NASA implanta inteligência robótica para capacitar astronautas e a indústria

O MoveIt Pro da PickNik, desenvolvido em parte com financiamento e ajuda da NASA, automatiza demonstrações de braços robóticos nos lobbies de dois centros de aprendizagem da Amazon Web Services. (Imagem:PickNik Inc.)
Ser astronauta nem sempre é glamoroso.

Os tripulantes da estação espacial passam cerca de um terço do tempo apenas transportando carga de cápsulas de reabastecimento e carregando sacos de lixo de volta, disse Shaun Azimi, que lidera a equipe Dexterous Robotics no Johnson Space Center da NASA em Houston. E isso com uma equipe de sete pessoas em tempo integral.

Como a NASA planeja estadias prolongadas dos astronautas na Lua e ao redor dela nas missões Artemis posteriores, a agência quer que os robôs assumam alguns desses trabalhos braçais, liberando os membros da tripulação para fazerem mais ciência e exploração para as quais estão lá. O problema é que, embora os robôs na ficção científica possam muitas vezes passar por humanos, o desenvolvimento de robôs do mundo real – que mais provavelmente se assemelhariam a braços móveis de seis articulações – para realizar até as tarefas humanas mais simples é extremamente complicado.
A Hivebotics em Cingapura está usando uma versão personalizada do MoveIt Pro para automatizar seu principal produto, um robô para limpeza de banheiros chamado Abluo. (Imagem:PickNik Inc.)
“Historicamente, a manipulação robótica é como um grande braço numa fábrica que move o chassis de um carro de uma correia transportadora para outra”, disse Ezra Brooks, engenheiro-chefe de software da PickNik Inc., observando que não é necessária inteligência para repetir este conjunto pré-programado de ações continuamente.

Fazer com que um robô reconheça um objeto em um ambiente não estruturado, aproxime-se dele e realize alguma operação com ele é uma tarefa totalmente diferente e muito mais difícil. Este é o desafio que a PickNik, com sede em Boulder, CO, está superando, com a ajuda da agência espacial.

Por exemplo, a empresa trabalhou com roboticistas da Johnson para testar um software que permitia a um robô reconhecer uma escotilha numa nave espacial – incluindo o seu trinco, manípulo e dobradiças – e depois rodar o trinco, agarrar o manípulo e abrir a porta.
A interface do usuário do software de controle robótico MoveIt Pro da PickNik Robotics mostra o trabalho que a empresa fez com a montadora BMW para tornar os robôs da linha de montagem mais capazes de lidar com situações inesperadas. (Imagem:PickNik Inc.)
Apenas planejar o movimento de uma determinada configuração inicial das articulações em um braço robótico até uma configuração final que o prepara para a próxima ação “requer uma matemática muito inteligente e muita potência da CPU”, disse Brooks. "Então, quando você realmente executa essa trajetória, o software informa ao robô todos os movimentos minúsculos que ele precisa fazer. Talvez mais de 1.000 vezes por segundo, ele envia comandos dizendo:mova esta junta nesta velocidade ou mova-se para esta posição ligeiramente diferente." Um algoritmo de feedback de força permite que o robô saiba quando ele segura a trava, e um algoritmo de controle determina quanta força o robô usa para girá-la.

Embora ainda haja muito trabalho a ser feito para preparar robôs para operações lunares, o software PickNik desenvolvido com a ajuda da NASA já está encontrando aplicações na Terra.

O trabalho em Johnson, financiado pelo programa Small Business Innovation Research (SBIR), foi realizado no novo ambiente de teste de avaliação móvel integrada para operações robóticas (iMETRO). Lá, a equipe também provou a capacidade do software de fazer com que os sacos de transferência de carga do tipo usado na Estação Espacial Internacional fossem levantados pelo braço para dentro e para fora da escotilha e de um compartimento de armazenamento, em antecipação às futuras atribuições do Artemis dos robôs.

O software PickNik testado com Azimi, agora conhecido como MoveIt Pro, foi desenvolvido sob financiamento SBIR da NASA e da Força Espacial, e outros contratos SBIR da NASA ajudaram a refinar sua interface de usuário e melhorar sua autonomia e capacidade de recuperação de falhas.

As primeiras missões Artemis serão curtas, mas eventualmente, tripulações de quatro pessoas poderão passar um mês por ano na Lua e numa estação espacial em órbita lunar, chamada Gateway. Durante os outros 11 meses, disse Azimi, os robôs poderiam carregar e descarregar suprimentos e realizar trabalhos simples de inspeção e manutenção, permitindo que a próxima tripulação aproveitasse ao máximo sua estadia. “Gosto de ver isso como uma forma de maximizar o valor do dinheiro que gastamos para levar os humanos à superfície lunar”, disse ele.

Ele observou que os mesmos robôs poderiam desempenhar funções semelhantes em estações espaciais comerciais que um punhado de empresas estão construindo agora para a órbita baixa da Terra, que provavelmente também seriam tripuladas apenas em tempo parcial.

Por enquanto, disse Azimi, a PickNik está construindo uma base de clientes comerciais na Terra, o que ajuda a financiar o desenvolvimento de produtos e torná-los sustentáveis. “Portanto, nosso desenvolvimento por meio dos SBIRs da NASA concentra-se nas lacunas entre o caso de uso terrestre e o caso de uso no espaço.” Por exemplo, a comunicação inconsistente entre a Terra e a Lua exigirá mais robôs independentes. E a capacidade de resolver remotamente quaisquer problemas que surjam será muito mais importante quando os operadores humanos estiverem a 380 mil quilómetros de distância. Mas todas essas capacidades também são úteis na Terra.
Na instalação de teste de avaliação móvel integrada para operações robóticas no Johnson Space Center, o software de controle robótico PickNik provou sua habilidade em tarefas como passar sacos de transferência de carga por uma escotilha e colocá-los em caixas de armazenamento, em antecipação ao trabalho que a NASA gostaria que os robôs realizassem durante as missões Artemis posteriores. (Imagem:NASA)
Brooks disse que a empresa de 35 pessoas poderia não ter desenvolvido um produto comercial sem o financiamento antecipado da NASA. Na robótica, disse ele, “é preciso fazer anos e anos de pesquisa e desenvolvimento iterativo na tentativa de refinar algoritmos e fazer ciência séria para chegar a um ponto em que você tenha um produto distinto para vender”. A NASA financiou grande parte desse trabalho fundamental.

E, disse ele, ajuda trabalhar com uma das principais organizações de robótica do mundo. “Trabalhar com a NASA é realmente gratificante do ponto de vista de poder mergulhar nas profundezas de problemas realmente difíceis que quase ninguém mais enfrenta ainda.”

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

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

Uma empresa chamada Lightspeed está usando o MoveIt Pro para programar enormes braços robóticos que constroem “painéis” de paredes, telhados e pisos, na tentativa de resolver a escassez nacional de moradias populares. E a PickNik personalizou o software para ajudar a Hivebotics de Cingapura a automatizar seu principal produto, um robô para limpeza de banheiros chamado Abluo.

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

Mas Azimi disse que a recompensa valerá o esforço. Robôs capazes de realizar trabalho logístico provavelmente poderiam fazer a manutenção das instalações e até mesmo manter experimentos científicos em andamento enquanto a tripulação estiver fora, disse ele. “Qualquer coisa que os robôs possam fazer nesses 11 meses, você estará à frente de onde estaria se não tivesse essa capacidade.”

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