Tháng Tám năm ngoái, đã tròn 13 năm kể từ ngày tôi cắm trại tại phòng báo chí của Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) ở Pasadena, California, hồi hộp chờ đợi xem liệu rover Curiosity có sống sót sau quá trình hạ cánh đầy kịch tính xuống bề mặt Sao Hỏa hay không. Nó đã làm được, và thật phi thường!
Kể từ đó, Curiosity (còn gọi là Mars Science Laboratory) đã di chuyển gần 37 km, khoan và lấy mẫu 42 loại đá khác nhau, và tính đến thời điểm hiện tại, đã chụp gần 763.000 bức ảnh. Việc robot này vẫn miệt mài làm việc, thực hiện các nghiên cứu khoa học thực sự ở tuổi 13 là điều hoàn toàn khó tin. Sao Hỏa không chỉ là một môi trường cực kỳ khắc nghiệt đối với robot, mà loại bảo trì duy nhất mà các kỹ sư JPL có thể thực hiện chỉ là gửi các bản cập nhật phần mềm rất, rất cẩn thận.
Tuy nhiên, những bộ óc thông minh tại JPL đã tìm cách giữ cho Curiosity an toàn, ấm áp, di động và tiếp tục làm khoa học, bất chấp những bánh xe đã mòn và năng lượng ngày càng giảm. Một trong số đó là Alexandra Holloway, trợ lý trưởng nhóm vận hành kỹ thuật cho Curiosity, người đã chia sẻ với IEEE Spectrum về cách giữ cho Curiosity hoạt động, tương lai của nó, và cách JPL đã sử dụng kinh nghiệm đó để tạo ra các rover như Perseverance thậm chí còn có năng lực hơn.
Điều kỳ diệu của tuổi thọ 13 năm
Chúng ta nên kinh ngạc đến mức nào khi sau 13 năm trên Sao Hỏa, Curiosity không chỉ vẫn làm khoa học mà còn ngày càng có năng lực hơn?
Alexandra Holloway: Bản thân tôi cũng kinh ngạc! Tuổi thọ của nó đến từ rất nhiều công việc liên tục. Không chỉ Curiosity được chế tạo mạnh mẽ; mà còn vì chúng tôi liên tục nỗ lực để đảm bảo nó có thể tiếp tục tuổi thọ đó. Tôi nghĩ về tất cả các loại hệ thống nhúng khác nhau, từ ô tô đến tủ lạnh, và không có hệ thống nào có tuổi thọ như chúng tôi có với rover này. Điều đó thật khó tin và đầy cảm hứng. ✨
Curiosity và Perseverance: Những điểm tương đồng và khác biệt
Rover Perseverance, trẻ hơn Curiosity chín năm, có khác biệt đáng kể về phần cứng và phần mềm không?
Holloway: Về phần cứng, hai rover thực ra rất giống nhau. Cả hai đều sử dụng bộ xử lý RAD 750 và có cùng dung lượng bộ nhớ. Tuy nhiên, Perseverance có thêm một bộ xử lý riêng cho đo đường thị giác (visual odometry), cho phép nó tự lái. Sự khác biệt này phản ánh thiết kế nhiệm vụ chính của chúng: Perseverance được thiết kế để di chuyển quãng đường dài, trong khi Curiosity tập trung vào việc lấy mẫu. Vì vậy, khả năng lập lịch trình trên Perseverance được tối ưu hóa cho việc lái xe. Thực tế, chỉ năm ngoái, Perseverance đã vượt qua quãng đường di chuyển của Curiosity chỉ sau khoảng ba năm trên Sao Hỏa. 🏎️💨
Bộ nhớ và các bản sửa lỗi phần mềm của Curiosity Rover
Bạn có thể đưa ra một vài ví dụ về những điều chỉnh quan trọng mà nhóm đã thực hiện để giữ cho Curiosity hoạt động không?
Holloway: Một trong những ví dụ yêu thích của tôi đến từ sự cố bộ xử lý vào Sol 2172 (Sol là ngày Sao Hỏa – khoảng 24 giờ 40 phút). Curiosity có hai máy tính, A và B. Chúng tôi hạ cánh bằng máy A, sau đó chuyển sang máy B do sự cố bộ nhớ NAND sớm (Sol 200). Trong nhiều năm, chúng tôi hoạt động tốt trên B, cho đến một ngày nọ có vấn đề—B khởi động nhưng không thể gắn phân vùng ổ đĩa của nó. Chúng tôi chưa bao giờ thấy điều này trước đây. Để bảo toàn dữ liệu của B, chúng tôi chuyển trở lại A, vốn không được tin cậy trong hai nghìn Sol. A cũng có bộ nhớ bị suy giảm, chỉ còn hai gigabyte dung lượng lưu trữ khả dụng thay vì bốn.
