Cette équipe de robots à pattes pourrait être l’avenir de l’exploration de Mars

Si vous aviez été une mouche sur le mur de la salle de concert de la Rockhal à Luxembourg en septembre 2022, vous auriez été accueilli par un spectacle étrange : pas de groupes ni de foules enthousiastes en vue, mais plutôt une zone remplie de 220 tonnes de lave. et du rock, avec des équipes de robots rampant sur le sol poussiéreux à la recherche de ressources.

Il s'agissait de la deuxième et dernière manche du Space Resources Challenge de l'Agence spatiale européenne (ESA), qui invitait des groupes de recherche à apporter leurs prototypes de robots et à tester leurs capacités à prospecter des ressources dans un environnement lunaire simulé. L'idée était de rechercher des idées brillantes pour la prochaine génération d'explorateurs spatiaux robotisés, qui pourraient aider à localiser et à cartographier les ressources lunaires, telles que l'eau, essentielles aux futures missions en équipage.

L'une des équipes gagnantes du défi était un trio de robots sur pattes qui trottaient, grimpaient et se frayaient un chemin dans l'arène, travaillant ensemble pour cartographier, identifier et collecter des échantillons scientifiques. Bien que ce défi se concentre sur la Lune, les mêmes principes pourraient être appliqués aux robots destinés à Mars et à d’autres corps planétaires – et cette approche pourrait permettre aux robots d’explorer de nouveaux environnements jamais vus auparavant.

Nous avons discuté avec Hendrik Kolvenbach du Robotic Systems Lab de l'ETH Zurich, le groupe qui a créé les robots à pattes, pour en savoir plus.

Une idée avec des jambes

Les aspirants robots lunaires ne sont pas construits à partir de zéro ; ils commencent par des robots disponibles dans le commerce d'ANYbotics, qui créent des robots à pattes similaires à ceux de Boston Dynamics. Ces modèles sont principalement utilisés pour les inspections industrielles, mais ils pourraient également avoir un potentiel d’exploration hors du monde.

Le Robotic Systems Lab a personnalisé le matériel et les logiciels de ces robots, notamment en ajoutant un bras robotique pour saisir les roches de la surface martienne et en essayant différents modèles de démarche pour faire face aux changements de terrain. De la taille d'un chien de taille moyenne, la version des robots utilisée dans le défi de l'ESA était capable de transporter une petite charge utile allant jusqu'à 33 livres, mais Kolvenbach a déclaré que les systèmes plus récents sont capables de transporter jusqu'à 110 livres.

C'est suffisant pour qu'un robot sur pattes puisse transporter des instruments scientifiques comme des caméras, des spectrographes ou même une petite perceuse. Les robots sont entraînés par apprentissage par renforcement, ils apprennent donc à se déplacer dans des environnements difficiles à l'aide de simulations. Ils peuvent même apprendre à utiliser trois de leurs jambes pour se tenir debout tandis qu’ils utilisent leur quatrième membre pour pousser et manipuler des objets dans leur environnement.

L'objectif final de ces recherches est de créer des systèmes matériels modulaires. Au lieu de devoir construire des explorateurs spatiaux à partir de zéro pour chaque mission, les futures missions pourraient profiter du développement d'une technologie robotique ici sur Terre qui utilise une configuration de base pouvant être adaptée avec différents instruments et logiciels selon les besoins.

Kolvenbach l'a comparé à l'idée de CubeSats , une interface et un facteur de forme standardisés qui permettent l'incorporation de différentes charges utiles, rendant le développement spatial moins cher et rendant le matériel réutilisable.

Explorer l'inconnu

Les robots à roues comme les rovers Curiosity et Perseverance qui explorent actuellement Mars sont parfaits pour certaines choses. Ils se déplacent relativement rapidement sur un terrain dégagé et sont capables de contourner ou de franchir des rochers et autres obstacles étonnamment gros. Même lorsque leurs roues subissent inévitablement des dommages dus à des années de déplacements sur la surface martienne, comme cela est arrivé à Curiosity , ils peuvent toujours continuer tant que les conducteurs sont prudents.

Alors pourquoi des robots à pattes seraient-ils nécessaires ? Tout dépend des environnements que les missions souhaitent explorer. Mars et la Lune ont toutes deux des surfaces recouvertes d'un matériau poussiéreux appelé régolithe, par exemple, que les rovers sont conçus pour traverser.

Mais les deux endroits possèdent également des régions souterraines intrigantes telles que des tubes de lave, qui sont des structures ressemblant à des grottes sous la surface créées par le passage il y a longtemps de lave chaude.

Ces tubes de lave présentent un grand intérêt scientifique , et il existe également un intérêt pratique à les utiliser comme abri pour de futures missions en équipage, car les astronautes pourraient y installer des bases souterraines et être protégés des radiations dangereuses en surface. Mais personne ne sait exactement à quoi ressemblent ces environnements, donc tout robot souhaitant les explorer doit être polyvalent et capable de relever des défis inattendus.

Les robots à pattes sont idéaux pour ce type d’environnement. Ils sont également bien adaptés pour affronter les pentes abruptes, comme celles que l’on trouve dans les cratères. C'est pratique pour des zones comme le pôle sud de la Lune, un point chaud actuel d'activité d'exploration qui abrite des cratères constamment ombragés et qui pourraient abriter des ressources vitales en glace d'eau.

