Освоение космоса — по-прежнему одна из самых сложных задач человечества. Эффективно управлять системами космического корабля, гарантировать безопасность астронавтов, анализировать огромные массивы данных и выявлять закономерности — ресурсоемкие задачи с высокой ценой ошибки. Достигать тех же целей с меньшими усилиями сегодня помогает искусственный интеллект (ИИ). Лиза Дензер, руководитель ИИ-лаборатории Европейского космического агентства (ESA), называет его «незаменимым для будущих исследований» ввиду способности обеспечивать автономность космических аппаратов. Это критически важно для миссий в дальний космос, например на Марс, где каждая секунда задержки связи с Землей может иметь решающее значение.
Хотя повторная высадка на Луну пока не состоялась, а до пилотируемых полетов на Марс еще несколько лет, по самым скромным прогнозам, ИИ уже помогает в реализации космических миссий на всех уровнях: от подготовки будущего экипажа до оптимизации операций в космосе.
Моделирование, управление и безопасность полетов
Процесс моделирования космического полета всегда был сложным из-за множества факторов, влияющих на аппараты в космосе: внешних условий, таких как температура, микрогравитация и радиация, а также последствий человеческого вмешательства. Используя обширные наборы данных и обученные модели, на Земле с высокой точностью воссоздают космическую среду. Это помогает инженерам заранее протестировать системы и предсказать поведение аппаратов еще до запуска.
Значительный вклад в успех современных космических миссий вносит и непосредственное применение ИИ в управлении и обеспечении безопасности полетов. Алгоритмы анализируют исторические и оперативные данные о космической погоде, телеметрии аппаратов и других аспектах окружающей среды, чтобы предсказывать потенциальные угрозы — солнечные вспышки, геомагнитные бури или удары микрометеоритов. Благодаря ранним предупреждениям центры управления полетами незамедлительно принимают меры для защиты астронавтов, космических аппаратов и критической инфраструктуры, что напрямую влияет на надежность и безопасность миссий.
Источник: NASA
Во время полета ИИ косвенно способствует безопасности экипажа, отслеживая через систему датчиков температуру и состав воздушной смеси. Это позволяет избежать перегрева экипажа и оборудования либо негативного влияния избытка углекислого газа на организм человека в длительных миссиях. Анализируя множество данных в ходе миссии, ИИ выявляет признаки стресса, вычисляет потенциальные риски для здоровья астронавтов и предлагает способы их снизить.
Также ожидается, что в ближайшее время NASA выпустит крупное обновление для своей базовой системы полета cFS. Программное обеспечение, на которое агентство полагается последние 20 лет, теперь будет использовать летные вычисления следующего поколения, многоядерную обработку данных, искусственный интеллект и машинное обучение. Кроме того, заявлена возможность автономного принятия решений и функции киберзащиты на основе чипов.
Подготовка астронавтов: XR-технологии и цифровые двойники
В немецком Кельне, в Европейском центре астронавтов ESA (European Astronaut Centre, EAC) одна из лабораторий исследует применение ИИ для поддержки в принятии решений, оптимизации операций и решения задач в дальнем космосе. Но еще одно направление, которому здесь уделяют много внимания, это обучение астронавтов с использованием XR-технологий — дополненной и виртуальной реальности. Они помогают астронавтам тренироваться в условиях, максимально приближенных к реальным. Также используются цифровые двойники — виртуальные модели космических кораблей и условий миссии. С их помощью команды совершенствуют планирование миссий, управление рисками и обслуживание систем космических кораблей.
Источник: ESA
ИИ для оптимизации операций в космосе
Конечная цель любой космической миссии — получить данные и забрать их с собой для дальнейшего анализа. Однако данных может оказаться слишком много, потому приоритезировать их на космическом корабле будет сложно, либо же доставить на Землю в полном объеме затруднительно. Сегодня эту проблему успешно решает ИИ — он оценивает научную ценность образцов прямо на месте, снижая вес отправляемых на Землю грузов.
Один из проектов инициативы Spaceship EAC работает над интеллектуальным геологическим классификатором. Был разработан алгоритм, который самостоятельно классифицирует лунные образцы, используя метод машинного обучения без учителя, в котором модель действует полностью автономно и выявляет закономерности на основе полученных изображений горных пород.
