راز گیر کردن مریخنوردهای رباتیک فاش شد
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، وقتی یک وسیله نقلیه فرازمینی چند میلیون دلاری در شن یا ماسه نرم گیر می‌کند - همانطور که مریخ‌نورد اسپیریت در سال ۲۰۰۹ گیر کرد - مهندسان زمینی مانند یک یدک‌کش مجازی کنترل را به دست می‌گیرند و مجموعه‌ای از دستورات را صادر می‌کنند که چرخ‌های آن را حرکت می‌دهد یا مسیر آن را در یک تلاش ظریف و وقت‌گیر معکوس می‌کند تا آن را آزاد کند و به ماموریت اکتشافی خود ادامه دهد.
در حالی که اسپیریت برای همیشه در آنجا گیر افتاده بود، در آینده، آزمایش‌های بهتر روی زمین، همین‌جا روی زمین سفت، می‌تواند به جلوگیری از این بحران‌های آسمانی کمک کند.
مهندسان مکانیک دانشگاه ویسکانسین-مدیسون با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، نقصی را در نحوه آزمایش مریخ‌نورد‌ها روی زمین کشف کرده‌اند. این خطا منجر به نتیجه‌گیری‌های بیش از حد خوش‌بینانه در مورد نحوه رفتار مریخ‌نورد‌ها پس از استقرار در ماموریت‌های فرازمینی می‌شود.
یک عنصر مهم در آماده‌سازی برای این ماموریت‌ها، درک دقیق از چگونگی پیمایش سطوح فرازمینی توسط یک مریخ‌نورد در گرانش کم است تا از گیر افتادن آن در زمین‌های نرم یا مناطق سنگی جلوگیری شود.
در ماه، نیروی جاذبه شش برابر ضعیف‌تر از زمین است. برای دهه‌ها، محققانی که مریخ‌نورد‌ها را آزمایش می‌کردند، با ایجاد نمونه اولیه‌ای که یک ششم جرم مریخ‌نورد واقعی است، این تفاوت در جاذبه را در نظر گرفته‌اند. آنها این مریخنوردهای سبک را در بیابان‌ها آزمایش می‌کنند و نحوه حرکت آن را روی شن و ماسه مشاهده می‌کنند تا به بینشی در مورد عملکرد آن در ماه دست یابند.
با این حال، معلوم شد که این رویکرد آزمایش استاندارد، یک جزئیات به ظاهر بی‌اهمیت را نادیده گرفته است: کشش گرانش زمین بر روی شن‌های بیابان.
دن نگروت، استاد مهندسی مکانیک در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون، و همکارانش از طریق شبیه‌سازی مشخص کردند که گرانش زمین، شن و ماسه را بسیار قوی‌تر از گرانش مریخ یا ماه به سمت پایین می‌کشد. در زمین، شن و ماسه سفت‌تر و حمایت‌کننده‌تر است - که احتمال جابجایی آن زیر چرخ‌های وسیله نقلیه را کاهش می‌دهد. اما سطح ماه "پرزدارتر" است و بنابراین راحت‌تر جابجا می‌شود - به این معنی که مریخ‌نورد‌ها کشش کمتری دارند که می‌تواند مانع تحرک آنها شود.
نگروت می‌گوید: «با نگاهی به گذشته، ایده ساده است: ما باید نه تنها نیروی جاذبه روی مریخ‌نورد، بلکه تأثیر جاذبه روی شن را نیز در نظر بگیریم تا تصویر بهتری از عملکرد مریخ‌نورد روی ماه داشته باشیم. یافته‌های ما بر ارزش استفاده از شبیه‌سازی مبتنی بر فیزیک برای تجزیه و تحلیل حرکت مریخ‌نورد روی خاک دانه‌ای تأکید می‌کند.»
این تیم اخیراً یافته‌های خود را در مجله‌ی Field Robotics به تفصیل شرح داده است.
این کشف محققان حاصل کار آنها بر روی یک پروژه با بودجه ناسا برای شبیه‌سازی مریخ‌نورد VIPER بود که برای یک ماموریت قمری برنامه‌ریزی شده بود. این تیم از پروژه Chrono، یک موتور شبیه‌سازی فیزیک متن‌باز که در UW-Madison با همکاری دانشمندانی از ایتالیا توسعه داده شده است، استفاده کردند. این نرم‌افزار به محققان اجازه می‌دهد تا سیستم‌های مکانیکی پیچیده - مانند مریخنوردهای بزرگ که روی سطوح شنی یا خاکی "نرم" کار می‌کنند - را به سرعت و با دقت مدل‌سازی کنند.
آنها هنگام شبیه‌سازی مریخ‌نورد VIPER، متوجه اختلافاتی بین نتایج آزمایش‌های زمینی و شبیه‌سازی‌های خود از حرکت مریخ‌نورد روی ماه شدند. کاوش عمیق‌تر با شبیه‌سازی‌های Chrono، نقص آزمایش را آشکار کرد.
مزایای این تحقیق همچنین فراتر از ناسا و سفر‌های فضایی است. برای کاربرد‌های روی زمین، صد‌ها سازمان از کرونو برای درک بهتر سیستم‌های مکانیکی پیچیده استفاده کرده‌اند - از ساعت‌های مکانیکی دقیق گرفته تا کامیون‌ها و تانک‌های ارتش ایالات متحده که در شرایط خارج از جاده کار می‌کنند.
نگروت می‌گوید: «این مایه‌ی خرسندی است که تحقیقات ما در کمک به حل بسیاری از چالش‌های مهندسی در دنیای واقعی بسیار مرتبط است. من به آنچه انجام داده‌ایم افتخار می‌کنم. به عنوان یک آزمایشگاه دانشگاهی، ارائه نرم‌افزاری با قدرت صنعتی که توسط ناسا استفاده می‌شود، بسیار دشوار است.»
کرونو رایگان و برای استفاده‌ی عمومی و بدون محدودیت در سراسر جهان در دسترس است، اما تیم دانشگاه ویسکانسین-مدیسون تلاش‌های مداوم و قابل توجهی را برای توسعه و نگهداری نرم‌افزار و ارائه پشتیبانی به کاربران انجام می‌دهد.
نگروت می‌گوید: «تولید یک محصول نرم‌افزاری در این سطح در دانشگاه بسیار غیرمعمول است. انواع خاصی از برنامه‌های کاربردی مرتبط با ناسا و اکتشافات سیاره‌ای وجود دارند که شبیه‌ساز ما می‌تواند مسائلی را حل کند که هیچ ابزار دیگری قادر به حل آنها نیست، از جمله شبیه‌ساز‌های شرکت‌های بزرگ فناوری، و این هیجان‌انگیز است.»
از آنجایی که کرونو متن‌باز است، نگروت و تیمش بر نوآوری و ارتقای مداوم نرم‌افزار برای حفظ جایگاه خود تمرکز دارند.
او می‌گوید: «تمام ایده‌های ما در حوزه عمومی هستند و رقابت می‌تواند به سرعت آنها را اتخاذ کند، که این ما را به حرکت رو به جلو سوق می‌دهد. ما در طول دهه گذشته خوش شانس بوده‌ایم که از NSF، دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده و ناسا حمایت دریافت کرده‌ایم.»
نویسندگان همکار این مقاله عبارتند از وی هو از دانشگاه شانگهای جیائو تونگ، پی لی از دانشگاه ویسکانسین-مدیسون، آرنو روگ و الکساندر شپلمن از ناسا، ساموئل چندلر از شرکت پروتواینوویشنز، ال‌ال‌سی، و کن کامرین از دانشگاه‌ام‌آی‌تی.