Z Kurtem Leuchtem, kierownikiem ds. rozwoju oprogramowania w NASA i jednym z prelegentów tegorocznej konferencji DevDay, rozmawiamy o tym, w jaki sposób kolonie mrówek zainspirowały NASA? Dlaczego najnowsze technologie nie zawsze są najlepszym wyjściem? I dlaczego film „Marsjanin” nie był wcale fantastyką naukową?
Czy to prawda, że pan i pański zespół inspirowały kolonie mrówek, kiedy tworzyliście roboty „Swarmie”?
Tak. Naukowcy z Uniwersytetu w Nowym Meksyku badali mrówki w naturalnym środowisku. Udokumentowali ich zachowania, sposób, w jaki opuszczają mrowisko, by szukać pożywienia, jak się przemieszczają i znoszą pokarm z powrotem do mrowiska. Uświadomili sobie, że pozornie skomplikowane zachowania owadów podlegają kilku prostym zasadom, czyli algorytmom, które działałyby równie dobrze, gdyby użyto ich w robotach. Naukowcy dowiedli, że roboty mogłyby być równie skuteczne jak mrówki. Pracownicy NASA dowiedzieli się o tym projekcie i zrozumieli, że być może algorytm podejrzany u mrówek da się spożytkować w systemach robotów eksplorujących.
W jakim celu?
Aby poszukiwać zasobów na innej planecie, zbierać je, a następnie przenosić do jednostki przetwarzającej. Nawiązaliśmy więc współpracę z Uniwersytetem w Nowym Meksyku i stworzyliśmy robot o większych możliwościach niż pierwszy model. Dodaliśmy pewne cechy, które przydadzą się w misjach badawczych na Marsie czy Księżycu. Nasze roboty, które nazwaliśmy „Swarmies”, wyruszają z centralnej lokalizacji, a potem jadą w teren, aby szukać zasobów, tak jak mrówki. W naszym projekcie „zasobami” były rozmieszczone na ziemi kody paskowe. Roboty szukały ich, posługując się kamerami. W sposób wirtualny „chwytały” kody i zanosiły je do „domu”, czyli gniazda. A potem znów ruszały w teren. Jako że „Swarmies” naśladują zachowania mrówek, roboty współpracują, aby zwiększyć wydajność całej kolonii, tak jak robią to mrówki. Korzystają również ze „śladów feromonowych”, podobnie jak owady oznaczające teren substancjami chemicznymi, aby zachęcić do pomocy innych członków kolonii, kiedy muszą zebrać całą stertę zasobów. Projekt badawczy „Swarmie” dowiódł, że możemy wykorzystywać niewielkie, niedrogie roboty, wyposażone w tanie komputery i czujniki. Jeśli zainstalujemy w nich dość prosty algorytm oparty na systemie biologicznym, te jednostki mogą wykonywać pożyteczną pracę.
Uważa się powszechnie, że NASA wykorzystuje najnowsze technologie. Ale w projekcie „Swarmie” korzystaliście z oprogramowania opracowanego kilkanaście lat temu.
Przyjrzeliśmy się kilku dostępnym platformom programistycznym. Nie chcieliśmy, żeby coś nas ograniczało, ale nie mieliśmy też ochoty zbytnio skupiać się na programowaniu niższego poziomu. Interesował nas tylko najwyższy poziom programowania zachowań. System operacyjny ROS wyglądał na niezłe rozwiązanie, odpowiednie do naszych potrzeb. ROS działa najlepiej na systemie Ubuntu, więc użyliśmy Ubuntu. Spełnił wszystkie oczekiwania związane z projektem. Nie potrzebowaliśmy niczego bardziej złożonego czy nowszego.
Czy korzystanie z najnowszych, przełomowych technologii bywa zbyteczne w kosmosie? Korzystanie z prostszych technologii wiąże się z większą niezawodnością?
Czasami wystarczy usiąść i rozejrzeć się w koło, żeby zrozumieć, że problem został już rozwiązany. Na przykład kwestia wynajdywania i zbierania zasobów oraz znoszenia ich do bazy została rozwiązana przez mrówki. System oparty na rozwiązaniu stosowanym przez mrówki nie jest może tak wydajny jak coś, co np. mógłbym wymyślić sam, ale w projekcie badawczym „Swarmie” chodziło o udowodnienie, że nie potrzeba wiele mocy przeliczeniowej i pamięci, żeby osiągnąć cel. A ryzyko niepowodzenia jest przy tym bardzo niewielkie. Weźmy np. technologie komunikacyjne. Komputery mogą porozumiewać się ze sobą na wiele sposobów. Wi-fi to stara technologia, ale jest prosta i skuteczna. To rozwiązanie typu plug and play, czyli podłącz i korzystaj: podłączasz adapter wi-fi do gniazda USB i nie musisz nawet zmieniać konfiguracji systemu operacyjnego. Wszystko działa „samo”. Mogliśmy wybrać inną technologię, ale w przypadku tego projektu stare rozwiązanie działa jak trzeba. Jest bardzo stabilne i tanie, więc decyzja była prosta. Chociaż ten projekt miał charakter naziemny. Nie będzie na razie wysyłany na inną planetę. Gdybyśmy przedobrzyli, moglibyśmy mieć problem z nadmiernie skomplikowanym, trudnym w eksploatacji systemem, który trudno zrozumieć. Algorytm oparty na pracy mrówek jest bardzo prosty. Gdybyśmy chcieli go bardziej rozbudować, ryzyko błędu by się zwiększyło. Jasne, że wydajność systemu da się poprawić na różne sposoby, np. montując na pokładzie lepsze sensory. Ale ten projekt to pierwszy krok. Po drugie, umieszczenie na pokładzie nowszych rozwiązań będzie wiązać się z wyższymi kosztami, a jest to zbyteczne, jeśli „stara” technologia sprawdza się w projekcie. Nowa technologia oznacza większe obciążenie procesorów i wykorzystanie pamięci, co niepotrzebnie zwiększa stopień skomplikowania. A im bardziej skomplikowany będzie robot, którego w końcu wyślemy na Marsa, tym więcej ryzykujemy.
