新太空版樹莓派順利升空!Astro Pi專案解析

作者:陸向陽

 

2021年12月21日,新一代的Astro Pi運用火箭(註1、2)順利送上國際太空站(International Space Station, ISS)(註3)。Astro Pi是什麼?為何要去太空站?本文以時間脈絡方式說明。

Astro Pi計畫 激勵學生開發動力

多數人知道樹莓派(Raspberry Pi, RPi)發創於2012年,發創後在2014年樹莓派基金會發起一項名為Astro Pi的活動,活動以RPi硬體為基礎,但附加上多種感測器、搖桿、按鈕、LED矩陣顯示器等,然後也加上因應航太環境的機構設計,如散熱片、鋁質機殼、黏貼扣、支撐臂,如此的RPi稱為Astro Pi。Astro Pi可在太空環境運作,活動計畫上要將2台Astro Pi送上國際太空站運作。

圖2 國際太空站(圖片來源:ESA–L. Parmitano,授權方式CC BY-SA 3.0 IGO)

有了硬體後,接著向19歲以下的廣大學子發出邀請,鼓勵撰寫並提交可在Astro Pi執行的程式,提交的程式會隨Astro Pi一起上太空,在太空站上執行,太空站裡的太空人會把執行結果記錄下來並傳回地球,優勝程式的撰寫人可獲得1台標準RPi、1台Astro Pi、1張電子證書,以及跟Astro Pi團隊、太空人見面,這對學生是一大肯定與鼓舞。

Astro Pi的活動主要在激勵學生的開發動力與樂趣,畢竟學生照著範例程式來撰寫、執行,所能獲得的成就感有限;個人數位創作或參與電子競賽或許可以帶來更大的肯定,但離真正業界實務尚遠;若是運用學生對太空的好奇與嚮往,從而撰寫更能受現實歷練的程式,就更理想。也因此英國商務部在活動成立之初就資助200萬英鎊,期許學子更快成長。

2015年12月2台Astro Pi順利到達太空站,一台叫Astro Pi Ed,負責太空生活(Life in Space),主要用Astro Pi的感測器來感測太空站內的各種生活環境動向,如溫度、濕度、重力方向、空氣品質等;另一台叫Astro Pi Izzy,被黏貼在太空站的對外觀景窗上,窗外對著地球,負責地球生活(Life On Earth),從太空角度觀察地球的各種動向,如雲層、植被、磁場等變化。

Astro Pi活動最初在英國,後來法國太空人加入,2017年更擴大與歐洲太空總署的教育單位ESA Education(European Space Agency)合作,向22個ESA成員國開放(註4),成員國的19歲以下學子都可參與競賽,活動也擴大成兩大項:零號任務(Mission Zero)與太空實驗室任務(Mission Space Lab),前者給初階學子,鼓勵性質為多,後者則為較正式的太空實驗應用(註5)。

圖3 ESA詳解Astro Pi(圖片來源:ESA

圖4 小女孩Liz獲得參與2020/21年Mission Zero的認證(圖片來源:樹莓派基金會)

Astro Pi競賽活動至2019年已有6,559份程式上太空,到了2021年則有9,408份,參與人數計有14,993人,其中Mission Zero有來自24國的14,054名年輕人撰寫程式,每個程式在太空中有30秒的執行時間,撰寫內容主要是用濕度感測器感測後,透過LED矩陣將濕度資訊呈現給太空人看;至於Mission Space Lab則有939名學生、232個團隊參與,每個程式可執行3小時。

配合全新賽程 新版Astro Pi抵達太空站

2015年Astro Pi升空後,畢竟RPi改版快速,2019年Astro Pi團隊就在開發新版(或稱為增強版)的Astro Pi,好取代第一套上太空的Astro Pi,新版稱為Astro Pi VIS與Astro Pi IR,如最一開頭所述:新版已順利到達太空站,並取代Ed、Izzy。

圖5 新版Astro Pi的組成(圖片來源:樹莓派基金會)

圖6 取代Astro Pi Izzy的Astro Pi IR(圖片來源:歐洲太空教育資源辦公室ESERO

新的Astro Pi使用RPi 4,記憶體8GB,並追加配置RPi官方的高品質攝影機、Google的Coral機器學習硬體加速器、顏色與亮度感測器,以及被動紅外線感測器。其他感測器則與前代相同,如陀螺儀、加速度感測器、磁阻感測器、溫度感測器、濕度感測器、壓力感測器等。

事實上發射新的Astro Pi也是為了新的賽程,新一輪的Mission Space Lab有更多團隊報名參與,已有來自23國800多個團隊報名,參與人數3100多人,程式提交截止時間2022年2月24日,目前已提交的研究提案約有一半(49%)用及機器學習,或許這是新Astro Pi會附加上機器學習硬體加速器的原因。

同樣的,Mission Zero也同樣開放新一輪的報名參與競賽。有意思的是,疫情期間為了讓小孩在家能專注於學習與創意,Mission Zero競賽改變賽則,變成個人或團體都可報名參加。

小結

或許,Astro Pi活動、挑戰賽也可以給予國內相關啟發,雖然不容易上到國際太空站,但是用熱氣球高空觀察記錄與研究台灣,或裝設在高山、海岸,或過去曾有媒體將廢棄物埋入定位器,追蹤廢棄物車輛動向等,也都可以參考借鏡。

註1:在美國佛羅里達州甘迺迪太空中心39A發射場,使用SpaceX公司的Flacon 9(隼)火箭,火箭頂部為Dragon 2(龍)太空船,透過太空船將Astro Pi運載到太空站上,太空船上也有其他物資,如食物、聖誕禮物、研究中的癌症藥物所需的材料、研究傷口癒合實驗的生物列印機、研究洗滌劑如何在微重力下運作的材料。

註2:SpaceX是知名科技人士Elon Musk(俗稱鋼鐵人)的公司,主要為研製可多次回收利用的火箭,並提供將物資(多為人造衛星)運上太空的發射服務。過往要將物資送上太空多使用一次性火箭,完成運送後火箭即拋向外太空或最終墜毀於地球,導致發射成本高,之後改以太空梭(大陸稱航空飛機、香港稱穿梭機)取代,但太空梭需要人為操作,在數次災故並犧牲多名太空人,人們放棄太空梭回頭用火箭,但試圖能妥善回收火箭,SpaceX即著眼於此,但也有人其他發射技術在發展中,如無人機拋送、有駕駛員的高空飛機拋送等。

註3:太空站是一種載有太空人、較大型的人造衛星,與人造衛星相同均繞著地球運轉,但具有較大的姿態自主性、速度調控能力。

註4:之後達23~26國,包含歐洲以外的加拿大等。

註5:程式主題有5種可選,包含太空飛行感測器、衛星成像、太空量測、資料融合、太空輻射等。

註6 : 正體、簡體差異:

  • 太空站=空間站
  • 太空人=宇航員
陸向陽
陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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