ШІ в космосі, частина 3: Технології і системи, що забезпечують пілотовані космічні місії

Освоєння космосу — як і раніше, серед найскладніших завдань людства. Ефективно управляти системами космічного корабля, гарантувати безпеку астронавтів, аналізувати величезні масиви даних і виявляти закономірності — ресурсомісткі завдання з високою ціною помилки. Досягати тих самих цілей з меншими зусиллями сьогодні допомагає штучний інтелект (ШІ). Ліза Дензер, керівниця ШІ-лабораторії Європейського космічного агентства (ESA), називає його “незамінним для майбутніх досліджень” через здатність забезпечувати автономність космічних апаратів. Це критично важливо для місій у далекий космос, наприклад на Марс, де кожна секунда затримки зв’язку із Землею може мати вирішальне значення.

Хоча повторна висадка на Місяць досі не відбулася, а до пілотованих польотів на Марс ще кілька років, за найскромнішими прогнозами, ШІ вже допомагає в реалізації космічних місій на всіх рівнях: від підготовки майбутнього екіпажу до оптимізації операцій у космосі.

Моделювання, управління й безпека польотів

Процес моделювання космічного польоту завжди був складним з огляду на безліч чинників, що впливають на апарати в космосі: зовнішні умови, такі як температура, мікрогравітація й радіація, а також наслідки людського втручання. Використовуючи великі добірки даних і навчені моделі, на Землі з високою точністю відтворюють космічне середовище. Це допомагає інженерам заздалегідь протестувати системи та передбачити поведінку апаратів ще до запуску.

Значний внесок в успіх сучасних космічних місій робить і безпосереднє застосування ШІ в управлінні та сприянні безпеці польотів. Алгоритми аналізують історичні й оперативні дані про космічну погоду, телеметрію апаратів та інші аспекти довкілля, щоб передбачати потенційні загрози — сонячні спалахи, геомагнітні бурі або удари мікрометеоритів. Завдяки раннім попередженням центри управління польотами негайно вживають заходів для захисту астронавтів, космічних апаратів і критичної інфраструктури, що безпосередньо впливає на надійність і безпеку місій.

Під час польоту ШІ побічно сприяє безпеці екіпажу, відстежуючи через систему датчиків температуру та склад повітряної суміші. Це дає змогу уникнути перегріву екіпажу й обладнання або негативного впливу надлишку вуглекислого газу на організм людини у тривалих місіях. Аналізуючи безліч даних протягом місії, ШІ виявляє ознаки стресу, обчислює потенційні ризики для здоров’я астронавтів і пропонує способи їх знизити.

Також очікується, що найближчим часом NASA випустить велике оновлення для своєї базової системи польоту cFS. Програмне забезпечення, на яке агентство покладається останні 20 років, тепер використовуватиме льотні обчислення наступного покоління, багатоядерну обробку даних, штучний інтелект і машинне навчання. Крім того, заявлено можливість автономного ухвалення рішень і функції кіберзахисту на основі чипів.

Підготовка астронавтів: XR-технології і цифрові двійники

У німецькому Кельні, в Європейському центрі астронавтів ESA (European Astronaut Centre, EAC) одна з лабораторій досліджує застосування ШІ для підтримання в ухваленні рішень, оптимізації операцій і розв’язання завдань у далекому космосі. Але ще один напрямок, якому тут приділяють багато уваги, це навчання астронавтів з використанням XR-технологій — доповненої та віртуальної реальності. Вони допомагають астронавтам тренуватися в умовах, максимально наближених до реальних. Також використовуються цифрові двійники — віртуальні моделі космічних кораблів і умов місії. За їхньою допомогою команди вдосконалюють планування місій, управління ризиками та обслуговування систем космічних кораблів.

ШІ для оптимізації операцій у космосі

Кінцева мета будь-якої космічної місії — здобути дані та забрати їх із собою для подальшого аналізу. Однак даних може виявитися надто багато, тож пріоритезувати їх на космічному кораблі буде складно, або ж доставити на Землю в повному обсязі важко. Сьогодні цю проблему успішно розв’язує ШІ — він оцінює наукову цінність зразків просто на місці, знижуючи вагу вантажу, що відправляється на Землю.

Один із проєктів ініціативи Spaceship EAC працює над інтелектуальним геологічним класифікатором. Було розроблено алгоритм, який самостійно класифікує місячні зразки, використовуючи метод машинного навчання без вчителя, в якому модель діє повністю автономно й виявляє закономірності на основі отриманих зображень гірських порід.

