PIXL, l'instrument blanc en haut à gauche, est l'un des nombreux outils scientifiques situés à l'extrémité du bras robotique à bord du rover Perseverance de la NASA. La caméra de navigation gauche du rover martien a pris les images qui composent ce composite le 2 mars 2021. Crédit : NASA/JPL-Caltech
L'intelligence artificielle aide les scientifiques à identifier les minéraux dans les roches étudiées par le rover Perseverance.
NASALe rover Perseverance de Mars utilise des technologies d’intelligence artificielle avancées, telles que l’échantillonnage adaptatif avec l’instrument PIXL, pour analyser de manière autonome les compositions rocheuses à la recherche de signes potentiels de vie microbienne ancienne. Cela représente une étape importante vers des missions spatiales plus intelligentes, capables de prendre des décisions en temps réel sans intervention humaine.
Engins spatiaux intelligents et IA dans l'exploration spatiale
Certains scientifiques rêvent d'explorer des planètes avec des engins spatiaux « intelligents » qui savent exactement quelles données rechercher, où les trouver et comment les analyser. Même si la concrétisation de ce rêve prendra du temps, les progrès réalisés par le rover martien Perseverance de la NASA constituent des avancées prometteuses dans cette direction.
Depuis près de trois ans, la mission du rover teste une forme de intelligence artificielle qui recherche des minéraux dans les roches de la planète rouge. C'est la première fois que l'IA est utilisée sur Mars pour prendre des décisions autonomes basées sur une analyse en temps réel de la composition des roches.
Dans cette vidéo accélérée d'un test effectué à JPL En juin 2023, un modèle d'ingénierie de l'instrument PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) à bord du rover martien Perseverance de la NASA se place contre un rocher pour collecter des données. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Analyse minérale améliorée par l'IA sur Mars
Le logiciel prend en charge PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry), un spectromètre développé par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. En cartographiant la composition chimique des minéraux à la surface d'une roche, PIXL permet aux scientifiques de déterminer si la roche s'est formée dans des conditions qui auraient pu favoriser la vie microbienne dans le passé ancien de Mars.
Appelé « échantillonnage adaptatif », le logiciel positionne de manière autonome l'instrument à proximité d'une cible rocheuse, puis examine les scans de la cible effectués par PIXL pour trouver des minéraux qui méritent d'être examinés plus en profondeur. Tout cela se fait en temps réel, sans que le rover ne communique avec les contrôleurs de mission sur Terre.
Progrès dans l'autonomie des rover et la collecte d'échantillons
« Nous utilisons l’IA de PIXL pour nous concentrer sur des éléments scientifiques clés », a déclaré la chercheuse principale de l’instrument, Abigail Allwood du JPL. « Sans elle, vous verriez un indice intéressant dans les données et vous devriez ensuite réanalyser la roche pour l’étudier plus en détail. Cela permet à PIXL de parvenir à une conclusion sans que des humains n’examinent les données. »
Les données des instruments de Perseverance, dont PIXL, aident les scientifiques à déterminer quand forer un noyau de roche et le sceller dans un tube métallique en titane afin qu'il puisse, avec d'autres échantillons hautement prioritaires, être ramené sur Terre pour une étude plus approfondie dans le cadre de la campagne de retour d'échantillons de Mars de la NASA.
Cette image d'une cible rocheuse surnommée « Thunderbolt Peak » a été créée par le rover martien Perseverance de la NASA à l'aide du PIXL, qui détermine la composition minérale des roches en les exposant à des rayons X. Chaque point bleu de l'image représente un endroit où un rayon X a frappé. Crédit : NASA/JPL-Caltech/DTU/QUT
Étendre les capacités de l’IA au-delà de Mars
L'échantillonnage adaptatif n'est pas la seule application de l'IA sur Mars. À environ 3 700 kilomètres de Perseverance se trouve Curiosity de la NASA, qui a mis au point une forme d'IA permettant au rover de frapper de manière autonome des rochers avec un laser en fonction de leur forme et de leur couleur. L'étude du gaz qui brûle après chaque frappe laser révèle la composition chimique d'une roche. Perseverance dispose de cette même capacité, ainsi que d'une forme d'IA plus avancée qui lui permet de naviguer sans direction spécifique de la Terre. Les deux rovers s'appuient toujours sur des dizaines d'ingénieurs et de scientifiques pour planifier chaque jour les centaines de commandes individuelles, mais cette intelligence numérique permet aux deux missions d'accomplir plus de choses en moins de temps.
