ในปี 2023 นาซ่าวางแผนที่จะเปิดตัว Europa Clipper ภารกิจนักสำรวจหุ่นยนต์ที่จะศึกษาดวงจันทร์ยูโรปาปริศนาของจูปิเตอร์ จุดประสงค์ของภารกิจนี้คือการสำรวจเปลือกน้ำแข็งและการตกแต่งภายในของ Europa เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับองค์ประกอบทางธรณีวิทยาและการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวและใต้ผิวดินของดวงจันทร์ วัตถุประสงค์หลักของภารกิจนี้คือเพื่อแสดงให้เห็นว่าชีวิตมีอยู่ในมหาสมุทรภายในของยูโรปาหรือไม่
นี้นำเสนอความท้าทายมากมายซึ่งหลายคนเกิดขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่า Europa Clipper จะอยู่ไกลจากโลกมากเมื่อมันดำเนินการทางวิทยาศาสตร์ ในการกล่าวถึงนี้ทีมนักวิจัยจาก Jet Propulsion Laboratory (JPL) และ Arizona State University (ASU) ได้ออกแบบชุดของอัลกอริทึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องที่จะช่วยให้ภารกิจสำรวจยูโรปาด้วยระดับอิสระ
วิธีที่อัลกอริทึมเหล่านี้อาจช่วยเหลือภารกิจการสำรวจอวกาศห้วงลึกในอนาคตเป็นหัวข้อการนำเสนอเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว (วันที่ 7 สิงหาคม) ที่การประชุม ACM SIGKDD ครั้งที่ 25 เรื่องการค้นพบความรู้และการขุดข้อมูลในแองเคอเรจ การประชุมประจำปีนี้นำนักวิจัยและผู้ปฏิบัติงานด้านวิทยาศาสตร์ข้อมูลการขุดและวิเคราะห์ข้อมูลจากทั่วโลกมารวมกันเพื่อหารือเกี่ยวกับการพัฒนาและการใช้งานล่าสุดในสาขานี้
เมื่อพูดถึงมันการสื่อสารกับภารกิจห้วงอวกาศเป็นงานที่ต้องใช้เวลาและท้าทาย เมื่อสื่อสารกับภารกิจบนพื้นผิวของดาวอังคารหรือในวงโคจรมันสามารถใช้สัญญาณได้ถึง 25 นาทีในการเข้าถึงพวกเขาจากโลก (หรือกลับมาอีกครั้ง) ในทางกลับกันการส่งสัญญาณไปยังดาวพฤหัสบดีอาจใช้เวลาระหว่าง 30 นาทีถึงหนึ่งชั่วโมงขึ้นอยู่กับว่ามันอยู่ที่ไหนในวงโคจรของมันเมื่อเทียบกับโลก
ตามที่ผู้เขียนบันทึกไว้ในการศึกษาของพวกเขากิจกรรมยานอวกาศมักจะส่งในสคริปต์ที่วางแผนไว้ล่วงหน้าแทนที่จะส่งคำสั่งตามเวลาจริง วิธีการนี้มีประสิทธิภาพมากเมื่อทราบตำแหน่งตำแหน่งและปัจจัยอื่น ๆ ที่มีผลต่อยานอวกาศหรือคาดการณ์ล่วงหน้าได้ อย่างไรก็ตามก็หมายความว่าผู้ควบคุมภารกิจไม่สามารถตอบสนองต่อการพัฒนาที่ไม่คาดคิดในแบบเรียลไทม์
ในฐานะดร. คีรีแอลวากสตาฟนักวิจัยหลักของกลุ่มการเรียนรู้ด้วยเครื่องและเครื่องมืออิสระของนาซ่า JPL อธิบายให้นิตยสารอวกาศผ่านอีเมล:
“ การสำรวจโลกที่อยู่ไกลเกินกว่าจะควบคุมมนุษย์โดยตรงนั้นเป็นเรื่องท้าทาย กิจกรรมทั้งหมดจะต้องมีสคริปต์ไว้ล่วงหน้า การตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อการค้นพบใหม่หรือการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมที่ต้องการยานอวกาศในการตัดสินใจซึ่งเราเรียกว่ายานอวกาศอิสระ นอกจากนี้การใช้งานอยู่ห่างจากโลกเกือบพันล้านกิโลเมตรหมายความว่าอัตราการส่งข้อมูลต่ำมาก
