预计在2023年，由欧洲航天局和德（dé）国航天中心领导的（de）研究团队（duì）将进（jìn）行Surface Avatar项目的第（dì）一次大型太空（kōng）机器人试验。此（cǐ）项目将探究机（jī）器（qì）人团队（duì）在行星（xīng）表面上执行协作任务的可行（háng）性 ，并研究宇航员如何（hé）利用语音、手势、视线跟踪等多模态用户界（jiè）面实现远程操（cāo）控机器人（rén）。

一、宇航员“化身（shēn）”机器人，远程登（dēng）陆（lù）其（qí）他星球

我（wǒ）们可（kě）以（yǐ）设想一个（gè）这样的场景，在未（wèi）来，机器人可以去探（tàn）索和开发地球的附近的行（háng）星、卫（wèi）星和小行星，他们能在地球以外（wài）的星球表面采集样本（běn）、构造（zào）建筑（zhù）和（hé）部署仪器等（děng）。

目（mù）前，此科研团队正（zhèng）在想办（bàn）法设计这（zhè）种机器人探测（cè）器，他们（men）现在重点研究（jiū）解决这样一（yī）个问题（tí）：如何为宇航（háng）员提供工具，让他们能够轻松有（yǒu）效的操控机器人队伍？

研究人员的普遍想法是让机器人的操作过（guò）程高度自（zì）动（dòng）化，增加其可以完成的任务数量（liàng），降（jiàng）低宇航员的工作量。2017年到2018年，研究团队完成了SUPVIS Justin实（shí）验，让宇航员使（shǐ）用电脑向机器（qì）人发出高级（jí）指（zhǐ）令，操纵机（jī）器人Rollin’ Justin执（zhí）行了一系列（liè）导航、维护和修复工作（zuò）。

这仿佛就（jiù）像科幻电（diàn）影一般，在飞船上的宇航员（yuán）只（zhī）需（xū）要（yào）用手（shǒu）点几下，就能够让机（jī）器人自主规划和执行任务。

▲机器人Rollin’ Justin正在执行任务

但是（shì），由（yóu）于难以（yǐ）预测的（de）的行星地表（biǎo）环境和刺眼的光照（zhào），哪怕是最好（hǎo）的（de）物体探测算法（fǎ）也不（bú）能让机器（qì）人做（zuò）到（dào）完全不出错。如果任务出现问题，或者需要机器人（rén）应（yīng）对没有提前计划好的情（qíng）况时，我（wǒ）们应（yīng）该怎么做？

在地球上的工厂里，机器（qì）人的控制（zhì）人员可能会（huì）下到车间里解决问题，但是如果按照类似的模式，由空间站中的宇航员去星球上检查情况，那么这次（cì）旅行将会十分的危险和昂贵。

最好（hǎo）的（de）办法（fǎ）是（shì）我们把机（jī）器（qì）人作为宇航员在星球上的化身，让宇航员沉浸在机器人身临（lín）的（de）环境中，看机器人（rén）所看（kàn），感机（jī）器人所（suǒ）感，指挥机器（qì）人完成（chéng）任务（wù）。

二、力反馈装（zhuāng）置让宇航员和（hé）机器人（rén）“感同身受”

为检验上述方法是否可行，2019年11月，欧空局进行了一项名为ANALOG-1的试验，以验证（zhèng）空间站宇航员和（hé）地（dì）面科学家是否能（néng）共（gòng）同引导机器人完成（chéng）模拟月球（qiú）任（rèn）务。

这个（gè）机器（qì）人搭载了两条（tiáo）安有摄像头的（de）机械臂（bì），还配备了抓（zhuā）取器、力矩传感（gǎn）器（qì），以（yǐ）及许多其他传（chuán）感器。力矩传感器可以感受力（lì）矩的物理变化并将其转化（huà）成可输出理解的信号，进而精确测量出力的（de）大小（xiǎo），它是机械臂力（lì）反馈装置的重要构成元（yuán）件（jiàn），这个装置可以让宇（yǔ）航员和（hé）机器人“感同身受（shòu）”。

▲机器人双（shuāng）臂正在移动（dòng）

在国际空间（jiān）站，宇航员Luca Parmitano通过电脑屏（píng）幕看到了机器人所拍（pāi）摄的画面，他可以移动摄像（xiàng）头和使用（yòng）定制的（de）操纵杆设（shè）备（bèi）。

他将手绑在操（cāo）纵杆上，从而获（huò）得机器（qì）人手臂（bì）的操作（zuò）反馈，他通过移动和打开自己的手来移动机械臂（bì）并打开机器人的夹钳，能够（gòu）拥有（yǒu）接（jiē）触地面的感觉，并能感受到岩石样本有多重，这些对宇航员（yuán）了解星（xīng）球地表情况至关（guān）重要。

但（dàn）是这种方（fāng）法也要（yào）面临诸多挑战：第（dì）一，国（guó）际空间站的低宽带限（xiàn）制了视频传输的（de）质量；第二，国际空间站和其他星球距离遥远，宇航员和机器人的感受很（hěn）难同步，信息延（yán）迟很可能导致传统（tǒng）的力反馈远程（chéng）操作变（biàn）得不稳（wěn）定；第三（sān），信息延（yán）迟可（kě）能会让机器人（rén）陷（xiàn）入危险的境地（dì），造（zào）成机器（qì）人的损坏。比（bǐ）如，由于宇航员收到机器（qì）人的反（fǎn）馈过慢，可能会施加（jiā）比他设想的（de）更多的力，让机器人不（bú）能面（miàn）对真实环境，加大了被损坏（huài）的风险。