Ще один ШІ-проєкт Spaceship EAC допомагає в експертній оцінці фотографій, створених астронавтами в космосі. Якщо потрібно зробити фото на МКС, астронавти переходять у купол і налаштовують параметри зйомки. Але оскільки станція постійно рухається, отримати ідеальний знімок непросто. ШІ вирішує й цю проблему: алгоритм аналізує погодні умови, освітленість та інші зовнішні чинники, а потім пропонує конкретні налаштування камери, перед тим як астронавти зроблять знімок.

Планування місії

Бортові апарати, якими локально управляють інтелектуальні системи, використовують фактичні дані для вибору оптимальної траєкторії руху, ефективно ухиляються від космічного сміття й обирають економний режим роботи. Космічному кораблю Dragon від SpaceX ШІ допомагає стикуватися з МКС, і таким чином знижує затримки, необхідність ручного контролю та ризик помилок, пов’язаних із людським фактором. А система ASPEN від NASA автоматизує планування космічних місій.

Крім цього, NASA використовує ШІ під час проєктування обладнання для майбутніх місій. Це дає змогу знизити вагу апаратів і водночас підвищити навантаження, яке вони витримуватимуть, а часу на розробку витрачається менше, ніж якби цим займалися люди. В основі одного такого космічного корабля — конструкція зі з’єднаних одна з одною “кісток”. Точки з’єднання вибирає ШІ — так, щоб вона була міцною й легкою.

Ідея використовувати ШІ для проєктування та 3D-друку для виготовлення елементів космічних апаратів видається дуже перспективною. У майбутньому це дозволить створювати прямо на орбіті великі компоненти, які не поміщаються у стандартну ракету-носій. Цей напрямок, названий ISAM (In-space Servicing, Assembly, and Manufacturing), підтримують у Центрі інноваційного фонду Управління космічних технологій NASA і вважають пріоритетним у розвитку космічної інфраструктури США.

Асистенти астронавтів на основі ШІ

Хоча астронавти вирушають у космос ретельно підготовленими, завжди є можливість оптимізувати виконання операцій або підвищити безпеку вже на місці. Помічники з ШІ оперативно виявляють потенційно небезпечні ситуації — як-от підвищення рівня CO₂ або ж вийшли з ладу датчики, що контролюють життєво важливі параметри.

Першим роботом-асистентом з ШІ став Cimon (Crew Interactive MObile companioN), який у червні 2018 року вирушив на МКС. Cimon, розроблений на замовлення Німецького космічного агентства, підтримує голосове управління й асистує астронавтам у дослідженнях. Його можна попросити виконати конкретну операцію, сфотографувати що-небудь або увімкнути улюблену музику астронавта. Також на прикладі Cimon учені вивчили, як роботизовані компаньйони допомагають людям упоратися зі стресом в умовах обмеженої соціальної взаємодії.

Ви й самі можете все побачити на демонстраційному відео:

Робот Cimon отримав одразу два штучних інтелекти: бортовий, для орієнтування в просторі, розробили в компанії Airbus, а мережевий, для аналізу мови — в IBM. Асистент використовує канал Wi-Fi, щоб пересилати дані супутниковим зв’язком на Землю і тримати зв’язок із хмарою IBM. Завдяки використанню IBM Watson, суперкомп’ютера зі штучним інтелектом, Cimon розуміє зміст і контекст прохання астронавта, володіє емоційним інтелектом (наприклад, може оцінювати емоції екіпажу) і релевантно реагує на нештатні ситуації.

У 2019 році на МКС було запущено ще трьох однотипних роботів, спроєктованих і побудованих у Дослідницькому центрі Еймса NASA в Кремнієвій долині в Каліфорнії. Відомі як команда Astrobee, роботи працювали автономно або виконували команди, які надсилали із Землі. На борту космічної станції вони займалися інвентаризацією й моніторингом навколишнього середовища.

Через два роки роздільної роботи на борту МКС Astrobee та Cimon нарешті зустрілися та провели першу спільну фотосесію.

Розумний робот наразі працює й на борту китайської космічної станції Tiangong. Члени екіпажу місії Shenzhou-19 уже виконують низку операцій за допомогою Xiao Hang, ім’я якого перекладається як “маленький космос”. Китайські вчені вивчають просторову взаємодію робота з людиною в космосі, а також шукають способи підвищити ефективність космічних операцій. Xiao Hang самостійно переміщається в умовах мікрогравітації, фотографує екіпаж за командою й виконує інші нескладні завдання.

