NASA の気球搭載太陽系外惑星観測望遠鏡 EXoplanet Climate Infrared TElescope (EXCITE) がこの秋、上空に打ち上げられる際には、ユニークな特徴を持つ足場と支持支柱が使用される。それらは人工知能アルゴリズムによって設計されたのだ。
NASAゴダード宇宙飛行センターの研究エンジニア、ライアン・マクレランド氏の設計は、「進化型構造」と呼ばれる手法を使用し、市販のAIソフトウェアを使用して民間業者が機械加工できる部品を製造することで、宇宙船の構造部品の質量を3分の2に減らし、同時に応力リスクを減らすことを目指したという。
「見た目はどこか異質で奇妙だが、実際に機能するのを見ると、本当に意味がわかる」とマクレランド氏は語った。
NASAのEXCITEミッションのためにAIを活用して設計された進化した構造
エイリアンでないとしても、その部品は、サイエンスフィクションを信じるならば、他の惑星で自然に発生した宇宙船のニーズに合わせて進化した骨や構造のように、生物学的なデザインであると言えるだろう。
NASAの説明にあるように、設計プロセスを考えると、これは理にかなっています。エンジニアはCADソフトウェアを使用して、部品に必要な機能、他の部品への取り付け方法、材料を配置できないデッドスペースの定義などをシステムに指示し、AIシステムがそこから部品を生成します。
マクレランド氏は、このプロセスにかなりの時間を要していた昔とは大きく異なる、と述べている。「試作品の設計、分析、製造までを1週間ほどで完了できます」と、マクレランド氏はこの先進的な手法について語った。
とはいえ、設計はコンピュータが独立して行っており、AIは与えられた情報に基づいて常に最善の成果を出すとは限らないことは周知の事実です。マクレランド氏は、今回のケースも同様であり、だからこそ進化型構造設計プロセスにおいて人間のレビュー担当者は依然として不可欠であると述べました。
「人間の直感は見た目が正しいことを知っているが、アルゴリズムに任せてしまうと、構造が薄くなりすぎることがある」とマクレランド氏は言う。
NASAはジェネレーティブデザインに熱狂している
マクレランド氏は、COVID-19パンデミック中に進化構造法の研究を開始し、このプロセスのために数回にわたる研究資金を受け取っていると述べた。
NASAによると、この設計システムはすでに開発中のNASAのいくつかのミッションに採用されており、「天体物理学気球観測所、地球大気スキャナー、惑星観測機器、宇宙天気モニター、宇宙望遠鏡、さらには火星サンプルリターンミッション」も含まれるという。
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計画通りに進めば、EXCITEは他の恒星を周回するホットジュピターのような惑星の大気を研究するために使用される予定です。この探査機は、対象恒星を継続的に観測する位相分解分光法を実行するように設計されており、その感度範囲は太陽系外惑星の大気中の微量の水素や炭素含有分子を検出するのに役立ちます。
EXCITEプロジェクトを率いるNASAゴダード宇宙飛行センターの物理学者ピーター・ナグラー氏は、EXCITEの計画にはAI設計を試すことが理にかなっている難しい部分がいくつかあると語った。
例えば、EXCITE用に設計された支柱は、ねじれ、交差し、不均一に見える。しかし、これらの支柱は、空中にいるEXCITEのSUVサイズの積載物を引っ張る、中心からずれた力に耐えるのには最適である。
NASAのEXCITEミッションのために設計された進化した構造サポートストラット
EXCITEの大型フレームには、レーザー機器用の通路に加え、建設中に人が手を入れて電子機器を操作するスペースも確保されている。ナグラー氏によると、この部品の設計要件は特に難しかったという。なぜなら、この部品はコアとなるアルミニウム構造とは全く異なる素材であるカーボンファイバープレートに取り付ける設計になっているからだ。
これらすべての要素を考慮すると、足場の設計は、「これらの材料が熱膨張特性に大きく異なるにもかかわらず、足場と炭素繊維の間にインターフェースを設けて、どちらの材料にも負担をかけないように構築できる」とナグラー氏は述べた。
マクレランド氏は、彼のような一回限りのデザインを特に活用する NASA で、彼の AI によるデザインアプローチがより広く採用されることを期待している。
「バイクや自動車のメーカーなら、生産するシャーシの設計は1つだけで、それを大量に製造することになるかもしれません。しかしNASAでは、毎年何千もの特注部品を製造しています」とマクレランド氏は述べた。
EXCITE の最初の長期飛行は 2024 年に予定されていますが、チームは「早ければ」今年の秋にエンジニアリング テスト飛行を開始したいと考えています。®