“ความสามารถของยานอวกาศในการรวบรวมข้อมูลเกินกว่าสิ่งที่สามารถส่งคืนได้ สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามที่ควรรวบรวมข้อมูลและวิธีการจัดลำดับความสำคัญ ในที่สุดในกรณีของ Europa ยานอวกาศก็จะถูกโจมตีด้วยรังสีรุนแรงซึ่งอาจทำให้ข้อมูลเสียหายและทำให้คอมพิวเตอร์รีเซ็ตได้ การรับมือกับอันตรายเหล่านั้นต้องใช้การตัดสินใจด้วยตนเอง”
ด้วยเหตุนี้ดร. Wagstaff และเพื่อนร่วมงานของเธอจึงเริ่มมองหาวิธีการที่เป็นไปได้สำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลแบบออนบอร์ดซึ่งจะทำงานได้ทุกที่และทุกเวลาที่ไม่สามารถควบคุมดูแลมนุษย์ วิธีการเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อต้องรับมือกับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้ยากและชั่วคราวซึ่งไม่สามารถคาดการณ์เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นและระยะเวลาได้
สิ่งเหล่านี้รวมถึงปรากฏการณ์เช่นปีศาจฝุ่นที่ถูกพบบนดาวอังคารผลกระทบของอุกกาบาตฟ้าผ่าบนดาวเสาร์และขนนกน้ำแข็งที่ปล่อยออกมาจากเอนเซลาดัสและวัตถุอื่น ๆ เพื่อที่จะพูดถึงเรื่องนี้ดร. Wagstaff และทีมของเธอได้มองหาความก้าวหน้าล่าสุดในอัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องจักรซึ่งอนุญาตให้มีระดับการทำงานอัตโนมัติและการตัดสินใจอย่างอิสระในการคำนวณ ดังที่ Dr. Wagstaff กล่าวว่า:
“ วิธีการเรียนรู้ของเครื่องทำให้ยานอวกาศสามารถตรวจสอบข้อมูลในขณะที่ถูกรวบรวมได้ ยานอวกาศสามารถระบุว่าการสังเกตใดที่มีเหตุการณ์ที่น่าสนใจ สิ่งนี้สามารถมีอิทธิพลต่อการกำหนดลำดับความสำคัญของ downlink เป้าหมายคือเพื่อเพิ่มโอกาสในการค้นพบที่น่าสนใจที่สุดที่จะ downlinked ก่อน เมื่อการรวบรวมข้อมูลเกินสิ่งที่สามารถส่งยานอวกาศเองสามารถขุดข้อมูลเพิ่มเติมสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่มีค่า
“ การวิเคราะห์ออนบอร์ดยังช่วยให้ยานอวกาศสามารถตัดสินใจว่าจะเก็บข้อมูลใดต่อไปโดยอิงจากสิ่งที่ค้นพบแล้ว สิ่งนี้แสดงให้เห็นในวงโคจรของโลกโดยใช้การทดลองทางวิทยาศาสตร์วิทยาศาสตร์แบบอิสระและบนพื้นผิวของดาวอังคารโดยใช้ระบบ AEGIS บนห้องทดลองวิทยาศาสตร์ดาวอังคาร (Curiosity) การรวบรวมข้อมูลที่เป็นอิสระและตอบสนองสามารถเร่งการสำรวจทางวิทยาศาสตร์ได้อย่างมาก เรามุ่งมั่นที่จะขยายขีดความสามารถนี้ไปยังระบบสุริยะรอบนอกเช่นกัน”
อัลกอริทึมเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อช่วยในการตรวจสอบทางวิทยาศาสตร์สามประเภทซึ่งจะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อ Europa Clipper หน้าที่ สิ่งเหล่านี้รวมถึงการตรวจจับความผิดปกติทางความร้อน (จุดที่อบอุ่น), ความผิดปกติแบบประกอบ (แร่พื้นผิวที่ผิดปกติหรือการสะสม) และการใช้งานของสสารน้ำแข็งจากมหาสมุทรใต้ผิวดินของยูโรปา