Источник: ESA
Еще один ИИ-проект Spaceship EAC помогает в экспертной оценке фотографий, созданных астронавтами в космосе. Если нужно сделать фото на МКС, астронавты перемещаются в купол и настраивают параметры съемки. Но так как станция постоянно движется, получить идеальный снимок непросто. ИИ решает и эту проблему: алгоритм анализирует погодные условия, освещенность и другие внешние факторы, а затем предлагает конкретные настройки камеры, перед тем как астронавты сделают снимок.
Источник: ESA
Планирование миссии
Бортовые аппараты, которыми локально управляют интеллектуальные системы, используют фактические данные для выбора оптимальной траектории движения, эффективно уклоняются от космического мусора и выбирают экономный режим работы. Космическому кораблю Dragon от SpaceX ИИ помогает стыковаться с МКС, тем самым снижая задержки, необходимость ручного контроля и риск ошибок, связанных с человеческим фактором. А система ASPEN от NASA автоматизирует планирование космических миссий.
Источник: NASA
Помимо этого, NASA использует ИИ при проектировании оборудования для будущих миссий. Это позволяет снизить вес аппаратов и одновременно повысить нагрузку, которую они будут выдерживать, а времени на разработку уходит меньше, чем если бы этим занимались люди. В основе одного такого космического корабля — конструкция из соединенных друг с другом «костей». Точки соединения выбирает ИИ — так, чтобы она была прочной и легкой.
Источник: NASA
Идея использовать ИИ для проектирования и 3D-печати для изготовления элементов космических аппаратов выглядит очень перспективной. В будущем это позволит создавать прямо на орбите крупные компоненты, которые не помещаются в стандартную ракету-носитель. Это направление, получившее название ISAM (In-space Servicing, Assembly, and Manufacturing), поддерживают в Центре инновационного фонда Управления космических технологий NASA и считают приоритетным в развитии космической инфраструктуры США.
Ассистенты астронавтов на основе ИИ
Хотя астронавты отправляются в космос тщательно подготовленными, всегда есть возможность оптимизировать выполнение операций или повысить безопасность уже на месте. Помощники с ИИ оперативно выявляют потенциально опасные ситуации — такие как повышение уровня CO₂ или вышедшие из строя датчики, контролирующие жизненно важные параметры.
Первым роботом-ассистентом с ИИ стал Cimon (Crew Interactive MObile companioN), который в июне 2018 года отправился на МКС. Cimon, разработанный по заказу Немецкого космического агентства, поддерживает голосовое управление и ассистирует астронавтам в исследованиях. Его можно попросить выполнить конкретную операцию, сфотографировать что-либо или включить любимую музыку астронавта. Также на примере Cimon ученые изучили, как роботизированные компаньоны помогают людям справляться со стрессом в условиях ограниченного социального взаимодействия.
Вы и сами можете все увидеть на демонстрационном видео:
Робот Cimon получил сразу два искусственных интеллекта: бортовой, для ориентирования в пространстве, разработали в компании Airbus, а сетевой, для анализа речи — в IBM. Ассистент использует канал Wi-Fi, чтобы пересылать данные по спутниковой связи на Землю и держать связь с облаком IBM. Благодаря использованию IBM Watson, суперкомпьютеру с ИИ, Cimon понимает содержание и контекст просьбы астронавта, обладает эмоциональным интеллектом (например, может оценивать эмоции экипажа) и релевантно реагирует на нештатные ситуации.
В 2019 году на МКС были запущены еще три однотипных робота, спроектированные и построенные в Исследовательском центре Эймса NASA в Кремниевой долине в Калифорнии. Известные как команда Astrobee, роботы работали автономно или выполняли отправляемые с Земли команды. На борту космической станции они занимались инвентаризацией и мониторингом окружающей среды.
Спустя два года раздельной работы на борту МКС Astrobee и Cimon наконец встретились и провели первую совместную фотосессию.
Источник: NASA
Умный робот в настоящее время работает и на борту китайской космической станции Tiangong. Члены экипажа миссии Shenzhou-19 уже выполняют ряд операций с помощью Xiao Hang, имя которого переводится как «маленький космос». Китайские ученые изучают пространственное взаимодействие робота с человеком в космосе, а также ищут способы повысить эффективность космических операций. Xiao Hang самостоятельно перемещается в условиях микрогравитации, фотографирует экипаж по команде и выполняет другие несложные задания.