Chúng tôi đã chuyển dữ liệu từ B sang A một cách cẩn thận, sau đó xuống Trái đất, và cuối cùng chúng tôi đã chuyển hết những gì cần chuyển. Điều đó thật tốt, bởi vì sau đó A bắt đầu hoạt động kỳ lạ theo cách tương tự như vào Sol 200 – nó hoạt động như thể bộ nhớ của nó bị bong ra. Điều đó thật tệ. 😱
Chúng tôi nhanh chóng chuyển trở lại B, định dạng lại nó và làm cho nó hoạt động trở lại. Vấn đề sau đó là chúng tôi không thể tin tưởng bộ nhớ của A chút nào, nhưng chúng tôi cần một máy tính thứ hai làm "phao cứu sinh" cho việc chẩn đoán và chuyển dữ liệu nếu B lại gặp sự cố. Chúng tôi nhận ra mình còn một chỗ khác có bộ nhớ: nơi chúng tôi lưu giữ phần mềm chuyến bay. Chúng tôi có bốn bản sao phần mềm chuyến bay (hai phiên bản hiện tại và hai phiên bản cũ hơn) trong các ngân hàng bộ nhớ rất nhỏ, chỉ 32 megabyte mỗi cái. Nếu chúng tôi loại bỏ các bản sao phần mềm chuyến bay cũ và sử dụng 64 megabyte bộ nhớ NOR đó làm hệ thống tệp cho máy tính A thì sao?
Đó là những gì chúng tôi đã làm. Nó thật thanh lịch! Máy tính A đang hoạt động với chưa đến 1% bộ nhớ ban đầu của nó, nhưng chúng tôi vẫn có thể thực hiện một nhiệm vụ trên đó. Một nhiệm vụ nhỏ, nhưng chúng tôi không phải loại bỏ bất kỳ khả năng cốt lõi nào. Chúng tôi vẫn có thể lái xe, quản lý dữ liệu, thậm chí về lý thuyết có thể làm khoa học. Mọi thứ hoạt động tốt, chỉ chậm hơn và nhỏ hơn nhiều. Bản phát hành phần mềm chuyến bay đó thậm chí còn được gọi là "R-Hope" vì chúng tôi hy vọng nó sẽ hoạt động. 🙏
Những hạn chế về tuổi thọ của Curiosity
Những hạn chế nào đối với tuổi thọ của Curiosity?
Holloway: Thử thách phần cứng lớn nhất của chúng tôi là hao mòn bánh xe. Trông như thể chúng tôi đang lái trên địa hình cát có lẫn đá, và trực giác mách bảo chúng tôi rằng chỉ cần lái qua những tảng đá này, chúng sẽ bị đẩy xuống cát và không có vấn đề gì lớn. Nhưng điều chúng tôi nhận thấy là những tảng đá nhỏ đó thực ra là đỉnh của những tảng đá lớn bị chôn vùi trong cát, và chúng sắc như dao cạo. Bánh xe của chúng tôi bị xé nát khi lái qua chúng, đặc biệt là bánh trước, vì vậy chúng tôi bắt đầu lái lùi. ⚙️
Chúng tôi cũng theo dõi các vật tư tiêu hao. Chúng tôi xem xét số lần chúng tôi di chuyển các cơ cấu chấp hành (actuators), đó là một vật tư tiêu hao—Curiosity đã không chụp ảnh tự sướng trong một thời gian, và một trong những lý do là điều đó rất khó khăn đối với các khớp nối cơ cấu chấp hành. Bộ nhớ trên bo mạch của chúng tôi là một vật tư tiêu hao, nhưng đáng ngạc nhiên là chúng tôi chưa đến gần chu kỳ sống của bộ nhớ. Vật tư tiêu hao lớn nhất của chúng tôi là năng lượng; chúng tôi có một RTG, một nguồn điện hạt nhân, mà sản lượng của nó giảm dần theo thời gian. 🔋
Các nhiệm vụ mới hơn đang sử dụng bộ xử lý Snapdragon, nhưng RAD 750 của Curiosity là một 'kẻ ngốn điện'. Một trong những điều chúng tôi đã triển khai rất tốt là cách giảm thời gian chúng tôi bật máy tính, bằng cách tận dụng thời gian khi chúng tôi hoàn thành hoạt động sớm và đi ngủ, điều này cho phép chúng tôi tắt máy tính và một số bộ phận sưởi ấm. Một điều khác chúng tôi đang xem xét là thực hiện mọi thứ song song khi bật máy, như có thể lái xe hoặc sử dụng cánh tay trong khi liên lạc với vệ tinh quỹ đạo.