“ ในการตั้งค่านี้การคำนวณมี จำกัด มาก” ดร. Wagstaff กล่าว “ คอมพิวเตอร์ยานอวกาศวิ่งด้วยความเร็วคล้ายกับคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปจากช่วงกลางถึงปลายปี 1990 (~ 200 MHz) ดังนั้นเราจึงให้ความสำคัญกับอัลกอริทึมที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพ ข้อดีอีกอย่างคืออัลกอริทึมนั้นเข้าใจง่ายนำไปปฏิบัติและตีความได้ง่าย”
เพื่อทดสอบวิธีการของพวกเขาทีมใช้อัลกอริทึมของพวกเขากับทั้งข้อมูลจำลองและการสังเกตการณ์จากภารกิจอวกาศในอดีต สิ่งเหล่านี้รวมถึง กาลิเลโอ ยานอวกาศซึ่งทำการสำรวจสเปกตรัมของ Europa เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับองค์ประกอบของมัน แคสสินี ยานอวกาศซึ่งจับภาพกิจกรรมขนนกบนเอนเซลาดัสของดาวเสาร์ และ นิวฮอริซอน ภาพยานอวกาศของกิจกรรมภูเขาไฟบนดวงจันทร์ไอโอของจูปิเตอร์
ผลการทดสอบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าอัลกอริทึมทั้งสามนั้นแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่สูงพอที่จะนำไปสู่เป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่ระบุไว้ในการสำรวจ Decadal Science ในปี 2554 สิ่งเหล่านี้รวมถึง“ ยืนยันการมีอยู่ของมหาสมุทรภายในสร้างลักษณะเปลือกน้ำแข็งของดาวเทียมและช่วยให้เข้าใจประวัติศาสตร์ทางธรณีวิทยาของมัน” บนยูโรปาเพื่อยืนยัน“ ศักยภาพของระบบสุริยะรอบนอกเป็นที่พำนักของชีวิต”
นอกจากนี้อัลกอริทึมเหล่านี้อาจมีผลกระทบอย่างกว้างขวางสำหรับภารกิจหุ่นยนต์อื่น ๆ ไปยังจุดหมายปลายทางที่อยู่ในห้วงอวกาศ นอกเหนือจากระบบของดวงจันทร์แห่งยูโรปาและดาวพฤหัส NASA หวังที่จะสำรวจดวงจันทร์ของเอนเซลาดัสและไททันเพื่อเป็นสัญญาณบ่งบอกชีวิตที่เป็นไปได้ในอนาคตอันใกล้รวมถึงจุดหมายปลายทางที่ยังอยู่ไกลออกไป แต่แอพพลิเคชั่นไม่ได้หยุดเพียงแค่นั้น Wagstaff กล่าวไว้:
“ ความเป็นอิสระของยานอวกาศช่วยให้เราสามารถสำรวจว่ามนุษย์ไม่สามารถไปไหนได้ ซึ่งรวมถึงปลายทางระยะไกลเช่นดาวพฤหัสบดีและสถานที่อื่น ๆ นอกเหนือจากระบบสุริยะของเราเอง นอกจากนี้ยังรวมถึงสภาพแวดล้อมที่ใกล้ชิดที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์เช่นก้นทะเลหรือการแผ่รังสีสูงที่นี่บนโลก”
ไม่ยากเลยที่จะจินตนาการถึงอนาคตอันใกล้ที่ภารกิจหุ่นยนต์กึ่งอิสระมีความสามารถในการสำรวจด้านนอกและด้านในของระบบสุริยจักรวาลโดยไม่ต้องมีมนุษย์คอยดูแลอยู่เป็นประจำ มองไกลออกไปในอนาคตมันไม่ยากเลยที่จะจินตนาการถึงยุคที่หุ่นยนต์อิสระสามารถสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะและส่งการค้นพบกลับบ้านได้
และในขณะเดียวกันกึ่งอิสระ Europa Clipper อาจพบหลักฐานที่เราทุกคนรอคอย! นั่นจะเป็นชีวประวัติที่พิสูจน์ว่ามีชีวิตนอกโลกจริงๆ!
