В космосе это предположение не работает, оставляя роботов, по сути, «заблудшими» в трех измерениях.
Решение с помощью цифровых двойников
Команда профессора Кима решила эту проблему, создав «цифровые двойники» — высокоточные 3D-модели интерьера МКС. Эти виртуальные пространства — не просто статические чертежи; это упрощенные версии реальной среды, очищенные от беспорядка, такого как плавающие предметы и кабели. Робот сопоставляет свои данные с камер в реальном времени с этой безупречной цифровой моделью, отфильтровывая визуальный шум и перекалибруя свое положение.
Этот подход использует «Предположение мира Манхэттена», которое гласит, что искусственные среды состоят в основном из ортогональных поверхностей (стен, полов и т. д.). Зафиксировавшись на этих структурах, робот триангулирует свою позицию с замечательной точностью. Команда сократила среднюю угловую ошибку всего до 1,43 градуса — показатель, который остается стабильным с течением времени, устраняя необходимость вмешательства человека.
Выход за пределы МКС: последствия для наземной робототехники
Последствия простираются за пределы космических исследований. Профессор Ким отмечает, что эта технология легко адаптируется к помещениям на Земле, где сигналы GPS ненадежны. Складские помещения, фабрики и даже густонаселенные городские районы могут извлечь выгоду из визуальной навигационной системы, которая не зависит от внешних ориентиров. Опора на структурные закономерности делает ее идеальной для зданий, заполненных линиями и плоскостями.
Экосистема инноваций NASA
Успех этого проекта подчеркивает роль NASA как незаметного двигателя коммерческого развития космоса. В то время как частные компании, такие как SpaceX, привлекают внимание, многолетний накопленный опыт и таланты NASA обеспечивают основу для многих инноваций, происходящих сегодня. Готовность агентства принимать неудачи, инвестировать в долгосрочные исследования и отдавать приоритет реальному воздействию создает уникальную среду для прорывов.
Путь профессора Кима от специалиста по дронам до исследователя космической робототехники иллюстрирует эту экосистему. Его стажировка в Исследовательском центре NASA Ames в сочетании с постоянным сотрудничеством демонстрирует, как агентство развивает таланты и способствует междисциплинарным инновациям.
В заключение, прорыв NASA в области цифровых двойников — это не только поддержание ориентации роботов в космосе; это свидетельство мощи виртуального моделирования, адаптации к реальному миру и долгосрочной приверженности агентства к расширению границ возможного. Эта технология может трансформировать робототехнику как на Земле, так и в космосе.
