宇航员现身说法,机器人未来可达太空操作

近日,德国航空中心最新研制一款移动机器人系统——“贾斯汀”,这款机器人具有轻重量手臂和四指手,是理想的太空实验平台。该移动机械平台可实现远程自治控制,独立的车轮可满足机器人处理任务时上半身的操作。装配在机器人身体上的传感器和相机使它能创建一个3D环境结构,确保机器人能够独立地工作。 “贾斯汀”机器人不久将派遣至国际空间站欧洲宇航局哥伦比亚实验室进行远程控制,它将与其它欧洲漫游机器人完成一些实验,这些漫游机器人将与遥控机器人在月球等行星上进行探索勘测。在两至三年内,这款太空实验机器人将在地面上模拟宇航员在国际空间站进行移动。 通过配备一个外骨骼结构——结合电子系统的机械手臂和手套,将使机器人手具备敏感触觉,更好地实现远程操控。为了使机器人和“思科网真(一种通过结合高清晰度视频、音频和交互式组件,在网络上创建一种独特的"面对面"体验的新型技术)”结合在太空任务的标配工具中,欧洲宇航局与国际空间站建立连接,可实现地面远程控制太空实验。 这个“梅特龙机械系统(多功能端对端机械操作网络)”将成为月球、火星和其它星体最佳实验平台。欧洲宇航局“梅特龙机械系统”项目协调员金姆-耐尔加德(KimNergaard)说:“国际太空站是理想的太空轨道平台,可真实地模拟人类探索。首次我们必须设置健全的通讯架构,建立一个操作系统和明确一个使宇航员、机器人和欧洲宇航局控制中心有效协同工作的系统。这看起来并非一个简单的任务。” 今年初,欧洲宇航局提出将国际空间站作为太空探测任务的新平台。一些提议呼吁在空间站运行地基机器人。欧洲宇航局人类太空飞行和运营董事会机器人主管菲利普-斯胡奈珍斯(PhilippeSchoonejans)说:“多数提议显示出人们对这一计划的浓厚兴趣。” 欧洲宇航局长期从事未来人类探索任务研究员弗朗西斯-博斯奎隆-弗雷彻维勒(FrancoisBosquillondeFrescheville)解释称,梅特龙机械系统将于不久将来实现,这是因为它可基于现有基础设施和技术,而无需巨大的投资。 在首次梅特龙机械系统测试中,国际空间站宇航员将运行一个基于特殊屏幕和操纵杆的计算机的欧洲宇航局机器人原型。该机器人原型具有四个轮子和两个手臂,配备先进导航系统、相机和传感器,它于2008年欧洲宇航局ESTEC太空研究和技术中心经过测试。下一个阶段,工程师将使宇航员控制具有触觉和力量的机器人,而这种机器人首选是德国航空中心研制的“贾斯汀机器人”。 欧洲宇航局遥控技术&虚拟触觉实验室主管安德烈-希勒(AndreSchiele)解释称,基于触觉,宇航员能够真实感受到该机器人手臂的力量,尤其是在太空实验环境下。例如:它们可以推移一块岩石,或者完成装配硬件等一些更复杂的任务。 无论未来对月球或者火星进行勘测探索,都将需要更为先进的通讯和高级工具。通过最新人类-机械界面技术,宇航员在太空环境将与机器人结合起来探索行星表面。

史蒂夫 · 斯旺森 ( By Steve Swanson )

随着人们考虑在未来到达月球或火星,一个日益激烈的争论吸引了人们的注意:如果光是机器人或者漫游车就能执行必要的科学任务,那我们真的有必要花费数十亿美元把人类送到其他星球上去吗 ?

我个人认为,NASA 需要同时派出人类和机器,接下来让我来解释一下个中原因。

作为一名航天飞机训练机 ( 航天飞机的机载模拟器 ) 的工程师,我在 NASA 开始了 28 年的职业生涯 ; 而在我 17 年的宇航员生涯中,我执行了三次太空任务,其中两次是前往国际空间站的 STS-117 和 STS-119 航天飞机任务。

这两项任务的主要目标都是建造国际空间站,所以留给做科学实验的时间很少,然而,我们的任务还是令人满意的,因为毕竟我们是在太空中建造一个真正的科学实验室。在我的第三次任务,国际空间站第 39 和 40 远征队任务期间,我在国际空间站上生活了五个半月。

当我们在空间站的时候,我和我的同事们做了 300 多个不同的实验。有些实验我们没有接触过,比如用阿尔法磁谱仪扫描宇宙以寻找反物质 ; 有些实验我们只负责布置,然后任务控制系统进行接手 ; 对于其他的实验,我们会亲自进行布置和亲自进行实验 ; 而在一些实验中,我们宇航员自己就是实验对象。

因此,通过利用我们的时间和与地面科学家进行合作,我们在国际空间站的生活中获得了尽可能多的科学成果,通过这种人工和自动化实验相结合的方法,NASA 增加了在国际空间站上进行的科学研究的数量。

