ROBÔS QUE SE AMONTOAM COMO PINGUINS PARA SOBREVIVER À NOITE LUNAR

Enxames de pequenos robôs são uma forma atraente de explorar cavernas e tubos de lava lunares: se um se perde, a missão não fracassa necessariamente. A missão CADRE, da NASA, por exemplo, vai levar três pequenos rovers cooperativos para mapear a Lua juntos — mas só de dia. Eles foram projetados para um único dia lunar e não vão sobreviver à noite.

Uma noite de 354 horas

Essa noite dura cerca de 354 horas, e a superfície esfria até perto de 95 kelvin, cerca de −178 °C. Alguns rovers já passaram por ela: o Yutu-2 conta com controle térmico assistido por radioisótopos e voltou a trabalhar depois de noites lunares, enquanto o Pragyan, projetado para um dia lunar, não retomou a comunicação. Aquecedores de radioisótopos, porém, não escalam para um enxame. Manter um aquecedor de 2 watts exige cerca de 5 gramas de dióxido de plutônio por robô, e a meta de produção dos EUA, de aproximadamente 1,5 quilograma por ano, é dimensionada para os grandes sistemas de radioisótopos das missões principais, não para robôs descartáveis.

Anaïs Jeger, do Center for Bits and Atoms do MIT e da Equipe de Conceitos Avançados (Advanced Concepts Team) da Agência Espacial Europeia, com Harry Holt, da mesma equipe, e Lennart Puck, do Laboratório de Robótica Planetária da ESA, fizeram outra pergunta: os robôs poderiam usar os corpos uns dos outros como escudo térmico?

Uma única nota, dada ao amanhecer

Na simulação, vinte robôs passam uma noite lunar inteira juntos. Cada um se mantém a 0 °C com um aquecedor enquanto durar sua energia armazenada; depois disso, esfria, e abaixo de −40 °C é considerado morto. A rapidez com que perde calor depende de sua exposição ao céu: quanto do céu aberto ele vê, de 1 para um robô isolado a 0 para um cercado de vizinhos. Sozinho, um robô irradia 1,92 watt para o espaço.

Os vinte robôs rodam a mesma pequena rede neural. Cada um vê apenas informação local — sua própria temperatura, energia e exposição, onde estão seus vizinhos e como eles estão — e devolve uma direção para onde se deslocar. A rede foi treinada com “estratégias evolutivas” (evolution strategies): testar muitas cópias ligeiramente alteradas, depois empurrar os parâmetros compartilhados na direção das que pontuam melhor, e repetir.

A nota é propositalmente esparsa. Ela chega uma única vez, no fim da noite: a temperatura média dos cinco robôs mais frios. Nada nela menciona posição, espaçamento, exposição ou movimento.

Pinguins, sem que ninguém mandasse

Dois comportamentos apareceram mesmo assim. A partir de um início disperso, o enxame se reúne em cerca de cinco horas. Depois, nunca se acomoda: os robôs ficam circulando entre o centro abrigado e a borda exposta. Os autores apontam que este é o mesmo par de comportamentos com que os pinguins-imperadores sobrevivem ao inverno antártico — eles se amontoam e ficam trocando de lugar entre o exterior frio e o centro abrigado. Os pinguins inspiraram a pergunta; os robôs nunca foram recompensados por copiá-los.

É a circulação que faz a diferença. Uma regra programada à mão que só faz os robôs se inclinarem para dentro, sem nunca empurrá-los de volta para fora, forma o mesmo amontoado, mas a borda fica mais fria que o centro a noite toda, e num teste nove dos vinte robôs foram perdidos. Ao longo do treinamento, a exposição média no tempo do robô mais mal posicionado caiu de cerca de 0,71 para 0,26, perto da média do enxame, de 0,23 — embora a exposição não faça parte da nota.

Os robôs também não ficam correndo de um lado para outro: percorrem em média 4,3 metros por hora, enquanto rodar sem parar na velocidade definida cobriria 54: na maior parte do tempo ficam parados e se reposicionam em curtas arrancadas, e seu deslocamento líquido ao longo de toda a noite é inferior a um metro.

Quão pouca energia basta

Os autores mediram o limiar de sobrevivência: a menor energia armazenada por robô com a qual todos os robôs ainda estão vivos ao nascer do sol, em dez disposições iniciais nunca vistas durante o treinamento. Eles o expressam numa unidade que chamam de pcm-h, que vale 7,2 quilojoules — o que um aquecedor de 2 watts consome em uma hora.

• Robôs deixados dispersos: 328,5 pcm-h.
• Um amontoado que fica imóvel: 246,0 pcm-h.
• O enxame treinado, agregando dez rodadas de treinamento: 155,6 ± 1,3 pcm-h.

Isso é 37% menos que o amontoado imóvel, e apenas 12,7% acima de um limite inferior imposto só pela física (138,1 pcm-h): a energia necessária se os vinte robôs dividissem igualmente a exposição do empacotamento mais denso possível. Com 163 pcm-h, um amontoado imóvel perde seis robôs; o enxame em circulação mantém os vinte.

Outra regra simples escrita à mão se saiu quase exatamente tão bem, com 154,5 pcm-h: cada robô se inclina suavemente para dentro, e aquele que tem menos energia entre os que toca se enfia em direção ao centro com toda a força.

Menos exigências do que o esperado

O comportamento se mantém quando peças são removidas. Sem um ponto de referência comum para se orientar, o limiar quase não muda: fica entre 154,3 e 156,7 pcm-h conforme a disposição inicial, contra 155,4 a 155,7 com ele, embora os robôs se movam mais. Uma rede sem memória custa cerca de 3% mais energia. Treinadas com vinte robôs, as mesmas redes comandam enxames de trinta e quarenta sem novo treinamento, precisando de 5,0% e 8,0% menos energia por robô — contra 5,5% e 10,7% para o limite físico.

Os robôs nem precisam se tocar. Obrigados a manter 25 milímetros de distância entre si, todos eles ainda atravessam a noite com as mesmas redes, por cerca de 13% mais energia armazenada, porque agora o escudo tem lacunas.

Rodas no solo lunar

Tudo aqui acontece em simulação. Os robôs ficam se remexendo a noite toda, o que significa 354 horas de rodas trabalhando contra o regolito lunar (a poeira e as rochas soltas que cobrem a superfície). O modelo não inclui desgaste nem variação do atrito ou do contato. Se as rodas e os corpos aguentam uma noite inteira desse desgaste, ponto que os autores destacam como a principal questão em aberto, ainda não foi testado.