Uppskjutningen av den banbrytande nya rymdstationen Lunar Gateway är planerad till 2024. Rymdstationen ska fungera som en språngbräda för bemannade uppdrag till månen och till Mars. En 8,5 meter lång robotarm kommer vara en förutsättning för underhållet av den avancerade rymdstationen. Den AI-drivna robotens tillvaro i rymden förbereds med hjälp av det svenska mjukvaruföretaget Algoryx.
När rymdstationen Lunar Gateway är på plats i sin omloppsbana runt månen kommer den att öppna upp en mängd nya möjligheter för forskning. Stationen kommer också att fungera som en mellanförvaring för fordon och annan utrustning som astronauter behöver för framtida rymduppdrag.
Robotarmen Canadarm3 kommer att vara monterad på utsidan av Lunar Gateway och fungera som rymdstationens schweiziska armékniv. Liksom de tidigare generationerna av Canadarm utvecklas Canadarm3 av det kanadensiska bolaget MDA. Med sina mekaniska “händer” ska roboten kunna förflytta sig tvärs över hela rymdstationen för att inspektera, underhålla och utföra reparationer.
Angörande farkoster och kapslar ska också fångas in och dockas av robotarmen. Med sin andra, mindre arm kommer Canadarm3 till och med att kunna sköta underhållet av sig själv utan mänsklig inblandning.
Där mänskliga operatörer tidigare har varit ansvariga för att upptäcka avvikelser, kommer den AI-drivna Canadarm3 att kunna identifiera och klassificera avvikelser och utarbeta lösningar som gör att rymduppdrag kan flyta på som planerat.
Accelererad maskininlärning med hjälp av simuleringar
AI-hjärnan som driver Canadarm 3 tränas med hjälp av simuleringar, och för att AI:n ska lära sig att hantera alla de komplexa situationer som kan uppstå i rymden krävs massiva mängder träningsdata. Givetvis behöver simuleringarna också ha hög överenstämmelse med den fysiska verkligheten för att roboten ska bli rustad för alla problem som kan inträffa under ett rymduppdrag.
Men att generera syntetisk data av högsta detaljgrad i den omfattning som krävs för maskininlärning kan bli så resurs- och tidskrävande att utvecklingen saktas ner och försenas. Lösningen på detta dilemma har blivit att sammanföra MDA:s interna system med simuleringsmjukvaran AGX Dynamics från svenska företaget Algoryx. På så sätt kan teamet som utvecklar robotens autonoma kontrollsystem hålla den rätta utvecklingstakten inför avfyrning.
– En av de saker som AGX Dynamics och spelmotorn Unity tillför är att vi kan simulera fysik med hög beräkningshastighet, samtidigt som våra egenutvecklade simuleringslösningar säkerställer en sanningsmodell med hög precision, förklarar Nader Abu El Samid på MDA.
Simulerar det som inte går att iscensätta
Som teamledare för Mission Operations and Analysis-gruppen har Nader Abu El Samir stöttat den kanadensiska rymdmyndigheten CSA med planering, genomförande och uppföljning av de uppdrag på den internationella rymdstationen ISS som involverar Canadarm3:s föregångare: Canadarm2.
Den erfarenheten är viktig för att göra rätt avvägningar kring hur simuleringar används i utvecklingen av Canadarm3.
– Det finns för- och nackdelar med att göra saker i labb kontra i simulering. Testerna i labbet visar hur algoritmer beter sig i den riktiga hårdvaran – tester som är extremt värdefulla inför att tekniken implementeras ute i rymden. Men det finns gränser för vad vi kan testa i verklig hårdvara, och det är här simulering kommer in i bilden, förklarar Nader och fortsätter med ett exempel:
– När en farkost närmar sig rymdstationen ISS kan jordens gravitation inverka på hur den rör sig. Robotarmen ska göra en infångningsmanöver för att docka farkosten med ISS, men beroende på olika omständigheter kan de fysikaliska krafterna påverka genomförandet. Detta är omöjligt att återskapa helt i ett laboratorium. Simuleringar behövs för att planera för olika scenarion.
Med hjälp av simulering blir det också möjligt att utveckla tillvägagångssätt för drift och underhåll som inte kan prövas fram i ett lab med den verkliga hårdvaran. Han förklarar:
– Det finns en risk att dyrbar hårdvara kommer till skada om man tillför negativ friktion, till exempel från rymdskrot. Det är också en säkerhetsfråga. Säg att du skapar ett hinder som gör det omöjligt för armen att docka en nyttolast. För att undanröja hindret måste du få armen att trycka mot nyttolasten. Men om du då inte lyckas välja rätt parametrar och justera saker korrekt så kan någon bli skadad om du försöker göra detta i ett labb, säger Nader.
Minskad risk i uppdrag med höga insatser
Snabba simuleringar med hög överensstämmelse gentemot den fysiska verkligheten kan också få andra användningsområden i framtiden.
Initialt kommmer Canadarm3:s AI att fungera som ett stödsystem för operatörer ombord på Lunar Gateway och på jorden. Först efter en tid av samarbete mellan AI och människa kommer roboten att bli mer självständig under längre perioder. Till dess kommer det finnas ett behov av träning för mänskliga operatörer. Även på detta område har en mjukvara för realtidssimulering som AGX Dynamics “vissa fördelar”.
AGX Dynamics har också moduler för att simulera kablar och vajrar som skulle kunna användas för att validera och testa nya mekaniska funktioner på rymdstationen. Modulen för granulär modellering skulle kunna simulera effekter av partiklar som måndamm. Och genom att realtidssimulera interaktion mellan hjul och underlag kan en AI tränas till att köra en månrover i oländig terräng.
Simulering kan också fungera som ett ingenjörsverktyg för att utveckla rymdstationens mekaniska egenskaper.
– Tidigare har tidskrävande simulering begränsat oss till bara några få olika designlösningar, säger Nader.
– Men nu finns de förutsättningar till att snabbt ta fram simulerade prototyper, eftersom AGX Dynamics gör jobbet så mycket snabbare.
Självklart återstår mycket av arbetet med kalibrering och verifiering. Alla i teamet måste vara helt nöjda med hur simuleringarna överensstämmer med den verkliga roboten så att de kan leverera en felfri produkt. I de här sammanhangen finns inget utrymme för felaktigheter.
– Vi måste alltid komma ihåg att det finns astronauter på stationen. Om inte tekniken är korrekt kalibrerad så finns det en risk att rymdstationen skadas och människoliv sätts på spel. Misslyckande är inte ett alternativ när insatserna är så här höga, avslutar Nader.
Av: Amanda Monfrooe / Typey Type AB
