I prosjekt “Short-range high-resolution 3D real-time imaging for robotic vision“, finansiert av European Space Agency (ESA) skal SINTEF utvikle en teknologi for «å gi roboter øyne» på Mars. Ved hjelp av et 3D kamera skal robotene kunne identifisere og analysere objekter som steiner, kunne beregne avstand til dem, og plukke dem opp.
- Dette er et teknologiutviklingsprosjekt som skal holde på ut 2020. Målet vårt er å lage et enkelt, kompakt og robust system som kan utkonkurrere dagens teknologi, sier Jostein Thorstensen, forsker i SINTEF Digital. Det mest spennende spørsmålet forskerne ønsker å få svar på er selvfølgelig om det har vært og om det er liv på Mars.
Internasjonalt mål å utforske Mars
Teknologiprosjektet er ledd i ESAs prosjekt «Mars sample return Campaign», som er et samarbeid med NASA i perioden fra 2020 til 2030. ESA ønsker flere autonome oppdrag på Mars som ikke trengs å styre fra jorden. Bak ligger også The Global Exploration Strategy, en felles strategi for verdens 14 fremste romorganisasjoner om ytterligere utforskning av Mars og månen.
Alt som så langt er blitt sendt til Mars er blitt værende der. Planen med Mars sample return er å for første gang kunne ta med prøver fra Mars til jorda hvor de kan analyseres i laboratorier. Dette kan føre til mange nye spennende funn.
- Siden prislappen for hver kilo utstyr som sendes opp er svært høy, er det om å gjøre at teknologien som brukes er lett, effektiv og robust. Da er det ekstra viktig at analysen vi gjør på Mars er så god som mulig, slik at vi sikrer at vi tar med interessante prøver tilbake til jorden. Gode 3D- bilder er en brikke i denne analysen, sier Thorstensen.
Interferometer – fra striper til avstand
Thorstensen viser vei til labben i kjelleren på SINTEF der han demonstrerer hvordan en laser ved hjelp av et interferometer (se fakta) sender lysbølger bortover som manifesteres som grønne og svarte striper på en skjerm. Disse stripene gjør det mulig å beregne avstanden til et objekt. Thorstensen forklare hva som skjer:
- Vi sender ut et sett av disse stripemønstrene, og tar bilde av mønstrene ved hjelp av to kameraer. Bildene legges etter hverandre, slik at de danner en unik kode for hvert pixel i det første kameraet, f.eks. "mørk, lys, mørk, mørk, lys…". Deretter finner vi den samme koden i det andre kameraet. Ved å analysere posisjonen til de to identiske kodene, kan vi finne avstanden og posisjonen til et objekt.
En analog til måleprinsippet kjenner vi fra vårt eget syn. Når vi ser på objekter som er nærme, må vi skjele for å få begge øynene til å fokusere på samme punkt. Stripemønsteret er en måte å måle hvor mye vi må skjele, noe som gir grunnlag for presis avstandsmåling.
Fordel med lett og lite på Mars
I dag brukes denne metoden allerede for å beregne avstand, men i stedet for et interferometer brukes en projektor. Projektorer er i midlertidig mye tyngre, mer kompliserte og bruker mer strøm, og vil være lite egnet for Mars-oppdrag, mens et interferometer i praksis kan være like lite som en fyrstikkeske og har lavt strømforbruk.
- Vi har byttet ut den klassiske projektoren, som kan projisere alle tenkelige bilder, med et interferometer som utelukkende kan projisere striper. Da kan vi klare oss med ett styrbart speil, mens projektoren har en million individuelt styrbare speil. Projektoren er unødvendig kompleks og tung for denne oppgaven fordi ved hjelp av stripene fra interferometeret kan en regne ut avstanden like godt, sier Thorstensen.
Bruker magisk speil
SINTEF har jobbet med flere prosjekter som dreier seg om å tilpasse 3D-målinger som er utviklet til bruk på landjorden til å kunne brukes verdensrommet. I akkurat dette prosjektet tester de ut en unik SINTEF oppfinnelse, nemlig en Piezo Mems-skive utviklet på SINTEFs MiNaLab.
Den ligner et speil, og forkortelsen PiezoMEMS står for Piezoelektrisk Mikro-ElektroMekanisk System. Skiven brukes i dag i helt forskjellige anvendelser, fra lynkjappe mobilkamera, til å spille en viktig rolle i høyhastighets internett - og nå kanskje snart på Mars.
Men hvordan virker den? Forskeren forklarer:
I piezoelektriske krystaller oppstår det en ladning over materialet hvis det deformeres. Jacques og Pierre Curie oppdaget i 1880 den såkalte piezoelektriske effekten (av gr. piezein; «å presse», «å klemme») i enkelte krystallinske mineraler. I disse krystallene er ikke atomene helt symmetrisk plassert. Dette gjør at balansen mellom de positive og negative ladningene (atomene) forrykkes når materialet blir deformert, og man får en netto ladning over materialet.
Dette fungerer også motsatt vei. Hvis man setter en spenning over et piezoelektrisk materiale vil atomene flytte på seg på grunn av elektrostatiske krefter, og materialet utvider seg. Det er dette prinsippet som brukes for komponentene vi har utviklet på SINTEF.
På denne måten gjør Piezo-MEMS-speilet det mulig å kontrollere stripemønstrene som sendes ut ved hjelp av interferometeret på en svært enkel og robust måte.
- Det blir spennende å se hvordan speilet reagerer på den første spacetesten. Vi skal teste om speilet tåler strålingen, temperaturen og vibrasjonen det vil bli utsatt for i verdensrommet, sier Thorstensen.
- I løpet av året får vi vite hva speilet tåler og om vi klarer å gjøre så gode 3D – målinger som vi håper på. Men våre foreløpige resultater ser veldig lovende ut så dette blir gøy.
