未来深空探测中的人机联合探测
□ 郑昱 陶倩楠
1971年7月30日，“阿波罗” 15号飞船成功登陆月球，与以往任务不同的是，这次任务搭载了一辆月球探险车，这辆月球探险车在持续三天的月面活动中成为了航天员的重要“伙伴”。当斯科特驾驶月球车以10千米/小时左右的速度在月球上“飙车”时，一个崭新的时代——人机联合深空探测的时代，已经悄然来临。
深空探测是指航天器在飞行过程中，其所处的主引力场是地球以外的天体，或处于多体引力平衡点附近的空间探测活动。有人参与的深空探测任务就是指以月球、小行星、火星及其卫星为目标的有人类航天员直接参与的地外天体探测任务，航天器的飞行过程包括去、登、驻、用、回等飞行过程，任务包括短期、中期和长期任务。
深空探测中的人机联合探测，是指人在地外天体上使用各种机械设备包括车辆、机器人及各种探测和工程设备共同完成探测和作业活动，完成“人”或“机”无法单独完成的任务。
由于有了人的参与，其优势表现在：通过航天员对环境的直接判断，可实现快速高效的机动作业；基于航天员的智能，实现问题决策与快速响应；通过人机联合方式，完成复杂的作业活动；实现更好的系统管理与维修等。然而，由于载人深空探测任务的特殊性，其带来的问题也值得关注。本文将从人机联合作业中的人机对话、人与智能装备的联合探测、人与无人机的联合探测三个方面展开叙述。
深空探测中的人机对话
虽然智能装备可以通过“机器学习”具备很高的智能，但仍需要在人的控制指令下进行作业。同时，考虑到深空探测中作业环境十分恶劣，需要研究新型交互技术，即非精确交互技术在人机联合中应用的可行性。未来深空探测中的人机交互技术，应是非精确交互与精确交互构成的多通道交互体系。
目前比较典型的精确人机交互接口指令可分为两种：第一种是通过专用控制设备（如游戏杆）发送的指令，这种指令在存在显著性延时的情况下将失去效用。第二种是以序列呈现的驱动机器人的高层目标指令，需要花费较多时间去完成。深空探测中，航天员与生命保障设备等关系到航天员生命的设备之间的交互应该采用精确交互方式，以最大程度地避免误操作威胁航天员生命。
非精确交互，指的是以语音交互、脑机接口等技术为代表的交互技术，强调的是识别和多通道互相约束，而不是精准。深空探测任务周期短，任务体量大，航天员不可能也没有必要事必躬亲，只需用合适的方式将系统级的任务指令发送给机器，并对任务进度进行监督即可。
语音交互
语音交互是将用户输入的语音转化为相应的文本或命令，并进一步转化成机器合成的语音，机器从中获取语义信息从而获得相应指令的技术。Iphone4s上开始使用的智能语音助手（siri）就是一种语音交互技术。好莱坞则在电影《钢铁侠》中展示了语音交互的最高境界，托尼·斯塔克只需发送一些简单的语音指令，贾维斯就可以进行机动或者发动攻击。深空探测中，语音交互技术可以很大程度提高人机联合探测效率。举例来说，火星探测中一项重要任务是火星资源探测，当航天员到达一片感兴趣的区域时，航天员通过语音发送“取样分析”指令，智能装备就执行开采样本、分析样本成分等操作，航天员只需等待分析结果并发送下一步的指令。
“阿波罗”15号的月球车
国际空间站机械臂
“阿尔法狗”对阵李世石
脑机接口
美剧《生活大爆炸》中有一个经典桥段：谢尔顿·库珀手摁太阳穴，幻想通过脑电波控制自己的室友。这一举动因荒诞不羁而产生了喜剧效果。但是这一桥段却蕴含了脑-机接口技术的雏形，大脑在产生意识之后和动作执行之前，其神经系统的电活动会发生相应的改变，通过对这些电活动进行识别，配合相应的计算机程序，就可以实现在没有肌肉和外围神经直接参与的情况下，将人类的思维活动转变成命令信号，从而实现人类对各种机械设备的控制。
