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有些人試圖透過鍛鍊、做志願者或只是放鬆來充分利用他們的空閒時間。另一些人則喜歡利用這段時間來建造可以被髮射到月球，然後自由漫遊月球表面的機器人。一個自稱為“兼職科學家”團隊的工程師和研究人員選擇了後者，他們正在建造一個名為阿西莫夫的月球漫遊車，他們希望它能在 2014 年初贏得令人垂涎的谷歌月球X大獎。
顧名思義，“兼職科學家”團隊的 100 名成員中，至少有一半在工業公司或大學從事全職工作。他們正在與另外 25 個團隊競爭，爭取成為第一個將機器人漫遊車降落在月球上，並使其在月球表面行駛 500 米，同時將高畫質影像和資料傳回地球的團隊。
“兼職科學家”團隊的目標代表了所有參加比賽的團隊的目標——他們追求的不僅僅是 2000 萬美元的一等獎。在引導阿西莫夫超越 500 米的里程碑後，該團隊計劃將漫遊車切換到自主模式，進行餘下的月球探索，使其成為第一個由任何人建造的、無需人工干預即可在月球上導航的機器人。此外，該團隊計劃成為第一個使用超快速圖形處理單元 (GPU) 的團隊——這些單元以其為影片遊戲和 科學模擬渲染複雜圖形的能力而聞名——以幫助他們位於地球的指揮系統、阿西莫夫的著陸器，以及可能阿西莫夫本身，儘可能接近即時地收集、評估和處理資訊。
自主行駛是“兼職科學家”團隊設計和測試新技術的戰略的一部分，這些技術不僅可能影響未來的月球旅行，還可能影響其他的星際探索。“我們不想開發一種專門用於月球的東西，最終對其他人毫無用處，”團隊創始人羅伯特·伯梅說，他目前在柏林擔任德國政府的 網路安全顧問。“我們希望帶上可用的技術並在月球上進行測試，這也是機器人漫遊車將自主執行的原因之一。”
其他團隊出於類似的原因也在開發自主技術，包括由傳奇機器人制造者威廉·“紅”·惠特克領導的Astrobotic Technology, Inc.，以及 Juxtopia Urban Robotics Brilliant Application National (JURBAN) 非營利研究組織。Astrobotic 的著陸系統將透過將來自攝像頭和雷射的即時資料與現有的月球衛星影像對齊來實現自主導航。與此同時，與“兼職科學家”團隊一樣，JURBAN 正在設計具有自主功能的漫遊車。
爭取著陸
所有月球X大獎賽的參賽者都可以訪問美國宇航局的月球勘測軌道飛行器 (LRO) 以及之前載人登月任務收集的影像和資料。儘管如此，該團隊的首席軟體開發人員韋斯利·法勒表示，阿西莫夫在真正降落在月球表面之前，並不會真正知道它需要穿越的特定地形。法勒在底特律附近工作，他的日常工作是編寫軟體，包括為美國環境保護署編寫的程式。
法勒說：“在著陸前的最後幾分鐘裡，我們將從月球獲得大量的影片資料。”此外，將阿西莫夫放置在月球表面的著陸器集成了力反饋感測器，可以分析著陸區域周圍的土壤成分。他說：“我們希望這種視覺和觸覺資料的結合將[產生]前所未有的月球細節水平。”
阿西莫夫將在阿波羅 17 號任務著陸點附近著陸，該地點具有細小的土壤和少量可能阻礙漫遊車前進的大石頭。伯梅說：“我們有一個計算岩石密度的演算法，該演算法表明我們可以進行大量探索，而不會遇到任何麻煩，例如在試圖繞過[一塊岩石]時被困住。”科學家們對這個地點的大部分了解都來自最初的任務以及 LRO 的飛越。
儘管在登月之前進行了所有準備工作，但團隊無法完全確定他們的漫遊車實際上會在哪裡著陸。法勒說：“我們在任務前依賴的是解析度相對較低的資料，並且可能稍後發現那裡有可能會使著陸器傾覆的顛簸。”伯梅補充道：“你需要根據情況進行調整，而為了進行這些調整，你需要資訊。”
漫遊車讓開
即使是美國宇航局在火星上部署的漫遊車，GPU 也應該讓阿西莫夫具有明顯的優勢。自 2004 年降落在紅色星球以來，那裡的漫遊車表現出色，但 勇氣號（當它還在工作時）和機遇號（仍然活躍）必須經常暫停，才能收集、評估和處理有關周圍環境的資訊，伯梅說。漫遊車需要近三分鐘才能處理一對影像——這種延遲導致它們以大約每秒一釐米的平均速度移動。
透過與德國航空航天中心的機器人和機電一體化研究所合作，“兼職科學家”團隊增加了一個自主漫遊車導航系統，該系統具有每秒處理多個影像的能力。該研究所因其多個研究專案而聞名，其中包括旨在執行遠端自主操作的“賈斯汀”移動機器人系統（儘管是在陸地上），以及在國際空間站上進行的用於研究太空機器人的機器人元件驗證 (ROKVIS) 專案。
阿西莫夫的導航系統使用立體攝像頭，在沒有隻能在地球上使用的全球定位系統的情況下，即時計算其自身的運動，生成周圍環境的 2.5 維模型，評估該模型並選擇最不可能導致碰撞的路徑。法勒解釋說：“2.5 維環境由位於離散距離帶中的平面多邊形組成。“想象一下沿著一條路行駛，附近有樹，遠處有山。在 2.5 維中，所有樹和山都在同一距離，在同一個平面上。”例如，如果您靠近一棵特定的樹，那麼這棵樹將呈現出額外的維度，而其他樹將繼續看起來是平的。法勒指出，對於導航而言，這些資料量就足夠了，並且大大降低了所需的計算能力。
GPU 指路
“兼職科學家”團隊可以使用 NVIDIA 公司的多個 GPU。基於 GPU 的計算機將發揮幾個關鍵作用，包括在太空傳輸過程中和月球表面的影像過濾；基於感測器和影片資料的快速測繪；計算到著陸點的最佳軌跡；以及儘管月球與地球之間的訊號延遲為幾秒鐘，仍能最佳化與漫遊車的通訊。GPU 處理器還將分析月球上的射頻訊號，月球表面主要由干擾這些訊號的金屬材料組成。這將幫助團隊確定用於著陸後通訊的最佳頻率。
儘管細節尚未完全確定，但伯梅預計會將一個 GPU 整合到著陸器的計算機系統中，並表示另一個 GPU 可以安裝在漫遊車本身中。阿西莫夫中使用的任何 GPU 都將在漫遊車到達 500 米的里程碑並開始自主執行後才會開啟。伯梅說：“人們非常希望能在漫遊車上安裝 GPU，但由於諸如重量、遮蔽和溫度管理等技術原因，我們可能不得不只在著陸器上安裝一個 GPU。”
伯梅說，人類已經四十年沒有在月球表面操作技術了，而且如今的電子裝置比阿波羅任務中使用的裝置更加複雜——也更加精密。與任何其他裝置一樣，在月球著陸器或阿西莫夫中傳送的 GPU 都需要進行硬化處理，其中包括防輻射遮蔽以及熱管理元件，以保護其免受月球極端溫度範圍的影響。
伯梅承認，無需使用 GPU 即可滿足任何任務需求，但他強調，他的團隊的目標之一是突破現有技術的極限，甚至幫助降低太空旅行的成本。他說：“如果一次性非常昂貴的登月任務不能充當全新技術集的代表，那麼它就沒有任何意義。”