Wszystkiego z nami nie weźmiemy, ale jakie mamy alternatywy? W filmie „Marsjanin” pokazano znaczenie ISRU.
To prawda. ISRU oznacza „In Situ Resource Utilization”, czyli korzystanie z lokalnych zasobów. Po łacinie in situ oznacza „w miejscu”, w tym przypadku na Marsie, czy na Księżycu. ISRU polega więc na wykorzystaniu tego, co ma się pod ręką, żeby nie trzeba było wszystkiego ze sobą przywozić. Kiedy prowadzę prezentację o naszych wyprawach na Księżyc w ramach Programu Apollo, posługuję się pewną analogią. Wówczas nie korzystaliśmy z lokalnych zasobów. Wieźliśmy ze sobą wszystkie rzeczy, których potrzebowaliśmy, żeby tam dolecieć, przetrwać i wrócić. No ale podróż na Księżyc trwała 3 dni, pobyt – kilka dni, a powrót – znowu tylko 3 dni. To był króciutki spacerek. Przypuszczalnie sama podróż na Marsa będzie trwać 6 miesięcy. Więc nie będziemy lecieć 6 miesięcy, żeby zostać tam raptem kilka dni. Trochę tam posiedzimy. Obecny plan zakłada, że pobyt na Marsie będzie trwał około roku. Więc kiedy planuje się tak długą misję, absolutnie nie będzie się opłacać wieźć ze sobą wszystkiego, czego będziemy potrzebować. Ale jeśli możliwe jest wytworzenie wody i tlenu z lokalnych zasobów… Jeśli możliwe jest wygenerowanie paliwa rakietowego poprzez pobranie molekuł z powietrza i gleby oraz przetworzenie ich, to znaczy, że zbędne byłoby zawożenie paliwa na drogę powrotną. Dzięki temu oszczędzamy mnóstwo obciążenia i pieniędzy, a cała misja staje się wykonalna – tego po prostu nie da się zrobić, jeśli musielibyśmy wszystko ze sobą zabrać. Musimy umieć korzystać z ISRU. Autor powieści „Marsjanin” szczegółowo przeanalizował technologie NASA i nasze badania. Wykorzystał wiele rozwiązań, nad którymi rzeczywiście teraz pracujemy i których chcemy użyć na Marsie. Ile kilogramów tego, a ile litrów czegoś innego – wszystkie te kalkulacje są w książce. W książce i w filmie pojawiło się zaledwie kilka rzeczy, które ja i koledzy uznaliśmy za całkowicie zmyślone.
Tworzenie zupełnie nowego oprogramowania, czy korzystanie z narzędzi dostępnych na rynku – co lepiej się sprawdza w projektach NASA?
Kiedy trzeba wybrać oprogramowanie, np. sterujące rakietą, na ogół przygotowuje się ścisły zestaw wymagań. W takiej sytuacji nie ma zbyt wielu opcji, jeśli chodzi o wybór systemu. W niektórych projektach, nawet jeszcze na etapie badań, kiedy wszystko dopiero się ustala, już wówczas trzeba napisać autorski kod – choćby po to, żeby zapewnić współpracę między dwoma komercyjnymi rozwiązaniami.
Czy zatem korzystanie z otwartego oprogramowania jest popularne w NASA?
Każdy z kierowników projektu musi przeanalizować opcje i podjąć decyzję, kierując się dostępnym budżetem, harmonogramem, wymaganiami itd. Jeśli chodzi o mnie, to gdy wiem, że dostępne jest rozwiązanie typu open source, i jestem pewien, że spełni ono swoje zadania, na pewno go użyję. Dzięki temu mogę wydać środki z budżetu projektu na coś innego. Jeśli chodzi o krótkoterminowe projekty badawcze, wiele osób, z którymi współpracuję lub kontaktuję się w NASA, bez problemów korzysta z otwartego oprogramowania.
Całość wywiadu do pobrania niżej.