« L’idée derrière l’échantillonnage adaptatif de PIXL est d’aider les scientifiques à trouver l’aiguille dans une botte de foin de données, leur permettant ainsi de gagner du temps et de l’énergie pour se concentrer sur d’autres choses », a déclaré Peter Lawson, qui a dirigé la mise en œuvre de l’échantillonnage adaptatif avant de prendre sa retraite du JPL. « En fin de compte, cela nous aide à rassembler les meilleures données scientifiques plus rapidement. »
Positionnement de précision grâce à la technologie de l'IA
L'IA aide PIXL de deux manières. Tout d'abord, elle positionne l'instrument exactement comme il faut une fois qu'il se trouve à proximité d'une cible rocheuse. Situé à l'extrémité du bras robotique de Perseverance, le spectromètre repose sur six minuscules pattes robotisées, appelées hexapodes. La caméra de PIXL vérifie à plusieurs reprises la distance entre l'instrument et une cible rocheuse pour faciliter le positionnement.
Les variations de température sur Mars sont suffisamment importantes pour que le bras de Perseverance se dilate ou se contracte de façon microscopique, ce qui peut perturber la visée de PIXL. L'hexapode ajuste automatiquement l'instrument pour le rapprocher exceptionnellement près de la roche sans entrer en contact avec elle.
« Nous devons faire des ajustements à l’échelle du micromètre pour obtenir le précision « Nous avons besoin de quelque chose », a déclaré Allwood. « Il s’approche suffisamment de la roche pour faire dresser les cheveux sur la nuque d’un ingénieur. »
Créer des cartes minérales détaillées avec l'IA
Une fois que PIXL est en position, un autre système d'IA a l'occasion de briller. PIXL scanne une zone de la taille d'un timbre-poste d'un rocher, en tirant un faisceau de rayons X des milliers de fois pour créer une grille de points microscopiques. Chaque point révèle des informations sur la composition chimique des minéraux présents.
Les minéraux sont essentiels pour répondre à des questions clés sur Mars. Selon la roche, les scientifiques pourraient être à la recherche de carbonates, qui cachent des indices sur la façon dont l'eau a pu former la roche, ou de phosphates, qui auraient pu fournir des nutriments aux microbes, s'il en existait dans le passé martien.
Autonomie future des missions spatiales
Les scientifiques n'ont aucun moyen de savoir à l'avance lequel des centaines de rayons X détectera un minéral particulier, mais lorsque l'instrument trouve certains minéraux, il peut s'arrêter automatiquement pour recueillir plus de données – une action appelée « long arrêt ». Au fur et à mesure que le système s'améliore, apprentissage automatiquela liste des minéraux sur lesquels PIXL peut se concentrer avec une longue période s'allonge.
« PIXL est une sorte de couteau suisse dans le sens où il peut être configuré en fonction de ce que les scientifiques recherchent à un moment donné », explique David Thompson du JPL, qui a contribué au développement du logiciel. « Mars est un endroit idéal pour tester l'IA, car nous avons des communications régulières chaque jour, ce qui nous donne la possibilité d'effectuer des ajustements en cours de route. »
Lorsque les futures missions s'enfonceront plus profondément dans le système solaire, elles seront hors de contact plus longtemps que les missions actuellement sur Mars. C'est pourquoi il existe un intérêt marqué pour le développement d'une plus grande autonomie des missions qui parcourent et mènent des recherches scientifiques au bénéfice de l'humanité.
Le rover martien Perseverance de la NASA
Le rover Perseverance de la NASA, qui fait partie de la mission Mars 2020, est l'un des explorateurs robotiques les plus avancés envoyés sur la planète rouge. Lancé le 30 juillet 2020 et atterrissant sur Mars le 18 février 2021, la mission principale de Perseverance est de rechercher des signes de vie ancienne, de collecter et de mettre en cache des échantillons de roche et de sol martiens et d'étudier le climat et la géologie de Mars.
Le rover est équipé d'une série d'instruments scientifiques pour l'aider dans ses tâches, notamment des caméras, des spectromètres, des capteurs environnementaux et des radars à pénétration de sol. L'un de ses outils les plus remarquables est le PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry), un spectromètre à fluorescence X qui lui permet de réaliser des analyses chimiques détaillées des roches martiennes à l'échelle microscopique.
Perseverance embarque également le premier hélicoptère, Ingenuity, qui va tester un vol motorisé sur une autre planète, élargissant ainsi les capacités des futures missions. De plus, le rover sert de précurseur essentiel pour les futures missions humaines vers Mars, en testant la technologie permettant d'extraire l'oxygène de l'atmosphère martienne et en identifiant d'autres conditions environnementales qui affecteront la vie humaine sur Mars.
En fonctionnant comme un laboratoire mobile, Perseverance ne recherche pas seulement des preuves de la vie microbienne passée, mais ouvre également la voie à une exploration future, mettant en valeur l'intégration de la robotique, de la technologie autonome et de la science planétaire.