Источник: CCTV
Проблемы и вызовы
Искусственный интеллект все еще на стадии развития, и не все основанные на нем решения работают идеально. Другие, наоборот, эффективны, но требуют значительных вычислительных ресурсов. И здесь приходится искать компромисс между впечатляющими возможностями прогнозной аналитики и весом вычислительного оборудования, которое можно разместить на борту космического корабля. Еще одна проблема заключается в том, что экстремальные условия — радиация, микрогравитация и температура — делают электронику более уязвимой и менее надежной. А это недопустимо, учитывая их огромную ответственность в космических операциях.
Источник: edgecortix.com
Как и на Земле, в космосе так же остро стоят проблемы этичности, прозрачности и конфиденциальности данных, которыми оперируют ИИ-системы. А так как это направление достаточно новое, все еще нет общих для всех стран и космических агентств правил и политик, которые бы обеспечивали прозрачную и безопасную работу ИИ и робототехнических систем в космосе. Преградой для внедрения ИИ в организацию пилотируемых миссий остаются культурные и индивидуальные ограничения. Пока одни специалисты открыты к ИИ, другие испытывают дискомфорт в окружении умных роботов или систем, заменяющих человека в решении важных вопросов.
Будущее ИИ в обеспечении космических миссий
Кирк Ховелл, соучредитель и главный технический директор Obruta, канадского стартапа, сосредоточенного на автономности космических полетов, уверен: «Заставить космические корабли летать самостоятельно — это преобразующая технология и фундамент, на котором будет строиться экономика на орбите. И путь к этому лежит через автономность и ИИ».
Шрея Сантра, доцент кафедры аэрокосмической инженерии Токийского университета, прогнозирует: «В будущем благодаря ИИ действительно может произойти сдвиг в организации исследовательских миссий. Модульные умные роботы, которые будут работать самостоятельно или в паре с астронавтом, начнут обустраивать среды обитания, перемещать грузы или строить ракетные пусковые установки. Это быстрее, эффективнее и безопаснее для экипажа, к тому же позволит снизить высокие затраты на реализацию планетарных миссий».
Источник: NASA
Дэвид Сальваньини, главный специалист по искусственному интеллекту в NASA, рассказал о планах на ИИ, связанных с будущими планетарными миссиями. Во время длительных полетов у астронавтов могут возникнуть проблемы со здоровьем, тогда как у них нет соответствующих знаний, а в случае нарушения связи не так уж просто быстро связаться с врачом на Земле. Специализированные ИИ-системы, будучи рядом, смогут точно и оперативно диагностировать различные медицинские состояния и предлагать релевантные методы лечения.
ИИ также предстоит играть значимую роль в миссиях Artemis. Космический корабль Orion, который доставит астронавтов на Луну, воспользуется технологией SIAT (System Invariant Analysis Technology), разработанной компанией NEC. Это продвинутая аналитическая система, которую задействуют на многих этапах работы: от проектирования аппарата до выявления аномалий и анализа больших данных уже в ходе его эксплуатации. А чтобы астронавты могли ориентироваться на поверхности Луны, пригодится планетарная навигация на базе ИИ.
Недавно принятая NASA стратегия по устойчивому развитию космоса предполагает использование ИИ для решения многих задач, связанных с обеспечением безопасности. В частности, подразумевается более эффективное обнаружение орбитального мусора и высокий уровень автономности в принятии решений о восстановлении систем после сбоев. ИИ также повысит надежность связи и обеспечит оптимальное использование каналов передачи данных на Землю.
Ставку на ИИ в освоении дальнего космоса делает и Китай. В феврале 2025 года стало известно, что эта технология будет движущей силой китайских космических миссий, запланированных к границам Солнечной системы. Здесь уже заявили о намерении достичь расстояния в 100 астрономических единиц, каждая из которых соответствует расстоянию от Земли до Солнца, к 2049-му. В этом случае ИИ обеспечит необходимую автономность, снизит зависимость от обработки данных на Земле и поможет принимать решения в реальном времени.
Хотя возможности ИИ в организации космических полетов впечатляют, технологии все еще не могут заменить собой человека на 100%. Человек остается рядом или за кулисами, ведь цена ошибки в космосе слишком высока, чтобы полностью довериться машинам. Однако именно взаимодействие человека с ИИ открывает новые перспективы для более эффективных и безопасных космических миссий.