Проблеми та виклики

Штучний інтелект усе ще на стадії розвитку, і не всі основані на ньому рішення працюють ідеально. Інші, навпаки, ефективні, але потребують значних обчислювальних ресурсів. І тут доводиться шукати компроміс між вражаючими можливостями прогнозної аналітики та вагою обчислювального обладнання, яке можна розмістити на борту космічного корабля. Ще одна проблема полягає в тому, що екстремальні умови — радіація, мікрогравітація та температура — роблять електроніку більш вразливою та менш надійною. А це неприпустимо, враховуючи їхню величезну відповідальність у космічних операціях.

Як і на Землі, у космосі так само гостро стоять проблеми етичності, прозорості та конфіденційності даних, якими оперують ШІ-системи. А оскільки цей напрямок досить новий, усе ще немає загальних для всіх країн і космічних агентств правил і політик, які б забезпечували прозору й безпечну роботу ШІ та робототехнічних систем у космосі. Перешкодою для впровадження ШІ в організацію пілотованих місій залишаються культурні й індивідуальні обмеження. Поки одні фахівці відкриті до ШІ, інші відчувають дискомфорт в оточенні розумних роботів або систем, що замінюють людину у вирішенні важливих питань.

Майбутнє ШІ в забезпеченні космічних місій

Кірк Говелл, співзасновник і головний технічний директор Obruta, канадського стартапу, зосередженого на автономності космічних польотів, упевнений: “Змусити космічні кораблі літати самостійно — це технологія для перетворення і фундамент, на якому будуватиметься економіка на орбіті. І шлях до цього лежить через автономність і ШІ”.

Шрея Сантра, доцентка кафедри аерокосмічної інженерії Токійського університету, прогнозує: “У майбутньому завдяки ШІ справді може відбутися зрушення в організації дослідницьких місій. Модульні розумні роботи, які працюватимуть самостійно чи в парі з астронавтом, почнуть облаштовувати середовища проживання, переміщати вантажі або будувати ракетні пускові установки. Це швидше, ефективніше й безпечніше для екіпажу, до того ж дасть змогу знизити високі витрати на реалізацію планетарних місій”.

Девід Сальваньїні, головний фахівець зі штучного інтелекту в NASA, розповів про плани на ШІ, пов’язані з майбутніми планетарними місіями. Під час тривалих польотів у астронавтів можуть виникнути проблеми зі здоров’ям, тоді як у них немає відповідних знань, а в разі порушення зв’язку вельми непросто швидко зв’язатися з лікарем на Землі. Спеціалізовані ШІ-системи, які будуть поруч, зможуть точно й оперативно діагностувати різні медичні стани та пропонувати релевантні методи лікування.

ШІ також відіграватиме значущу роль у місіях Artemis. Космічний корабель Orion, який доставить астронавтів на Місяць, скористається технологією SIAT (System Invariant Analysis Technology), розробленою компанією NEC. Це просунута аналітична система, яку залучать на багатьох етапах роботи: від проєктування апарата до виявлення аномалій та аналізу великих даних уже під час його експлуатації. А щоб астронавти змогли орієнтуватися на поверхні Місяця, стане в пригоді планетарна навігація на базі ШІ.

Нещодавно схвалена NASA стратегія зі сталого розвитку космосу передбачає використання ШІ для вирішення багатьох завдань, пов’язаних із гарантуванням безпеки. Зокрема, мається на увазі більш ефективне виявлення орбітального сміття і високий рівень автономності в прийнятті рішень щодо відновлення систем після збоїв. ШІ також підвищить надійність зв’язку і забезпечить оптимальне використання каналів передачі даних на Землю.

Ставку на ШІ в освоєнні далекого космосу робить і Китай. У лютому 2025 року стало відомо, що ця технологія буде рушійною силою китайських космічних місій, запланованих до кордонів Сонячної системи. Тут уже заявили про намір досягти відстані в 100 астрономічних одиниць, кожна з яких відповідає відстані від Землі до Сонця, до 2049-го. У цьому разі ШІ забезпечить необхідну автономність, знизить залежність від обробки даних на Землі та допоможе приймати рішення в реальному часі.

Хоча можливості ШІ в організації космічних польотів вражають, технології досі не здатні замінити собою людину на 100%. Людина залишається поруч або за лаштунками, адже ціна помилки в космосі занадто висока, аби повністю довіряти машинам. Однак саме взаємодія людини з ШІ відкриває нові перспективи для більш ефективних і безпечних космічних місій.