预（yù）计在2023年，由欧洲航天局和德（dé）国航天中（zhōng）心（xīn）领导（dǎo）的（de）研究团队将进行Surface Avatar项目的第一（yī）次大型太空机器人试验（yàn）。此项目将探究机（jī）器人团队在行星表面（miàn）上执行协作任务的可行性 ，并研究宇航员如何利（lì）用语音（yīn）、手势、视线跟踪等多模态用户（hù）界面实现（xiàn）远程（chéng）操控机（jī）器人（rén）。

一（yī）、宇航员“化身”机器人（rén），远（yuǎn）程登陆其他（tā）星球

我们（men）可以设想一个这（zhè）样的场景（jǐng），在未来，机器人可以去探（tàn）索和（hé）开发地球（qiú）的附近的行星、卫星和小（xiǎo）行星，他们能在地球以外的星球表面采集样本、构造建筑和部署仪器等（děng）。

目（mù）前，此科研团队正在想（xiǎng）办法设计这种机器人探测器，他们现在重（chóng）点研究解决这样一个问题：如何（hé）为宇航员提供（gòng）工具，让他（tā）们能够轻松有效的操控（kòng）机器人队（duì）伍？

研究人员的普遍（biàn）想法是让机器人的操作过程高度自动化，增加（jiā）其可以完（wán）成的任务数量，降低宇航员的工作量。2017年到（dào）2018年，研究团队完（wán）成了（le）SUPVIS Justin实验，让宇航员使用电（diàn）脑向机器人发出高级指令，操纵机器人（rén）Rollin’ Justin执行了一系列导航、维护和（hé）修复工作。

这仿佛就像（xiàng）科幻电影（yǐng）一般（bān），在（zài）飞船上的宇航（háng）员只需（xū）要用手点几下，就能够让（ràng）机器人自（zì）主规划（huá）和执行任（rèn）务。

▲机（jī）器人Rollin’ Justin正在执行任务

但是（shì），由于难以预测的的行星地（dì）表环境和刺眼的光照，哪（nǎ）怕是（shì）最（zuì）好的物体探测算法（fǎ）也不能让机器人（rén）做到完全不（bú）出错（cuò）。如（rú）果任务出现问题，或者（zhě）需要机器（qì）人应对没有提前计划好的情况时，我们应（yīng）该（gāi）怎（zěn）么做？

在（zài）地球（qiú）上（shàng）的工厂里，机器人的控（kòng）制人员可能会下到车间里解决（jué）问题，但是如（rú）果按照类似（sì）的模式（shì），由（yóu）空间站中（zhōng）的（de）宇航员去星球上检查情况，那么这次旅行将（jiāng）会十（shí）分的危险和昂贵。

最好（hǎo）的办法是我们把机器（qì）人作为（wéi）宇航员（yuán）在（zài）星球上的（de）化身，让（ràng）宇航员（yuán）沉浸在（zài）机器（qì）人（rén）身临的环境中，看机器人所看，感机器人（rén）所感，指挥机（jī）器人完成任务。

二、力反馈装置让宇（yǔ）航员和机器人“感同（tóng）身受（shòu）”

为检验上述方法（fǎ）是（shì）否可行，2019年11月，欧空（kōng）局（jú）进（jìn）行了一项名为ANALOG-1的试验（yàn），以验证空（kōng）间站（zhàn）宇（yǔ）航员和（hé）地面科学家（jiā）是否能共同引导机器人完（wán）成模拟月球任务（wù）。

这个机器人搭载（zǎi）了两（liǎng）条安有摄像头的机械臂，还配备（bèi）了抓取器、力（lì）矩传（chuán）感器（qì），以及许多其（qí）他传（chuán）感（gǎn）器（qì）。力（lì）矩传感器可以（yǐ）感受力矩的物理（lǐ）变化（huà）并将（jiāng）其转化（huà）成可（kě）输出理解的信号（hào），进而（ér）精确测量（liàng）出（chū）力（lì）的大小，它是机械臂力反（fǎn）馈装（zhuāng）置的重（chóng）要构成元件，这个装置可以让（ràng）宇航（háng）员和机器人（rén）“感同身受”。

▲机器人双臂正在移动

在国（guó）际空间站，宇航员Luca Parmitano通过电（diàn）脑屏幕看到了机器（qì）人所（suǒ）拍摄的画面，他可以移动摄像头和使用定制的（de）操纵杆设备。

他（tā）将手（shǒu）绑在（zài）操纵（zòng）杆（gǎn）上（shàng），从而获（huò）得（dé）机器人手臂的（de）操（cāo）作反馈，他通过移动和打开自（zì）己的手来移动（dòng）机械臂并（bìng）打（dǎ）开机（jī）器人的夹钳，能够拥有接触地（dì）面的感觉，并能感受到岩（yán）石样本有多重，这些对宇航（háng）员（yuán）了解星球地表（biǎo）情况（kuàng）至关（guān）重要。

但是这种方法也要面临诸多挑战：第一，国（guó）际空（kōng）间站的（de）低宽带限制了视频传（chuán）输的质量；第（dì）二，国际空间站和其他星球距离遥远，宇航（háng）员和机器（qì）人的感受很难（nán）同步，信息延迟很可能导致传统的力反馈远程操（cāo）作变（biàn）得不稳（wěn）定（dìng）；第三，信息延迟可能会让（ràng）机器人陷入危险的（de）境地，造成机器人的损坏（huài）。比如，由于宇航员收到机器（qì）人的反馈过慢，可能会（huì）施加比他设想的更多的力（lì），让机器人不（bú）能面对（duì）真实环境，加大了被损（sǔn）坏（huài）的（de）风险。

