Năm 2023, NASA có kế hoạch ra mắt Europa clip Nhiệm vụ, một nhà thám hiểm người máy sẽ nghiên cứu Mặt trăng Europa bí ẩn của Sao Mộc. Mục đích của nhiệm vụ này là khám phá vỏ băng Europa Europa và nội thất để tìm hiểu thêm về thành phần mặt trăng, địa chất và sự tương tác giữa bề mặt và bề mặt dưới mặt đất. Trên hết, mục đích của nhiệm vụ này là làm sáng tỏ xem liệu sự sống có thể tồn tại trong đại dương nội địa Europa hay không.
Điều này đưa ra vô số thách thức, nhiều trong số đó phát sinh từ thực tế là Europa clip sẽ ở rất xa Trái đất khi nó tiến hành các hoạt động khoa học của mình. Để giải quyết vấn đề này, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA (JPL) và Đại học bang Arizona (ASU) đã thiết kế một loạt các thuật toán học máy cho phép sứ mệnh khám phá Europa với một mức độ tự chủ.
Làm thế nào các thuật toán này có thể hỗ trợ cho các nhiệm vụ thám hiểm không gian sâu trong tương lai là chủ đề của bài thuyết trình được đưa ra tuần trước (ngày 7 tháng 8) tại Hội nghị ACM SIGKDD lần thứ 25 về Khám phá tri thức và Khai thác dữ liệu ở Neo, Alaska. Hội nghị thường niên này mang các nhà nghiên cứu và thực hành về khoa học dữ liệu, khai thác dữ liệu và phân tích từ khắp nơi trên thế giới cùng nhau thảo luận về những phát triển và ứng dụng mới nhất trong lĩnh vực này.
Khi nói đến nó, việc liên lạc với các nhiệm vụ trong không gian sâu là công việc tốn nhiều thời gian và thử thách. Khi liên lạc với các nhiệm vụ trên bề mặt Sao Hỏa hoặc trên quỹ đạo, có thể mất tín hiệu tối đa 25 phút để tiếp cận chúng từ Trái đất (hoặc quay lại lần nữa). Mặt khác, việc gửi tín hiệu đến Sao Mộc, có thể mất từ 30 phút đến tối đa một giờ, tùy thuộc vào vị trí của nó trong quỹ đạo của nó so với Trái đất.
Như các tác giả lưu ý trong nghiên cứu của họ, các hoạt động của tàu vũ trụ thường được truyền theo một kịch bản được lên kế hoạch trước chứ không phải thông qua các lệnh thời gian thực. Cách tiếp cận này rất hiệu quả khi vị trí, môi trường và các yếu tố khác ảnh hưởng đến tàu vũ trụ được biết hoặc có thể dự đoán trước. Tuy nhiên, điều đó cũng có nghĩa là bộ điều khiển nhiệm vụ không thể phản ứng với những phát triển bất ngờ trong thời gian thực.
Như Tiến sĩ Kiri L. Wagstaff, một nhà nghiên cứu chính tại Nhóm tự trị học và thiết bị máy móc của JPL NASA, đã giải thích với Tạp chí Vũ trụ qua email:
Khám phá một thế giới quá xa để cho phép sự kiểm soát trực tiếp của con người là một thách thức. Tất cả các hoạt động phải được kịch bản trước. Để đáp ứng nhanh với những khám phá hoặc thay đổi mới trong môi trường đòi hỏi chính tàu vũ trụ phải đưa ra quyết định, mà chúng ta gọi là tự trị tàu vũ trụ. Ngoài ra, hoạt động cách Trái đất gần một tỷ km có nghĩa là tốc độ truyền dữ liệu rất thấp.
“Khả năng thu thập dữ liệu của tàu vũ trụ vượt quá những gì có thể gửi lại. Điều này đặt ra câu hỏi về việc nên thu thập dữ liệu nào và nên ưu tiên như thế nào. Cuối cùng, trong trường hợp của Europa, tàu vũ trụ cũng sẽ bị bắn phá bởi bức xạ cực mạnh, có thể làm hỏng dữ liệu và khiến máy tính đặt lại. Đối phó với những nguy hiểm đó cũng đòi hỏi phải ra quyết định tự chủ.
Vì lý do này, Tiến sĩ Wagstaff và các đồng nghiệp của cô bắt đầu xem xét các phương pháp khả thi để phân tích dữ liệu trên tàu có thể hoạt động ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào sự giám sát trực tiếp của con người là không thể. Các phương pháp này đặc biệt quan trọng khi xử lý các sự kiện hiếm gặp, thoáng qua mà sự xuất hiện, vị trí và thời lượng không thể dự đoán được.