Vì vậy, năng lượng đang giảm, và điều đó khiến chúng tôi phải thực hiện tất cả công việc song song này và trở nên hiệu quả hơn, tinh tế hơn trong cách vận hành, nhưng chúng tôi không có bất kỳ sự suy giảm đầu ra khoa học nào vào thời điểm này. Bánh xe của chúng tôi vẫn hoạt động, cánh tay của chúng tôi vẫn ổn cho đến bây giờ (gõ vào gỗ). Tôi sẽ nói có lẽ nút thắt cổ chai là ngân sách.
Tác động của Curiosity đến việc khám phá Sao Hỏa trong tương lai
Bạn đã học được gì từ Curiosity mà sẽ cải thiện các nhiệm vụ trong tương lai?
Holloway: Với tư cách là một người làm phần mềm chuyến bay nhúng, tôi nghĩ về cách chúng ta có thể thay đổi, thêm hoặc sửa đổi các khả năng phần mềm trong nhiệm vụ. Chắc chắn có một điểm tối ưu cho việc tải và vá phần mềm chuyến bay—một số khái niệm này đã được tiên phong trên Spirit và Opportunity và sau đó được kế thừa bởi Curiosity và Perseverance, giúp việc hiểu và thay đổi phần mềm dễ dàng hơn.
Một số điều tôi ước chúng tôi có bây giờ trên [Mars Science Laboratory] bao gồm hiểu rõ hơn về việc năng lượng của chúng tôi đang đi đâu. Tôi muốn xem mỗi thành phần đang tiêu thụ bao nhiêu năng lượng mỗi phút, để chúng tôi có thể kiến trúc một hệ thống phần mềm có thể cân bằng tải tốt hơn. Chúng tôi có một số thông tin này đã được tích hợp bởi các kỹ sư đã thiết kế rover, nhưng với tư cách là người vận hành, tôi muốn một cái gì đó hơi khác một chút. Vì vậy, nếu tôi đang xây dựng một nhiệm vụ, tôi sẽ có những cuộc thảo luận đó sớm hơn, và mời các người vận hành vào phòng để nói, 'bạn muốn sản phẩm dữ liệu của bạn trông như thế nào?'
Bài học quan trọng để thiết kế các nhiệm vụ trong tương lai là nói chuyện với tất cả người dùng của bạn sớm trong quá trình thiết kế – điều đó cần phải xảy ra ngay từ đầu. 💡
Tương lai dài hạn của Curiosity
Tương lai dài hạn của Curiosity trông như thế nào?
Holloway: Đó là một cuộc trò chuyện đang diễn ra, và nó thực sự rất tế nhị. Chúng tôi có rất nhiều thiết bị khoa học, và rất nhiều trong số chúng liên quan đến khoa học tiếp xúc và lấy mẫu, phụ thuộc vào cánh tay robot. Nếu chúng tôi mất cánh tay, chúng tôi vẫn có thể làm khoa học gì? Vâng, chúng tôi cũng có rất nhiều cảm biến từ xa, như camera, cảm biến môi trường và cảm biến bức xạ. Tất cả những điều này đều quan trọng cho tương lai của việc khám phá không gian và con người trên Sao Hỏa.
Từ góc độ năng lượng, RTG của chúng tôi được dự kiến sẽ bắt đầu làm suy giảm đầu ra khoa học trong nhiệm vụ mở rộng thứ sáu, nhưng chúng tôi sẽ ổn cho đến năm 2035, và có thể còn xa hơn thế. Vì vậy, chúng tôi có một tương lai lâu dài và thú vị phía trước. Chúng tôi cần tìm ra cách vận hành tốt nhất trong các hạn chế của mình, nhưng chúng tôi vẫn đang tiếp tục hoạt động! 💪🚀