深空探测中，地外天体环境恶劣，航天员应该尽可能减少出舱或者出基地活动。使用虚拟现实技术、脑机接口技术生成类似阿凡达遥操作的虚拟场景就成了最好的选择。航天员通过虚拟现实技术观察机器人所处的环境，通过脑机接口发动控制指令，机器人在基地外开展各种作业。最终实现人的智能与机器人的环境适应性相结合，最大程度地保障航天员安全的同时又可以提高人机联合探测效率。
这一技术的最大瓶颈在于大脑电信号的识别，目前最成功的应用实例是俄罗斯泽列诺格拉茨克的神经机器人公司研发成功的受大脑控制的四旋翼飞行器。在国内，2012年，浙江大学就曾研发成功过脑控四旋翼的样机，只能识别出起飞、旋转、向前飞行、上升、下降五个指令。
人与智能装备
人机联合探测的一个优势在于航天员的参与，可以弥补机器判断、识别和决策能力的不足。但这并不意味着机器的智能就不重要，相反，智能装备技术的进步，使得机器可以很大程度地加强人的智能。深空探测中协助航天员开展探测的智能装备，包括智能人形机器人和智能工业机器人两种。
俄罗斯脑控四旋翼
火星旋翼机想象图
女武神机器人
智能人形机器人
深空探测中，协助航天员的又是什么类型的智能装备？科幻而又霸气的智能人形机器人肯定是不二之选。美国航宇局和通用汽车公司联合研发的新一代灵巧机器人航天员（英文简称为R2），已经在国际空间站中得到应用，未来这种机器人的衍生型号将应用于深空探测中。机器人航天员拥有仿人形构造的头、灵活的双臂和手部关节，可以充分利用双手去开展工作，手和手臂的灵活程度近似于戴着手套工作的人类航天员。最重要的是，机器人航天员具有学习能力，国际空间站站长凯利说，与机器人航天员一起工作可以看作是监管一名新来的员工，起初需要给很多细节方面的指导，随后就比较轻松愉快。“它能感知并按照需要去适应环境，是个灵活的家伙，在作用上拥有无限的可能性”。
除了机器人航天员，美国航宇局还在研发适用于火星任务的机器人航天员——女武神，这款人形机器人高1.8米，质量130千克，能够优雅地保持平衡。目前，女武神的原型已经送往麻省理工学院和美国东北大学，美国航宇局将与两所大学合作研究机器人的敏捷性和人工智能性。
智能工业机器人
深空探测，尤其是建设外星基地的过程中，会不可避免地涉及到大量的土工作业。以月球基地为例，月球基地建设需要涉及生活和实验系统、能源系统、受控生态系统、通讯和导航系统、资源开发利用系统、地月空间运输系统、月面移动运输系统和起飞与着陆系统。大量的土工作业不能仅靠航天员和人形机器人来完成，需要各种各样的工业机器人参与进来。同时，航天器在飞行过程中，也需要智能的工业机器人，即空间机械臂来协助进行自身的维护、保养等工作。
国际空间站机械臂
“阿里纳斯”无人机内部想象图
“阿里纳斯”无人机想象图
空间机械臂在国际空间站的应用，已经具备了人机联合的雏形，加拿大、日本、欧空局研发的机械臂都在国际空间站上得到了应用。航天员在空间站中，通过人机交互设备控制机械臂的工作，完成空间站在轨装配、污染清理、载荷更换与补充等工作。而在工业领域，工业机器人正在逐渐具备智能，逐渐从单纯的机器变成可以协助人类开展工作的智能装备。举例来说，德国库卡公司在2014年推出的“爱娃”型智能工业机器人，是世界上第一款智能人工直接协作机器人，可以完成包括机械加工、测量、检测、码垛甚至外科手术等多种功能。比如，如果“爱娃”执行的是焊接功能，那么经过一段时间的学习之后，“爱娃”可以自动识别焊缝大小、位置 ，并自行选择焊接方案，工人只需监督“爱娃”的工作成果即可。类似的办法可以应用于深空探测中。
