预计（jì）在2023年，由欧洲航天局和德（dé）国航天中心领导的研究（jiū）团队将进行Surface Avatar项目的第一次大型太空机器（qì）人试验。此项目将探究机器人（rén）团队在行（háng）星表面上执（zhí）行协作任（rèn）务的（de）可（kě）行性 ，并研（yán）究宇航员如（rú）何利用（yòng）语音、手势、视线跟踪等多模态用户界面实（shí）现远程操控机器人。

一、宇航员“化（huà）身”机器人，远程登（dēng）陆其他星球（qiú）

我们可以（yǐ）设想（xiǎng）一个这样的场（chǎng）景，在未来（lái），机（jī）器（qì）人可以去探索和开发地球的附近（jìn）的行星（xīng）、卫星和小行星，他们能在地球以（yǐ）外的星球表面（miàn）采集样本（běn）、构造建筑和部署仪（yí）器等。

目前，此（cǐ）科研团队正在想办法设计这种机器人探测器，他们现在重点研究解决这样（yàng）一个问题：如何为宇航员提供工具，让他们能够轻（qīng）松有效的操（cāo）控机器人（rén）队伍？

研究人员的普遍想法是让机器人（rén）的操作过程高度自（zì）动化，增加其可以完成的任务（wù）数量，降（jiàng）低宇航员的（de）工作量。2017年到（dào）2018年，研究团队完成了SUPVIS Justin实验，让宇航员使用电脑向（xiàng）机器人发出高级指令，操纵机器人Rollin’ Justin执行（háng）了一系列导航（háng）、维护和修复（fù）工作。

这仿佛就像（xiàng）科幻电影一般，在飞船（chuán）上（shàng）的宇航员只需要用手点几下，就能够让（ràng）机器人自主规划（huá）和执行（háng）任（rèn）务。

▲机器（qì）人Rollin’ Justin正在执（zhí）行（háng）任务

但（dàn）是（shì），由（yóu）于难以预测的的行星地表环境和刺眼的（de）光照，哪怕是最好的物（wù）体（tǐ）探测算法也不能让机（jī）器人做（zuò）到完全不出错（cuò）。如（rú）果任务出现（xiàn）问（wèn）题（tí），或者需要机器人应对没（méi）有提前（qián）计（jì）划好（hǎo）的（de）情况时，我们应该怎么做？

在地球（qiú）上的工厂（chǎng）里，机器（qì）人的控制人员可能（néng）会下到车间里解决问题，但是如果按照类似的模式，由空间站中的宇（yǔ）航员去星（xīng）球上检（jiǎn）查情况，那么这次旅行（háng）将会十分的危险和昂贵（guì）。

最好的办（bàn）法是（shì）我们把机器人作为宇航员在星球（qiú）上的化身（shēn），让宇（yǔ）航员沉（chén）浸在机器人身临的环境中，看机器人所看，感机器人所感，指挥机器人完（wán）成任务。

二、力反馈装置让（ràng）宇航员（yuán）和机器人“感同身受（shòu）”

为检验上述方（fāng）法（fǎ）是否可行，2019年（nián）11月，欧空局进行（háng）了一项名为ANALOG-1的试验（yàn），以验证空间（jiān）站（zhàn）宇航（háng）员和地（dì）面科学家是否能（néng）共同引（yǐn）导机（jī）器人完成模拟月（yuè）球（qiú）任（rèn）务。

这（zhè）个机器人搭载了（le）两条安有摄像头的机械臂，还配备（bèi）了抓取器、力矩（jǔ）传（chuán）感（gǎn）器，以及许多其（qí）他传感器（qì）。力矩（jǔ）传感器可以感（gǎn）受力矩的物理变化（huà）并将其转化成可输出理解的信号，进（jìn）而（ér）精确测量（liàng）出力的（de）大小，它（tā）是机械臂力反馈装置（zhì）的重要构成（chéng）元（yuán）件，这（zhè）个装置可以让宇航员和机器人“感同身受”。

▲机器人双臂正在移动

在（zài）国际空（kōng）间站，宇航员（yuán）Luca Parmitano通过电脑（nǎo）屏幕看到（dào）了机（jī）器人所拍摄的画面，他可以移动摄像头（tóu）和使用定制（zhì）的（de）操纵杆设备（bèi）。

他将手（shǒu）绑在（zài）操纵杆上，从而获得机器人手臂的操（cāo）作反馈，他（tā）通（tōng）过移动和打开自（zì）己的手来移动机械（xiè）臂并打开机器人（rén）的（de）夹钳，能（néng）够拥有接触地（dì）面的感觉，并能感（gǎn）受到岩石样本有多重，这些对宇航员了解星球地表情况至关重要。

但是这种方法也要（yào）面临诸（zhū）多挑战：第一（yī），国际空间站的低（dī）宽带限制了视（shì）频传输的质量；第二（èr），国（guó）际空间站和其（qí）他星球（qiú）距离遥远，宇（yǔ）航（háng）员和（hé）机器人的感受很难同步，信息延迟很可能导致传统的力反馈远程（chéng）操作（zuò）变得不稳（wěn）定；第三，信息延迟可能会让机器人（rén）陷入危险的境（jìng）地，造成机器人（rén）的损（sǔn）坏。比如，由于宇（yǔ）航员收到机器人的反馈过慢（màn），可能会（huì）施加比他设想的更多的力，让（ràng）机器（qì）人（rén）不（bú）能面对真（zhēn）实环境，加大了被损坏的风（fēng）险。

