PIXL, белый инструмент слева вверху, является одним из нескольких научных инструментов, расположенных на конце роботизированной руки на борту марсохода Perseverance NASA. Левая навигационная камера марсохода сделала снимки, которые составляют эту композицию, 2 марта 2021 года. Кредит: NASA/JPL-Caltech
Некоторые ученые мечтают исследовать планеты с помощью «умных» космических аппаратов, которые точно знают, какие данные искать, где их найти и как их анализировать. Хотя воплощение этой мечты в реальность займет время, успехи, достигнутые с марсоходом NASA Perseverance, предлагают многообещающие шаги в этом направлении.
Почти три года миссия марсохода тестировала форму искусственного интеллекта, которая ищет минералы в породах Красной планеты. Это первый случай использования ИИ на Марсе для принятия автономных решений на основе анализа состава пород в реальном времени.
Программное обеспечение поддерживает PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry), спектрометр, разработанный Лабораторией реактивного движения NASA в Южной Калифорнии. Картографируя химический состав минералов на поверхности породы, PIXL позволяет ученым определить, образовалась ли порода в условиях, которые могли бы поддерживать микробную жизнь в древнем прошлом Марса.
Названное «адаптивным отбором проб», программное обеспечение автономно размещает инструмент вблизи целевого камня, а затем просматривает сканы цели PIXL, чтобы найти минералы, которые стоит изучить более глубоко. Все это делается в реальном времени, без общения марсохода с диспетчерами миссии на Земле.
«Мы используем искусственный интеллект PIXL, чтобы сосредоточиться на ключевой науке», — сказала главный исследователь инструмента Эбигейл Оллвуд из JPL. «Без него вы бы увидели намек на что-то интересное в данных, а затем пришлось бы повторно сканировать породу, чтобы изучить ее более подробно. Это позволяет PIXL прийти к выводу без людей, изучающих данные».
Данные с приборов Perseverance, включая PIXL, помогают ученым определить, когда следует бурить керн породы и помещать его в титановую металлическую трубку, чтобы его вместе с другими высокоприоритетными образцами можно было доставить на Землю для дальнейшего изучения в рамках программы NASA по возврату образцов с Марса.
Адаптивный отбор проб — не единственное применение ИИ на Марсе. Примерно в 2300 милях (3700 километрах) от Perseverance находится Curiosity от NASA, который стал пионером в области ИИ, позволяющего марсоходу автономно поражать камни лазером в зависимости от их формы и цвета.
Изучение газа, который сгорает после каждого лазерного удара, позволяет узнать химический состав камня. Perseverance обладает той же способностью, а также более продвинутой формой ИИ, которая позволяет ему перемещаться без конкретных указаний с Земли. Оба марсохода по-прежнему полагаются на десятки инженеров и ученых для планирования ежедневного набора из сотен отдельных команд, но эти цифровые интеллекты помогают обеим миссиям делать больше за меньшее время.
«Идея адаптивной выборки PIXL заключается в том, чтобы помочь ученым найти иголку в стоге сена данных, освободив время и энергию для того, чтобы сосредоточиться на других вещах», — сказал Питер Лоусон, который руководил внедрением адаптивной выборки до ухода из JPL. «В конечном итоге это помогает нам быстрее собирать лучшие научные данные».
Использование ИИ для позиционирования PIXL
ИИ помогает PIXL двумя способами. Во-первых, он позиционирует инструмент точно так, как только он оказывается вблизи каменной цели. Спектрометр, расположенный на конце роботизированной руки Perseverance, установлен на шести крошечных роботизированных ногах, называемых гексаподами. Камера PIXL многократно проверяет расстояние между инструментом и каменной целью, чтобы помочь с позиционированием.
Температурные колебания на Марсе настолько велики, что рука Perseverance будет расширяться или сжиматься на микроскопическую величину, что может сбить прицел PIXL. Гексапод автоматически регулирует инструмент, чтобы он находился исключительно близко, не соприкасаясь с камнем.
«Нам приходится вносить коррективы в шкалу микрометров, чтобы получить необходимую точность», — сказал Оллвуд. «Он подходит к камню настолько близко, что у инженера волосы на затылке встают дыбом».
Это изображение каменной цели под названием «Пик грома» было создано марсоходом NASA Perseverance с помощью PIXL, который определяет минеральный состав горных пород, облучая их рентгеновскими лучами. Каждая синяя точка на изображении представляет собой место, куда попал рентгеновский луч. NASA/JPL-Caltech/DTU/QUT
Составление карты минералов
Как только PIXL оказывается на месте, другая система ИИ получает шанс проявить себя. PIXL сканирует область камня размером с почтовую марку, испуская рентгеновский луч тысячи раз, чтобы создать сетку микроскопических точек. Каждая точка раскрывает информацию о химическом составе присутствующих минералов.
Минералы имеют решающее значение для ответа на ключевые вопросы о Марсе. В зависимости от породы ученые могут охотиться за карбонатами, которые скрывают подсказки о том, как вода могла сформировать породу, или они могут искать фосфаты, которые могли бы обеспечить питательными веществами микробов, если таковые присутствовали в прошлом Марса.
Ученые не могут заранее знать, какой из сотен рентгеновских импульсов выявит тот или иной минерал, но когда прибор находит определенные минералы, он может автоматически остановиться, чтобы собрать больше данных — действие, называемое «длительной выдержкой». По мере того, как система совершенствуется с помощью машинного обучения, список минералов, на которых PIXL может сфокусироваться с длительной выдержкой, растет.
«PIXL — это своего рода швейцарский армейский нож, поскольку его можно настраивать в зависимости от того, что ищут ученые в данный момент времени», — сказал Дэвид Томпсон из JPL, который помогал разрабатывать программное обеспечение. «Марс — отличное место для тестирования ИИ, поскольку у нас есть регулярные ежедневные коммуникации, что дает нам возможность вносить коррективы по ходу дела».
Когда будущие миссии будут продвигаться глубже в солнечную систему, они будут вне связи дольше, чем нынешние миссии на Марсе. Вот почему существует большой интерес к разработке большей автономности для миссий, поскольку они странствуют и проводят научные исследования на благо человечества.