可以预见的是，外星基地建设过程中，人类无需事必躬亲，经过足够长时间的“深度学习”，业务水平超一流的各种智能装备，将在外星球自主选择施工方案，自行开展工程作业。人类只需安排航天员在合适的轨道上值班并监督工程进度即可。
人与无人机
1971年阿波罗15号飞船携带的月球车，虽然扩大了航天员的活动范围，但其行驶距离只有短短的28千米。而火星车的移动速度更慢，好奇号火星车在火星上的平均速度为每月400米左右。很显然，这是一种效率极低的深空探测方式。为了提高探测效率，在短时间内开展大范围的探测活动，需要一种全新的探测方式——人与无人机的联合探测。
这一部分将以火星为例子，介绍深空探测中人与无人机的联合探测。
火星与地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷，北方是被熔岩填平的低原，南方则是充满陨石坑的古老高地，最为著名的是水手谷和奥林匹斯盾形火山。水手谷绵延5000千米以上，宽500千米，深达到6千米左右。奥林匹斯盾形火山的大火山口比周围地区高出26千米，是地球上珠穆朗玛峰的3倍还多。很显然，在这样的地形条件下，不可能使用传统的方式进行探测。
“爱娃”机器人
“爱娃”机器人
R2与航天员
R2在国际空间站
飞航式无人飞行器具有飞行速度快、操控性好、技术成熟、探测范围大的优势，可以携带各种科学探测设备。深空探测中人与无人机的联合探测与地球上使用飞行器开展的探测活动比较类似。无人机携带科学设备飞往科研人员感兴趣而又无法到达的区域，在目标区域上空盘旋并回传各种数据；科研人员对无人机回传的数据进行判读并制定下一步的飞行方案，从而将无人机的机动能力与人类的智能相结合，实现在短时间内，对地外星体高精度大范围的探测。
美国航宇局着力推进的“阿里纳斯”项目，就是为了研究使用无人机进行火星探测的可行性。该项目的核心便是研发“阿里纳斯”无人机。按照美国航宇局的设计， “阿里纳斯”无人机可以在1000米以下的高度以200千米/小时左右的速度飞行，无人机上可以装备气体分析仪、大气层水分浓度测量仪、摄像机等设备，可以对火星生态层分布、磁场分布以及风场特性进行全方面检测。但“阿里纳斯”无人机是一款短期任务无人机，而且还处于研发测试阶段，因此，“阿里纳斯”只是为我们提供了一个深空探测中使用的无人机的蓝本，未来深空探测中，与航天员一起开展探测工作的究竟是什么样的无人机，还不得而知。
除了美国，欧空局的科技方案中，也提到了一项低成本、高科技的火星无人机计划。这项计划基于洛桑瑞士联邦科学研究院的超轻型滑翔机方案。这种飞行器使用太阳能作为动力，可以长久地在火星低密度、低引力的大气环境中自主飞行，而且可以携带多种感应仪器进行各种探测活动。
地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里。齐奥尔科夫斯基的名言犹在耳畔回荡，世界各航天大国已经吹响了走向深空的号角。语音交互技术的进步，脑控四旋翼样机的研发成功，向世人展示了非精确交互技术所拥有的巨大潜力。“女武神”、“阿尔法狗”和“爱娃”的惊艳“亮相”，表明经过“深度学习”之后，智能装备的智能水平，完全有潜力媲美业界专家。逐渐浮出水面的火星无人机计划，则为人类提供了人机联合探测的全新思路。人机联合探测，在提升深空探测效率的同时，得以最大程度地规避风险。在未来的深空探测中，人类不必事必躬亲，只需对探测活动进行宏观上的把握并发送系统级指令，一系列智能装备便可自行制定科学合理的探测方案并付诸实施。