Les pentes peuvent être délicates. « Avec les robots à roues, nous avons toujours un problème de traction », explique Kolvenbach. "Le régolithe est un matériau sec et granuleux et il arrive souvent que des rovers restent coincés."

Les robots à pattes sont « généralement plus mobiles, mais cela a un coût ». Pour les zones plates sans grands défis, les robots à roues sont plus efficaces et il n'est pas nécessaire de recourir à des robots à pattes plus complexes. Pour obtenir une vue d'ensemble d'une vaste région, il existe la possibilité d'effectuer des relevés aériens, comme l'a démontré l'hélicoptère Mars Ingenuity. Mais lorsqu’il s’agit de terrains imprévisibles et non structurés, les robots à pattes sont « très agiles et robustes », a déclaré Kolvenbach. "C'est là que réside la valeur unique de ces robots."

Travailler en équipe

Une autre façon d’aborder les défis de l’exploration robotique consiste à considérer les possibilités du travail d’équipe. Chaque robot à pattes étant beaucoup plus petit qu’un rover martien actuel, plusieurs d’entre eux seraient nécessaires pour transporter la même charge utile qu’un robot à une seule roue. Mais cela peut être un avantage, car les robots peuvent travailler individuellement ou en équipe.

Pour le défi de l'ESA, le laboratoire a utilisé une équipe de robots à trois pattes, bien qu'une équipe puisse théoriquement être plus grande ou plus petite selon les besoins d'une mission. En modifiant la façon dont les différentes charges utiles sont réparties entre les membres de l'équipe, vous pouvez créer des spécialistes des robots. Par exemple, un robot pourrait transporter des outils permettant de cartographier rapidement une vaste zone, tandis qu’un autre transporterait des instruments scientifiques permettant d’étudier en détail des points d’intérêt particuliers.

Cela présente également les avantages de la redondance, car les fonctions les plus vitales peuvent être partagées entre les membres de l'équipe. Ainsi, si un robot tombe en panne pour une raison quelconque, les autres peuvent toujours continuer à fonctionner et prendre en charge la majorité des tâches du robot défaillant.

Quant à la manière dont une équipe de robots pourrait communiquer entre eux, plusieurs approches sont envisagées dans la communauté robotique. La première consiste à disposer d’une base centrale qui coordonnerait les actions de chaque robot. Ce serait idéal pour explorer de vastes zones ouvertes, car les robots pourraient être envoyés dans différentes directions pour effectuer des tâches telles que la collecte d'échantillons, qui pourraient ensuite être ramenés à la base pour analyse. Les instruments plus gros et plus lourds pourraient rester dans l’unité de base centrale, les robots faisant office de coursiers.

Une autre approche consiste à utiliser des nœuds de communication, avec des robots agissant comme relais pour l'envoi de commandes. Ce serait idéal pour explorer les régions souterraines où les communications pourraient être limitées. Les robots pourraient déposer un fil d’Ariane de capteurs pour relayer les commandes, leur permettant ainsi de communiquer même dans des environnements inconnus.

Le véritable avantage de cette approche est la flexibilité. Les charges utiles transportées par chaque robot, le nombre de robots faisant partie d'une équipe et la manière dont cette équipe est structurée sont tous ajustables en fonction des besoins d'une mission ou d'un environnement particulier.

Aller dans l'espace

Les robots à pattes avec lesquels les chercheurs ont travaillé sont du matériel commercial. Ainsi, même s'ils montrent la promesse de la technologie pour l'exploration spatiale, ils sont loin d'être dignes de l'espace. L'installation de matériel dans une mission spatiale comporte des exigences strictes, allant de la capacité à résister à une large plage de températures, à la gestion des vibrations et des chocs du lancement, en passant par le besoin d'une fiabilité extrêmement élevée, car il n'existe aucun atelier de réparation en dehors de la Terre.

En préparation, l'équipe travaille donc sur un robot à pattes prêt pour le vol spatial appelé Space Hopper . "C'est un robot à relativement petite échelle", a déclaré Kolvenbach. Il pèse moins de 22 livres et utilise du matériel de vol spatial disponible dans le commerce. Il s’agissait d’une première étape pragmatique car « le passage d’un prototype de recherche à une véritable sonde spatiale représente beaucoup de travail d’ingénierie. Nous avons donc décidé de faire quelque chose à petite échelle.

Ils espèrent que Hopper sera prêt à voler à titre de démonstration technologique dans les prochaines années, juste à temps pour l’intensification des missions des agences spatiales et des missions commerciales sur la Lune. Espérons que cela ouvrira la porte au développement ultérieur de robots à pattes plus grands et plus complexes pour explorer de nouveaux environnements.

Kolvenbach décrit l’utilisation future de robots à pattes comme une « évidence ». Il existe de nombreux cas où un robot à roues a encore du sens pour l’exploration planétaire, mais lorsqu’il s’agit d’explorer des environnements plus difficiles et plus intéressants sur le plan scientifique, il considère les robots à pattes comme l’avenir.

« Il y a un besoin évident dans ce domaine », a-t-il déclaré. « Nous avons effectué de nombreuses missions dans le passé dans des environnements relativement plats et faciles sur d'autres corps célestes. Mais la tendance se dirige désormais vers ces environnements plus difficiles, car on peut y faire des recherches scientifiques très intéressantes. Du point de vue de la communauté scientifique, il existe clairement un besoin d'y aller. Et les robots à pattes sont l’une des technologies émergentes qui peuvent nous amener à faire cette science.