Chúng bao gồm các hiện tượng như những con quỷ bụi đã được quan sát trên Sao Hỏa, các tác động của thiên thạch, sét trên Sao Thổ và các băng giá do Enceladus và các vật thể khác phát ra. Để giải quyết vấn đề này, Tiến sĩ Wagstaff và nhóm của cô đã tìm đến những tiến bộ gần đây trong thuật toán học máy, cho phép mức độ tự động hóa và ra quyết định độc lập trong điện toán. Như Tiến sĩ Wagstaff đã nói:
Các phương pháp học máy của Máy cho phép chính tàu vũ trụ kiểm tra dữ liệu khi nó được thu thập. Tàu vũ trụ sau đó có thể xác định những quan sát nào chứa các sự kiện quan tâm. Điều này có thể ảnh hưởng đến việc gán các ưu tiên đường xuống. Mục tiêu là để tăng cơ hội rằng những khám phá thú vị nhất sẽ được liên kết xuống trước. Khi thu thập dữ liệu vượt quá những gì có thể truyền đi, chính tàu vũ trụ có thể khai thác dữ liệu bổ sung cho các cố vấn khoa học có giá trị.
Phân tích trên tàu cũng có thể cho phép tàu vũ trụ quyết định dữ liệu nào sẽ được thu thập tiếp theo dựa trên những gì nó đã phát hiện ra. Điều này đã được chứng minh trên quỹ đạo Trái đất bằng cách sử dụng Thí nghiệm Khoa học tự trị và trên bề mặt Sao Hỏa bằng hệ thống AEGIS trên phòng thí nghiệm Khoa học Sao Hỏa (Curiosity). Thu thập dữ liệu tự động, đáp ứng có thể đẩy nhanh quá trình khám phá khoa học. Chúng tôi mong muốn mở rộng khả năng này cho hệ mặt trời bên ngoài.
Các thuật toán này được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ ba loại điều tra khoa học sẽ cực kỳ quan trọng đối với Europa clip sứ mệnh. Chúng bao gồm phát hiện dị thường nhiệt (điểm ấm), dị thường thành phần (khoáng chất bề mặt hoặc trầm tích bất thường) và hoạt động của vật chất băng giá từ đại dương dưới đáy biển Europa Europa.
Trong bối cảnh này, tính toán rất hạn chế, bác sĩ Wagstaff nói. Máy tính tàu vũ trụ chạy ở tốc độ tương tự như máy tính để bàn từ giữa đến cuối những năm 1990 (~ 200 MHz). Do đó, chúng tôi đã ưu tiên các thuật toán đơn giản, hiệu quả. Một lợi ích phụ là các thuật toán rất dễ hiểu, thực hiện và diễn giải.
Để kiểm tra phương pháp của họ, nhóm nghiên cứu đã áp dụng thuật toán của họ cho cả dữ liệu mô phỏng và quan sát từ các nhiệm vụ không gian trong quá khứ. Chúng bao gồm Galileo tàu vũ trụ, đã thực hiện các quan sát quang phổ của Europa để tìm hiểu thêm về thành phần của nó; các Cassini tàu vũ trụ, đã ghi lại những hình ảnh về hoạt động của chùm lửa trên mặt trăng Sao Thổ Enceladus; và Những chân trời mới hình ảnh tàu vũ trụ của hoạt động núi lửa trên sao Mộc Jupiter mặt trăng Io.
Kết quả của các thử nghiệm này cho thấy rằng mỗi trong số ba thuật toán đã chứng minh hiệu suất đủ cao để đóng góp cho các mục tiêu khoa học được nêu trong Cuộc khảo sát thập phân khoa học hành tinh năm 2011. Chúng bao gồm việc xác nhận sự hiện diện của một đại dương bên trong, đặc trưng cho lớp vỏ băng vệ tinh, và cho phép hiểu về lịch sử địa chất của nó trên Europa để xác nhận tiềm năng của hệ mặt trời bên ngoài như là nơi trú ngụ của cuộc sống.
Ngoài ra, các thuật toán này có thể có ý nghĩa sâu rộng đối với các nhiệm vụ robot khác đến các điểm đến trong không gian sâu. Vượt ra ngoài hệ thống mặt trăng của Europa và Sao Mộc, NASA đang hy vọng khám phá các vệ tinh Sao Thổ Enceladus và Titan để có những dấu hiệu có thể có trong cuộc sống trong tương lai gần, cũng như các điểm đến xa hơn (như Sao Hải Vương Triton và thậm chí cả Sao Diêm Vương). Nhưng các ứng dụng không dừng lại ở đó. Wagstaff đặt nó:
Quyền tự chủ của tàu vũ trụ cho phép chúng ta khám phá nơi con người có thể đi đến. Điều đó bao gồm các điểm đến từ xa như Sao Mộc và các địa điểm ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta. Nó cũng bao gồm các môi trường gần hơn gây nguy hiểm cho con người, chẳng hạn như đáy đáy biển hoặc các thiết lập bức xạ cao ở đây trên Trái đất.
Nó không khó để tưởng tượng ra một tương lai gần, nơi các sứ mệnh robot bán tự trị có khả năng khám phá các phạm vi bên ngoài và bên trong của Hệ Mặt Trời mà không cần sự giám sát thường xuyên của con người. Nhìn xa hơn về tương lai, nó không khó để tưởng tượng một thời đại mà robot tự động hoàn toàn có khả năng khám phá các hành tinh ngoài mặt trời và gửi phát hiện của chúng về nhà.
Và trong khi đó, một bán tự trị Europa clip có thể tìm thấy bằng chứng mà tất cả chúng ta đang chờ đợi! Đó sẽ là sinh trắc học chứng minh rằng thực sự có sự sống ngoài Trái đất!
