En un tramo árido del Desierto de Colorado, en el sur de California, un rover compacto de cuatro ruedas recorrió hace poco unos 26 kilómetros (16 millas) con intervención mínima del equipo de ingenieros que lo seguía. Se llama ERNEST (Exploration Rover for Navigating Extreme Sloped Terrain) y es el prototipo que NASA usa para avanzar tanto en autonomía robótica como en la capacidad de cruzar paisajes complejos.
Desarrollado en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) del sur de California, ERNEST mide 1,2 metros de largo. No solo puede levantar cada una de sus ruedas de malla para superar obstáculos que detendrían a Curiosity y Perseverance (los rovers marcianos de seis ruedas de NASA), sino que además tiene capacidades reforzadas de toma de decisiones independiente. Estos avances en movilidad y autonomía podrían incorporarse a misiones futuras que lleguen a zonas previamente inaccesibles del Planeta Rojo o la Luna.
En campo, ERNEST funciona como banco de pruebas para una potencial misión lunar futura que requiera velocidades más altas y mucho mayor kilometraje del que pueden hacer los rovers actuales. La tecnología podría informar futuros diseños de exploración en la Luna y más allá.
"Este testeo nos ayuda a refinar el hardware de movilidad y el software de autonomía para navegar distancias extremas en una amplia gama de terrenos e iluminación esperados en la Luna", dijo Issa Nesnas, tecnólogo principal de JPL que lideró las pruebas como jefe de autonomía para un concepto de misión NASA de rover lunar de largo alcance.
¿Qué tan rápido es ERNEST comparado con Curiosity?
El equipo de Nesnas está usando ERNEST para demostrar que es posible construir un rover del doble de tamaño del prototipo y capaz de una misión lunar de larga distancia. Durante la campaña reciente, ERNEST viajó a velocidades de hasta 0,6 mph (1 km/h) durante 37 horas de manejo, distribuidas en siete días de testeo intermitente. Eso es un orden de magnitud sobre la velocidad máxima que pueden navegar Perseverance y Curiosity.
"Podrías hacer un road trip científico cruzando la Luna, o Marte, con este vehículo", dijo James Keane, científico planetario de JPL que trabaja en misiones lunares.
La suspensión activa que reemplaza al rocker-bogie
El objetivo inicial del equipo que desarrolló ERNEST fue mecánico: diseñar un rover relativamente simple y de bajo costo que mejorara el confiable sistema de suspensión rocker-bogie usado en cada rover marciano desde el Sojourner de NASA. Ese sistema pasivo mantiene peso relativamente constante en las seis ruedas, gracias a puntos de pivote y barras que permiten a cada rueda adaptarse al terreno cambiante.
En ERNEST, la suspensión activa deja que el rover gestione la distribución de peso entre ruedas. Dos articulaciones motorizadas adelante mueven un gimbal que permite manejar con distintos modos de paso: serpenteo, wheel-walking y escalado de obstáculos. Con un mecanismo de embrague puede alternar entre suspensión activa y pasiva, esta última menos capaz pero más eficiente en energía. Con cuatro ruedas direccionables, puede manejar en cualquier dirección, incluyendo lateralmente.
"Partimos postulando que podíamos hacer algo mejor en el diseño de un sistema de movilidad robótica para superficies planetarias", dijo Hari Nayar, tecnólogo principal de JPL que lidera el equipo ERNEST. "Aunque el sistema rocker-bogie ha sido muy exitoso durante los últimos 30 años, ha habido mucha investigación en ese tiempo sobre movilidad y comprensión de la interacción con el terreno".
Antes de llegar a la versión actual de ERNEST, el equipo construyó dos prototipos anteriores, cada uno de unos 0,6 metros de largo, para probar 11 configuraciones de suspensión activa. En un tráiler lleno de regolito lunar simulado, corrieron experimentos a distintos ángulos de pendiente durante varios meses antes de cerrar el diseño final.
Luego escalaron, incluyendo el agregado de una cabeza rectangular montada en un mástil de 1,4 metros. El hardware se completó en septiembre de 2024, pero el rover todavía necesitaba un operador humano con joystick que le enviara comandos para cruzar obstáculos.
Reinforcement learning para que ERNEST piense solo
Para entrenar al rover a pensar por sí mismo, el equipo recurrió al aprendizaje por refuerzo, un tipo de inteligencia artificial en que el robot aprende interactuando con su entorno. El Dynamics and Real-Time Simulation Laboratory de JPL desarrolló un entorno virtual de alta fidelidad que replica el comportamiento del rover. El equipo alimentó al simulador con datos recolectados por ingenieros que documentaron la respuesta del hardware real a distintos tipos de terreno. Sobre un clúster de alto rendimiento corrieron muchas simulaciones en paralelo, completando a veces miles de horas de pruebas durante un solo fin de semana.
Después de meses de entrenamiento virtual, el equipo estuvo listo para ver si el rover podía usar los algoritmos autónomos para cruzar terrenos que detendrían a un rover de suspensión pasiva. Armaron una pista de obstáculos con ondulaciones de arena, pilas de escombros, escalones y pendientes pronunciadas en el Mars Yard del JPL, un campo de pruebas al aire libre. Y observaron cómo el rover maniobraba el terreno solo. Desde entonces, ERNEST ha completado muchos circuitos similares.
El equipo de Nayar está iniciando un nuevo proyecto de autonomía que integra la capacidad del rover de decidir cuándo y cómo usar su suspensión activa con navegación inteligente de mayor alcance. La meta es habilitar a ERNEST para planificar una ruta eficiente, atacar obstáculos superables y rodear los peligrosos. Estas capacidades podrían contribuir a futuras misiones rover en paisajes formidables de Marte o zonas más escarpadas de la Luna.
El trabajo en ERNEST comenzó en 2022, apoyado inicialmente por fondos internos de investigación y desarrollo de JPL. Actualmente está financiado por el Programa de Exploración de Marte de NASA y la Oficina de Estrategia e Integración de Ciencia de Exploración en la sede de NASA en Washington. Caltech, en Pasadena, California, gestiona JPL para NASA.