▲宇（yǔ）航员Luca Parmitano正在空间站操纵（zòng）地面（miàn）机器（qì）人

为了解决信息延迟（chí）这（zhè）个问题（tí），研究团队开发了一种名为TDPA-HD的控（kòng）制方（fāng）法，它可以检测宇航（háng）员施加的能量（liàng），并将（jiāng）该（gāi）数值和速度指令一起发送（sòng）给机器人。在机器（qì）人（rén）端，它测量机器人施加的（de）力（lì），并降低速度，让（ràng）机（jī）器人向环境输出的力（lì）小（xiǎo）于宇航员（yuán）对（duì）它输出的力。

在（zài）宇航员端，TDPA-HD减少了对（duì）操（cāo）作者的力反馈（kuì），因此传递（dì）给宇航员的能量不（bú）会（huì）多于从环境（jìng）中测得的量。这维持了系统的稳定（dìng），意味着（zhe）宇航员不（bú）会命令（lìng）机器人，对环境施加比他们设想的更（gèng）多的力，保证了宇航员和机器人的安全。

科学（xué）家将这种操作方法称（chēng）为“监督自主（zhǔ）”，比起（qǐ）机器人完全自主行动、控制（zhì）者直接远程操纵、在处理如意（yì）外错误和信息延迟时更有效。控制（zhì）者成（chéng）为了一（yī）个监督者，如果机器人遇（yù）到问题，人类可以介入其（qí）中并（bìng）帮助它完（wán）成任务。

不（bú）过（guò）宇航员（yuán）反馈说（shuō），这种“监督自（zì）主（zhǔ）”仍有（yǒu）局限性，沉浸感不足，他希望机器人可以完成更多的任（rèn）务。

三、高自动化却（què）带来高工（gōng）作量？不符科学家预（yù）期（qī）

2022年6月到7月，研究团队参（cān）加了由（yóu）德国（guó）航（háng）天局在埃特（tè）纳山进行的ARCHES试验活动。前宇航员（yuán）Thomas Reiter在埃特纳山附近的卡塔（tǎ）尼（ní）亚镇（zhèn）的（de）控制室，控制处（chù）于海拔2700米的熔岩地带的机器人。

▲ARCHES试验画面

这是他们在（zài）“扩展自主（zhǔ）”方（fāng）面进行的首次尝试，意（yì）思就（jiù）是允许宇航（háng）员根据任务增加或减少机器人（rén）的自主（zhǔ）性。2019年，宇航员Luca只能通过（guò）机器人的摄（shè）像头和操纵杆进行观察和运动，这一次Thomas拥（yōng）有（yǒu）一个互动地图，他可（kě）以在上面进（jìn）行标记，让机（jī）器人自动（dòng）驶向标记点。

与2019年通（tōng）过力反馈控制（zhì）机器人机械臂相（xiàng）比，现在（zài）宇航员可以在Mask R-CNN（基于区域（yù）的卷积神经网络）的帮助下自动检测和收集石头。

从现实环境中测试研发的新（xīn）功能，让研究人员收获了很多。特别是，自动化程度越高并不意味着宇航（háng）员的工（gōng）作量越低，这个假设并不总是对（duì）的。

与宇航员经常使用自（zì）动采（cǎi）集样（yàng）本相比，自动导（dǎo）航的使用频率（lǜ）并不高，这意（yì）味着（zhe）它比操纵杆（gǎn）驾驶（shǐ）更费力。这可能是因为宇航员对自动（dòng）系统信任（rèn）度低，得到反馈的时间（jiān）较长等。

未来，科学家希望能够测试一（yī）个真（zhēn）正扩（kuò）展自主的（de）、多机器人的场景，为此他们启动了Surface Avatar项目——在一个大规模的火星模拟环境中（zhōng），国际空间站（zhàn）的（de）宇航员将（jiāng）在地（dì）面上指（zhǐ）挥一个由四个（gè）机器人（rén）组成的团队。

2022年6月，宇航员（yuán）Samantha Christoforetti和Jessica Watkins进（jìn）行（háng）了Surface Avatar项（xiàng）目的初步测试，第一（yī）次（cì）大型实验计划将于2023年进行，这（zhè）次（cì）实验将是这个研究团（tuán）队迄今为止最复杂的国际空间站远（yuǎn）程机器人任务。

▲宇航员Samantha Christoforetti正在（zài）进行（háng）试验（yàn）

结语：机器人或会在（zài）月（yuè）球（qiú）上与我们“隔空相望”

上述的科学场（chǎng）景在未（wèi）来（lái）的月球和火星任务中可能会出现。对人（rén）类和机器来说，太空（kōng）是一个充（chōng）满很多未知与困难的地方。未来我（wǒ）们进行太阳系（xì）的探测时，在派人类执（zhí）行任务之（zhī）前，可能需要先发射机器人探测（cè）器到未知行星上探测（cè）水域。

在（zài）这之前（qián），其他行星的探测器都是由（yóu）预编程软件（jiàn）以及科学（xué）家从地面发送指令控制的，传输时间（jiān）较长（zhǎng）。我们通过（guò）提高机（jī）器人的自主性（xìng），提高了宇航（háng）员执行任（rèn）务的（de）科学回报率，并（bìng）避免了（le）人类登陆其他星球带（dài）来的潜在污染。

此（cǐ）外，这个（gè）研究对（duì）操作（zuò）者在远处指挥机器人（rén）团队具有一般性参考价值，例（lì）如（rú）维护太阳能和（hé）风（fēng）能园区和搜索和（hé）救（jiù）援任务（wù）等（děng）。