Jak zbadać, co kryje się pod powierzchnią innych planet?

Powierzchnia obcych planet może skrywać przeszkody, których nie widać na pierwszy rzut oka. Naukowcy opracowali metodę wykorzystującą analizę drgań i sztuczną inteligencję, która pozwala określić, jak głęboko pod gruntem znajdują się zakopane skały. W przyszłości rozwiązanie może pomóc robotom podczas eksploracji innych światów.

Jak zbadać to, co kryje się pod powierzchnią obcej planety?

Zdaniem astronomów, w przyszłości, gdy astronauci pewnego dnia wylądują na niezbadanej planecie, będą musieli początkowo poznać jej powierzchnię oraz to, co kryje się pod nią. W ramach nowego badania naukowcy z Virginia Tech opracowali zestaw narzędzi, które analizują drgania terenu, pozwalając określić, jak głęboko pod powierzchnią znajdują się skały. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „IEEE Sensors Journal”.

Opracowana metoda może pomóc łazikom w bezpiecznym lądowaniu na Marsie, Księżycu, a w przyszłości być może na innych niezbadanych światach. Narzędzia te będą mogły znaleźć zastosowanie również na Ziemi, między innymi podczas analizowania placów budowy czy sytuacji związanych z katastrofami, gdy pod powierzchnią mogą znajdować się niebezpieczne przeszkody.

Zdaniem inżynierów, wybór miejsca lądowania statku kosmicznego na Marsie zależy od wielu czynników, w tym wysokości i nierówności terenu oraz rozmiarów znajdujących się na nim skał.

Jeśli na wybranym obszarze znajdowałby się przeszkadzający głaz, zrobotyzowana koparka mogłaby spróbować go rozkruszyć. Jeżeli jednak skała byłaby zakopana głęboko, robot nie powinien niepotrzebnie zużywać energii ani narzędzi na próbę usunięcia przeszkody, której nie da się przemieścić.

Jak wyjaśniają naukowcy, od dawna uwzględnia się obecność dużych i ciężkich przeszkód podczas prowadzenia prac budowlanych. W przypadku percepcji człowieka ocena sytuacji jest stosunkowo prosta. Wystarczy, aby przyjrzał się skale, aby ustalić, czy leży na powierzchni, czy jest częściowo zakopana, a także czy można ją przesunąć bez pomocy specjalistycznego sprzętu. W przypadku robotów takie rozpoznanie stanowi znacznie większe wyzwanie. Opracowana metoda ma pomóc im samodzielnie dokonywać podobnych ocen.

Analiza drgań pozwoli wykrywać ukryte skały

Badacze opracowali zestaw narzędzi, który mógłby znacznie ułatwić pracę robotom wykonującym prace ziemne. Aby przetestować swoją metodę, zakopali w piasku 18 betonowych bloków o różnych kształtach i rozmiarach, umieszczając je na różnych głębokościach. Następnie uderzali w ich odsłonięte fragmenty młotkiem wyposażonym w czujniki, a powstałe drgania mierzyli zdalnie za pomocą skanującego wibrometru laserowego Dopplera (laser Doppler vibrometer).

Po przeprowadzeniu pomiarów drgań w kilku punktach na powierzchni bloków naukowcy przekazali uzyskane wyniki sieci neuronowej. Model nauczył się rozpoznawać zależności między charakterystyką drgań, widocznym kształtem skał a głębokością ich zakopania.

Zebrane dane posłużyły naukowcom do wytrenowania sztucznej inteligencji, która analizowała i porównywała wyniki pomiarów. Na uzyskiwane wyniki wpływało jednak kilka czynników, między innymi twardość podłoża, kąt, pod jakim skały stykały się z piaskiem, oraz właściwości otaczającego je gruntu. Ucząc sztuczną inteligencję uwzględniania tych zależności, badacze opracowali modele pozwalające wiarygodnie określić, jak głęboko pod powierzchnią znajduje się skała.

Jak wyjaśniają badacze, ustalenie, jak głęboko pod powierzchnią znajdowała się zakopana skała, na podstawie pomiarów drgań nie było łatwe. Wyniki pomiarów zależały bowiem zarówno od kształtu skały, jak i właściwości gruntu, w którym była osadzona. Naukowcy starannie dobrali więc parametry uwzględniające drgania oraz widoczną część skał. Dzięki temu uzyskali wiarygodne wyniki przy użyciu niewielkiej sieci neuronowej, złożonej z dwóch warstw przetwarzających dane.

Nowa metoda może pomóc również podczas prac na Ziemi

Teoretycznie w przyszłości opracowane modele mogłyby pomóc zrobotyzowanym koparkom na Marsie w rozpoznawaniu przeszkód terenowych i odpowiednim radzeniu sobie z nimi. Na razie badacze zamierzają nadal gromadzić dane i testować swoją metodę na Ziemi. Mogłaby ona znaleźć zastosowanie w ocenie stabilności formacji skalnych, badaniu podziemnych jaskiń oraz podczas usuwania skutków katastrof.

Emil Gołoś