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

为（wéi）了解（jiě）决（jué）信息（xī）延迟这个问题，研究团队开发了一种名为TDPA-HD的控制方法，它可以检测（cè）宇航（háng）员施加的能量，并（bìng）将该数值和速（sù）度指令（lìng）一（yī）起发送给机器人。在机器人端，它测量（liàng）机器人施加（jiā）的力，并降（jiàng）低速度，让机器（qì）人向环境输（shū）出的力（lì）小于宇（yǔ）航员对（duì）它输出的（de）力。

在宇（yǔ）航（háng）员端，TDPA-HD减（jiǎn）少了对操作者的力反（fǎn）馈，因此传递给宇（yǔ）航员的（de）能（néng）量不会多于从环境中测得（dé）的量。这（zhè）维持了系（xì）统的（de）稳定，意味着宇航员（yuán）不（bú）会命（mìng）令机器（qì）人，对环境（jìng）施加比他们设想的更多的力，保证了宇航员和机器（qì）人（rén）的安全。

科学家将这（zhè）种操作方法称为“监督自主”，比（bǐ）起机器人完全自主行动、控制（zhì）者直接远程操纵、在（zài）处（chù）理（lǐ）如意外错误和信息延迟时更有效。控制（zhì）者成为了一（yī）个监督者（zhě），如果机器人遇到问题，人类可以介（jiè）入（rù）其中并帮助（zhù）它完成任（rèn）务。

不（bú）过宇航员反馈说，这种（zhǒng）“监督自主”仍（réng）有局限性，沉浸感（gǎn）不（bú）足，他希望（wàng）机器人可以完成更多的任务。

三、高自动化却带来高工作量（liàng）？不符科学家预（yù）期

2022年6月（yuè）到7月（yuè），研究团队参加了由德国航天（tiān）局在埃特纳山进行的ARCHES试验活动。前宇航员Thomas Reiter在埃特纳山（shān）附（fù）近的卡塔尼亚（yà）镇的控制室，控（kòng）制（zhì）处于海拔2700米的熔岩地带的（de）机器人（rén）。

▲ARCHES试验画（huà）面

这是他们在“扩展自主”方面进行的首次（cì）尝试，意思（sī）就是允（yǔn）许宇（yǔ）航员根据任务（wù）增（zēng）加或减少机器人的自主性（xìng）。2019年（nián），宇（yǔ）航员Luca只能通过（guò）机器人的摄像头和操（cāo）纵杆进行（háng）观察和运（yùn）动（dòng），这一（yī）次Thomas拥有一个互动（dòng）地图（tú），他（tā）可（kě）以在上面进行标记（jì），让机器人自动（dòng）驶向标记点。

与2019年通过力（lì）反馈（kuì）控制机（jī）器人机械臂相比，现在宇航员可以在Mask R-CNN（基于区域的卷积神经（jīng）网（wǎng）络）的帮助下自动（dòng）检测（cè）和收集石头。

从（cóng）现实环境中测试研发的新功能，让研（yán）究人员收获（huò）了很（hěn）多。特别是，自动化程度越高并不意味着（zhe）宇航员的（de）工作量越低，这个（gè）假设并不总是（shì）对的。

与宇航（háng）员经（jīng）常使用（yòng）自（zì）动采集样本相比，自动导航（háng）的使（shǐ）用频率并（bìng）不高，这意（yì）味着（zhe）它比操纵杆驾驶更（gèng）费力。这可能是因为（wéi）宇航员对（duì）自动系统信任度（dù）低（dī），得到反馈的时间（jiān）较长等。

未来，科学（xué）家（jiā）希望能（néng）够测试一个真正扩展自主（zhǔ）的、多机（jī）器人的场景（jǐng），为此（cǐ）他们启（qǐ）动了Surface Avatar项（xiàng）目——在一个大规模（mó）的火（huǒ）星模拟（nǐ）环境中（zhōng），国际空（kōng）间站的宇航员将在地面（miàn）上指挥一个由四个机器人组成（chéng）的团（tuán）队。

2022年6月，宇航员（yuán）Samantha Christoforetti和（hé）Jessica Watkins进行了Surface Avatar项目的初步测（cè）试，第（dì）一（yī）次大型实验计划（huá）将于2023年进行，这（zhè）次实验将是这个研究团队迄（qì）今为止（zhǐ）最复杂（zá）的（de）国际空间站（zhàn）远程机器人任务。

▲宇航员Samantha Christoforetti正在进行试验

结语：机器人或会（huì）在月（yuè）球（qiú）上与我们“隔空相望”

上述的（de）科（kē）学场景（jǐng）在未来的月球和火星（xīng）任（rèn）务中（zhōng）可（kě）能会出现。对人类和机（jī）器来说，太空（kōng）是一（yī）个充满（mǎn）很多未知与困难的（de）地方。未来我们进行太阳系的探测时，在派人类（lèi）执行任务之前，可能需要（yào）先（xiān）发射机器人探测器（qì）到未知行星上（shàng）探测水域。

在这之前，其他行星的探（tàn）测器（qì）都（dōu）是由预编（biān）程软件以（yǐ）及科学家从地面发送指令控制的，传输时间较长。我们通过提高机（jī）器人的自（zì）主性（xìng），提高（gāo）了宇航员（yuán）执行任务的科（kē）学回报（bào）率，并避（bì）免了人类登陆（lù）其他星球带来的潜在污染。

此外，这个研究对操作者在远处指（zhǐ）挥机（jī）器人团队具有一般性参考价（jià）值，例如维（wéi）护太阳（yáng）能和风能园区和搜索（suǒ）和救援任（rèn）务等（děng）。