NASA Implanta Inteligência Robótica para Capacitar Astronautas e Indústria

Ser astronauta nem sempre é glamoroso.

Membros da tripulação na estação espacial gastam cerca de um terço do tempo apenas transportando carga de cápsulas de reabastecimento e levando sacos de lixo de volta para fora, disse Shaun Azimi, que lidera a equipe de Robótica Dextróide no Centro Espacial Johnson da NASA em Houston. E isso com uma tripulação em tempo integral de sete.

À medida que a NASA planeja estadias prolongadas de astronautas na Lua e ao redor dela nas missões Artemis posteriores, a agência quer que robôs assumam alguns desses trabalhos servis, liberando membros da tripulação para fazer mais da ciência e exploração para a qual estão lá. O problema é que, enquanto robôs na ficção científica muitas vezes passam por humanos, desenvolver robôs do mundo real — que mais provavelmente se assemelhariam a braços móveis de seis juntas — para realizar até as tarefas humanas mais simples é extremamente complicado.

"Manipulação robótica historicamente é como um grande braço em uma fábrica movendo o chassi de um carro de uma esteira transportadora para outra", disse Ezra Brooks, Engenheiro Principal de Software na PickNik Inc., observando que nenhuma inteligência é necessária para repetir este conjunto de ações pré-programadas repetidamente.

Fazer um robô reconhecer um objeto em um ambiente não estruturado, aproximar-se dele e realizar alguma operação com ele é um trabalho totalmente diferente e muito mais difícil. Este é o desafio que a PickNik, baseada em Boulder, CO, está superando, com ajuda da agência espacial.

Por exemplo, a empresa trabalhou com robóticos no Johnson para provar software que permitiu a um robô reconhecer uma escotilha em uma espaçonave — incluindo sua trava, alça e dobradiças — então girar a trava, segurar a alça e abrir a porta.

Apenas planejar o movimento a partir de uma configuração inicial dada das juntas em um braço robótico para uma configuração final que o prepare para a próxima ação "requer matemática muito inteligente e muita potência de CPU", disse Brooks. "Então, uma vez que você está realmente executando essa trajetória, o software está dizendo ao robô todos os movimentos minúsculos que ele precisa fazer. Talvez mais de 1.000 vezes por segundo, está enviando comandos dizendo: mova esta junta a esta velocidade ou mova para esta posição ligeiramente diferente." Um algoritmo de feedback de força permite ao robô saber quando agarrou a trava, e um algoritmo de controle determina quanta força o robô usa para girá-la.

Embora muito trabalho reste para preparar robôs para operações lunares, software que a PickNik desenvolveu com ajuda da NASA já está encontrando aplicações na Terra.

O trabalho no Johnson, financiado sob o programa Small Business Innovation Research (SBIR), foi realizado no novo Integrated Mobile Evaluation Testbed for Robotics Operations (iMETRO) do centro. Lá, a equipe também provou a capacidade do software de fazer o braço levantar sacos de transferência de carga do tipo usados na Estação Espacial Internacional para dentro e fora da escotilha e um compartimento de armazenamento, em antecipação às atribuições Artemis de futuros robôs.

O software que a PickNik testou com Azimi, agora conhecido como MoveIt Pro, havia sido desenvolvido sob financiamento SBIR da NASA e da Força Espacial, e contratos SBIR adicionais da NASA ajudaram a refinar sua interface de usuário e melhorar sua autonomia e capacidade de recuperar-se de falhas.

Missões Artemis iniciais serão curtas, mas eventualmente, tripulações de quatro ou mais podem passar um mês por ano na Lua e em uma estação espacial em órbita lunar, chamada Gateway. Durante os outros 11 meses, Azimi disse, robôs poderiam carregar e descarregar suprimentos e realizar trabalho simples de inspeção e manutenção, permitindo que a próxima tripulação aproveite ao máximo sua estadia. "Gosto de ver isso como uma forma de maximizar o valor do dinheiro que gastamos para levar humanos à superfície lunar", disse ele.

Ele observou que os mesmos robôs poderiam servir papéis semelhantes em estações espaciais comerciais que algumas empresas estão construindo para órbita baixa da Terra, que também provavelmente só seriam tripuladas em tempo parcial.

Por enquanto, Azimi disse, a PickNik está construindo uma base de clientes comerciais na Terra, o que ajuda a financiar desenvolvimento de produto e torná-lo sustentável. "Então, nosso desenvolvimento através de SBIRs da NASA foca nas lacunas entre esse caso de uso terrestre e o caso de uso no espaço." Por exemplo, comunicação inconsistente entre Terra e Lua exigirá robôs mais independentes. E a capacidade de corrigir remotamente quaisquer problemas que surjam será muito mais importante quando operadores humanos estiverem a 240.000 milhas de distância. Mas todas essas capacidades são úteis na Terra também.

Brooks disse que a empresa de 35 pessoas pode não ter desenvolvido um produto comercial sem financiamento inicial da NASA. Em robótica, disse ele, "você tem que fazer anos e anos de pesquisa e desenvolvimento iterativo tentando refinar algoritmos e fazer ciência séria para chegar a um ponto onde você sequer teria um produto distinto que pudesse vender." A NASA financiou grande parte desse trabalho fundamental.

E, disse ele, ajuda trabalhar com uma das organizações de robótica premier do mundo. "Trabalhar com a NASA é realmente recompensador da perspectiva de poder mergulhar no fundo do poço de problemas realmente difíceis que quase ninguém mais está enfrentando ainda."

Na verdade, Brooks esbarrou em alguns desses problemas como contratado da NASA trabalhando na missão On-Orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1 da agência, um projeto ambicioso de robótica que acabou cancelado alguns anos depois que ele saiu para a PickNik. Ele disse que o trabalho o ajudou a prever e abordar desafios que a equipe MoveIt enfrentaria.

Todo o desenvolvimento de software financiado pela NASA já foi incorporado ao MoveIt Pro, o produto principal da empresa, disse Brooks. Lançado em 2023, o software encontrou uma base de clientes significativa. A BMW está usando para trazer mais inteligência às suas linhas de montagem robóticas, e ele automatiza demonstrações de braço robótico nos lobbies de dois centros de aprendizado da Amazon Web Services.

Uma empresa chamada Lightspeed está usando MoveIt Pro para programar enormes braços robóticos que constroem "painéis" de paredes, telhados e pisos em uma tentativa de resolver a escassez nacional de habitação acessível. E a PickNik personalizou o software para ajudar a Hivebotics de Singapura a automatizar seu produto principal, um robô de limpeza de banheiros chamado Abluo.

Para que o MoveIt Pro um dia automatize robôs no espaço, disse Brooks, engenheiros e agências espaciais precisarão fazer muito trabalho para construir confiança na inteligência robótica para missões espaciais. "É muito mais complicado do que realmente qualquer outro software que já foi voado para o espaço."

Mas Azimi disse que o retorno valerá o esforço. Robôs capazes de trabalho logístico provavelmente poderiam fazer manutenção de instalações e até manter experimentos científicos funcionando enquanto a tripulação está fora, disse ele. "Qualquer coisa que robôs possam fazer nesses 11 meses, você está à frente de onde estaria se não tivesse essa capacidade."