阿波罗 17 号 VS 好奇号

如果想要比较一下人类任务和机器人任务的科学产出的话,让我来比较一下 1972 年 12 月进行阿波罗 17 号计划 ( 最后一次登月任务,吉恩 · 瑟曼和哈里森 · 施密特在月球表面逗留了 75 小时 ) 和好奇号火星任务,对比的变量有以下三个:距离、成本和土壤样本。尽管这两项任务截然不同 ( 前者是月球任务,后者是火星任务 ) ,但它们之间还是有一些相似之处来帮助我们比较它们的效率。

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这张美国宇航局 " 好奇号 " 火星漫游者的自拍展示了它所在的位置,在那里,好奇号使用它的钻头为这次任务收集了的第五次夏普山标本。 ( 图片:NASA )

就距离而言,人类毫无悬念地赢了。阿波罗 17 号的两名宇航员在三天的时间里在月球上行驶了 35 公里,也就是每天大约 11.6 公里。而截至 2019 年 2 月," 好奇号 " 已经在火星上行驶了 20.16 公里,自 2012 年 8 月开始在火星上飞行以来,平均每天行驶 9 米。

我不是在抨击好奇号或者它的任务团队,但是,和 5500 万到 4 亿公里以外 ( 这取决于地球和火星在轨道上的相对位置 ) 的一辆火星漫游车合作执行科学任务是极其困难的,如果地球上的好奇号团队对火星漫游车发出了错误的指令,这样就有可能会危及甚至结束整个好奇号任务。因此,他们必须要慢慢行动,每一步都要进行仔细认证,这意味着人类只需几个小时就能完成的事情——比如采集多个岩石样本——需要花费机器人几周的时间。

在阿波罗 17 号期间,宇航员收集了 741 个岩石和土壤样本,其中包括一个 3 米长的深钻孔岩芯样本,这相当于平均每天采集 247 个样本。而在好奇号方面,我很难找到同样的信息,不过我发现了截至 2019 年 1 月 15 日,好奇号已经钻探了 19 个地点,并在没有钻探的情况下采集了两个样本,所以好奇号在火星上最多采集了 30 个土壤样本,也就是说,平均每天采集 0.013 个土壤样本,这充分表明了远程操作一台机器到底有多么地困难。当诸如钻头之类的设备发生故障时,由于身处火星,好奇号并不能得到修理,因此,研究小组必须曲线救国,找到解决问题的方法,好奇号才能继续进行科学任务。

阿波罗任务成本 VS 好奇号任务成本

以 2015 年的美元价值计算,阿波罗计划的 7 次登月任务每次约耗资 200 亿美元,而同样按 2015 的美元价值换算," 好奇号 " 的成本约为 25 亿美元。

我把月球任务和火星任务进行比较是有点不公平,所以,让我们来估算一下人类火星任务的预计成本——每次任务的成本将在 1000 亿到 5000 亿美元之间,不过我想这个数字将会更接近 5000 亿美元或者更多,因为单单国际空间站就花费了 1500 亿美元左右。

如果我们假设每个火星人类任务的成本为 5000 亿美元——这个数字很有可能会因为进行多次火星人类任务而减少——那么人类任务将会有更好的投资回报比。根据上面的粗略估计,我们可以认为,一个有四名宇航员的火星人类任务成本将是漫游车任务的 200 倍左右,但在执行科学任务的效率方面,人类任务至少是漫游车任务的 500 倍。

太空探索既需要机器人也需要宇航员

我承认,这些快速计算是有很大的误差,但我这样做是为了试图强调人类参与太空任务的好处。因此,我认为最具成本效益的解决方案是同时使用人类和漫游车,这也是我们一直以来赖以提高国际空间站科学产出的方法。

如果沿用这种方法的话,那么对于火星来说,我们可以让世界各地的任务控制小组继续像现在一样使用漫游车进行实验——但是这些小组进行科学研究的速度可以更快一些,因为如果探测器卡住或者出现故障的话,附近总会有人帮忙。

把人类送上太空比探测器和漫游车要昂贵得多,但我们不能忽视的是,人类能够迅速适应意外情况,修理和修改设备,这反过来也会提高任务成功的可能性。

从人类的角度来看

人类对一个新世界的许多了解恐怕是区区一个传感器所无法传递的,它感觉起来怎么样 ? 它看起来像什么 ? 闻起来像什么 ? 这就是地球上大多数人对太空探索这个概念所联想到的问题,因此,拥有这种人性化的视角对于激发人们的热情来说至关重要。

例如,当我们谈论太空时,人们问我的第一个问题很简单," 它是什么样的 ?" 他们想知道从刷牙到太空行走等所有活动的所有细节。而我总是补充说,我们从来都不知道我们在太空的每一天过得怎么样,因为我们的大多数任务,无论是科学任务还是维护任务,都遇到过需要人类来解决的问题。

火星上的漫游车确实创造了奇迹,同时它也帮助提高了人们对行星探索的热情,但我相信,人类火星任务带来的影响将会大得多。

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