▲宇航员Luca Parmitano正在空间站操纵地面机（jī）器人

为（wéi）了解决信（xìn）息延迟这个问（wèn）题，研究团队开发了一种名为TDPA-HD的控制方法，它可以检测宇（yǔ）航员施加的能量，并将该（gāi）数（shù）值和速度指令一起（qǐ）发送（sòng）给机（jī）器人。在机器人端，它测量机器人施加（jiā）的力，并降低速度（dù），让机（jī）器人（rén）向环境（jìng）输出（chū）的力小于宇航员（yuán）对（duì）它输出的力。

在宇航员端，TDPA-HD减少了对操作者的力反（fǎn）馈，因此（cǐ）传（chuán）递给宇（yǔ）航员的能量不会多（duō）于从环境中（zhōng）测得的量。这维（wéi）持了系统的稳定，意味着宇航员（yuán）不会命令机器人，对（duì）环境施加比他们（men）设（shè）想的更多的力，保证了宇航员和（hé）机器人的安全。

科学家将这种操作方法称为“监督自主”，比起机（jī）器人完全自主行动、控制者直接远程操（cāo）纵、在处理如意外（wài）错（cuò）误（wù）和信息（xī）延迟（chí）时更有效。控制者成为了一个监督者，如果机器人遇到问（wèn）题，人类（lèi）可以介入其中并（bìng）帮助它（tā）完成任务。

不过宇航员（yuán）反馈说，这（zhè）种“监督（dū）自主”仍有局限性，沉浸（jìn）感（gǎn）不足（zú），他希望（wàng）机器人可（kě）以完成更多（duō）的任务。

三（sān）、高自动化却带来（lái）高工作量？不符科学家预期（qī）

2022年（nián）6月（yuè）到7月，研究团队参（cān）加（jiā）了（le）由（yóu）德国航天局在埃（āi）特纳山进行的（de）ARCHES试验（yàn）活动（dòng）。前宇航（háng）员Thomas Reiter在埃特纳山附近的卡塔尼亚镇（zhèn）的控制室（shì），控制处于海拔2700米的（de）熔岩地带的机（jī）器（qì）人。

▲ARCHES试验画面

这是他们在“扩（kuò）展（zhǎn）自主”方面进行的首次尝试，意（yì）思就是允许宇航员根据任务增加或减少机（jī）器人的自（zì）主性（xìng）。2019年（nián），宇航员Luca只能通过机（jī）器人的摄（shè）像（xiàng）头和操纵杆（gǎn）进行观察和运动，这一次Thomas拥有一个互（hù）动地（dì）图，他可以在上面（miàn）进行（háng）标记，让机器人自动驶向标记点。

与2019年通过力反馈（kuì）控制机器人机（jī）械臂相比，现在（zài）宇航员可以在Mask R-CNN（基（jī）于区（qū）域（yù）的卷积神经网（wǎng）络（luò））的帮助（zhù）下自（zì）动检测和（hé）收集石头。

从（cóng）现实环境中测试研发（fā）的新功能（néng），让研究（jiū）人（rén）员收获了很（hěn）多。特别（bié）是（shì），自动化程度越高并不意味着宇（yǔ）航员的工作量越低，这个假设并不总（zǒng）是对的。

与宇航员经（jīng）常（cháng）使（shǐ）用自动采集样本（běn）相比，自（zì）动导航的使用（yòng）频率并不高，这（zhè）意味着（zhe）它比操纵杆驾驶更费力。这可能是因（yīn）为宇航员对自（zì）动（dòng）系统（tǒng）信任度低，得到反馈的时间（jiān）较长等。

未来，科学（xué）家希（xī）望能够测试一个真正扩展自主的、多机器人的（de）场景，为此他们启动（dòng）了Surface Avatar项（xiàng）目——在一个大规模的火（huǒ）星模拟环境（jìng）中（zhōng），国际（jì）空间站的宇航员（yuán）将在（zài）地面上指挥（huī）一个由四（sì）个机器（qì）人组（zǔ）成的（de）团队。

2022年6月，宇航员（yuán）Samantha Christoforetti和Jessica Watkins进行了Surface Avatar项（xiàng）目的初步（bù）测试，第一次大型实验计划将于（yú）2023年进行，这次实验（yàn）将是这个研究团（tuán）队迄今（jīn）为（wéi）止最复杂的国际空间（jiān）站远（yuǎn）程机器人任务（wù）。

▲宇航员Samantha Christoforetti正在进行试验

结语：机（jī）器人（rén）或会（huì）在月球上（shàng）与我们“隔空相望”

上述的科学场景在未来的月球（qiú）和火星任务中可（kě）能会出现（xiàn）。对（duì）人类和机器来说，太（tài）空是一（yī）个（gè）充（chōng）满很多未（wèi）知与困难的地方。未来我们进行太阳（yáng）系的（de）探测时，在派人类执行任务（wù）之前，可能需要先发（fā）射机器人探测器到（dào）未知行星（xīng）上探测水域。

在（zài）这之前，其（qí）他（tā）行星（xīng）的探测器都（dōu）是（shì）由预编程软件以及科学（xué）家从（cóng）地面发送指令控制（zhì）的，传（chuán）输时（shí）间较长。我们通过提高机（jī）器人（rén）的（de）自主性，提高了宇（yǔ）航（háng）员执（zhí）行（háng）任务（wù）的科学（xué）回报（bào）率，并避（bì）免了人类登陆其他星球带（dài）来的潜在污染（rǎn）。

此外，这个研究对操（cāo）作者在远处（chù）指（zhǐ）挥机器人团队（duì）具有一般（bān）性参考价值，例如（rú）维（wéi）护太阳能和风能园（yuán）区和搜索和救援任（rèn）务等。