预计在2023年（nián），由欧（ōu）洲航天（tiān）局和德（dé）国航天中心领导的研（yán）究团队将进行Surface Avatar项目的第一次大型太空机器人试验。此项（xiàng）目将探究机器人团队在行星表面上执行协（xié）作任务（wù）的可行（háng）性 ，并研（yán）究（jiū）宇航员如何利（lì）用语音、手（shǒu）势、视线跟（gēn）踪等多模态用户界面实现远程操控机（jī）器人。

一、宇航员“化身（shēn）”机器人，远程登陆其他星球

我们可以设想一个这（zhè）样（yàng）的场景（jǐng），在未来（lái），机器人（rén）可（kě）以去探索和开发地球的附近的行星（xīng）、卫星和小行（háng）星（xīng），他们能在（zài）地球以外的星（xīng）球表面采集（jí）样本、构造建筑和部署仪器等。

目前（qián），此科（kē）研团队正在想办法设计这（zhè）种机器（qì）人探（tàn）测器，他们（men）现在重点研究解决这（zhè）样一个（gè）问题：如何为宇航（háng）员提供工具，让（ràng）他们能够轻（qīng）松有效的（de）操控机（jī）器人队伍（wǔ）？

研（yán）究（jiū）人员的普遍想法（fǎ）是让机器人的操作过程高度自动化，增加其可（kě）以完成的任务数量，降低宇航员的工作量。2017年到2018年（nián），研究（jiū）团（tuán）队完成了SUPVIS Justin实（shí）验，让宇航（háng）员使（shǐ）用电脑（nǎo）向机器（qì）人发出高级（jí）指（zhǐ）令，操（cāo）纵（zòng）机（jī）器（qì）人（rén）Rollin’ Justin执行了一系列导航（háng）、维护和修复工作。

这仿佛就像科幻电（diàn）影一般，在飞船上的宇（yǔ）航员只需（xū）要用手点几下（xià），就能（néng）够让（ràng）机器人自（zì）主（zhǔ）规划和执行任（rèn）务。

▲机器人Rollin’ Justin正（zhèng）在执行任务

但是，由于难（nán）以预测的的行（háng）星（xīng）地表环境和刺眼的光照，哪怕是最好的（de）物体探测算法也不能让机器（qì）人做（zuò）到完全不出错。如果任务出现（xiàn）问（wèn）题（tí），或者（zhě）需要机器人应（yīng）对没有提前计划（huá）好的情况（kuàng）时，我们应（yīng）该怎么做（zuò）？

在（zài）地球上（shàng）的（de）工厂（chǎng）里，机器人的控制人员可能会下到车间里解决问题，但（dàn）是如果按照（zhào）类似的模式，由空（kōng）间站（zhàn）中的宇航（háng）员去（qù）星球上（shàng）检（jiǎn）查（chá）情况，那么这次旅行将会十分的危（wēi）险和昂贵。

最好的办法是我们把机（jī）器人作为宇航员在星球上（shàng）的化身，让宇航员沉浸（jìn）在机器（qì）人身（shēn）临的环境中，看机（jī）器人所看，感机器（qì）人所（suǒ）感，指（zhǐ）挥机器人完成任务。

二、力反馈装（zhuāng）置让宇航员和机器（qì）人“感同身受”

为检验上述方法（fǎ）是否可行（háng），2019年11月，欧空局进行（háng）了一项（xiàng）名为ANALOG-1的试验，以验证（zhèng）空（kōng）间站（zhàn）宇航（háng）员和地面科（kē）学家是否能（néng）共同引导（dǎo）机器人完成（chéng）模拟月球（qiú）任务。

这个机（jī）器人搭载（zǎi）了两条安有摄像头的机械臂，还配备了抓取器、力矩传感（gǎn）器，以（yǐ）及（jí）许多其（qí）他传感器。力矩传感器可以感受力（lì）矩的（de）物理变化并将其转化成（chéng）可输出（chū）理解的（de）信号，进而精确测（cè）量出力的（de）大小（xiǎo），它（tā）是机械臂力反馈（kuì）装置的（de）重要（yào）构成元件，这个装置可以让宇航员（yuán）和机器人“感同身受”。

▲机器人双臂正在移动

在国际（jì）空（kōng）间（jiān）站，宇航员Luca Parmitano通过电脑屏幕看到了机器人所拍摄的（de）画面，他可以（yǐ）移动摄像头和使用定制（zhì）的操纵（zòng）杆设备。

他将手绑在操纵杆（gǎn）上，从而（ér）获得机器人（rén）手臂（bì）的操作反馈（kuì），他通（tōng）过移动和打（dǎ）开自己的手来移（yí）动机（jī）械臂并打开机器人的夹钳，能够拥有接触地（dì）面（miàn）的（de）感觉，并能感（gǎn）受到岩石（shí）样本有多重，这些对宇航员（yuán）了解星球地表情（qíng）况至（zhì）关重要。

但是（shì）这（zhè）种方法也要面临诸多（duō）挑战：第一，国际空（kōng）间站的低宽带限制了视频（pín）传（chuán）输（shū）的（de）质（zhì）量；第二，国际空间站和其他星球距离（lí）遥（yáo）远，宇航员和机器人的感（gǎn）受很难（nán）同步，信息延迟很可（kě）能（néng）导致传统的力反馈远程操作变得不稳定；第三，信息延迟可能会让机器人陷（xiàn）入危险的境（jìng）地，造成机（jī）器人的损坏。比如，由于宇航员（yuán）收到（dào）机器人的（de）反馈过慢，可能（néng）会施（shī）加比他设想的更多的力，让机器人不（bú）能（néng）面（miàn）对真实环（huán）境，加大了被损（sǔn）坏的风险（xiǎn）。

▲宇航（háng）员Luca Parmitano正在空间站操纵地（dì）面机器（qì）人

为了（le）解决信息延迟这个问（wèn）题，研究（jiū）团队开发了（le）一（yī）种名为TDPA-HD的控制方法，它可以检测宇航员施加的（de）能量，并将该（gāi）数值和速度指令一起发送给（gěi）机器（qì）人。在机器人端，它测量（liàng）机器人施加的力，并降低速度（dù），让机器人向环境（jìng）输出的力小于宇航员对它输出的力（lì）。

在宇航员端，TDPA-HD减少了对（duì）操作者的力反馈，因（yīn）此传递给（gěi）宇（yǔ）航员的能量不（bú）会多于从环境（jìng）中测得的（de）量。这（zhè）维持了（le）系统（tǒng）的稳定，意味（wèi）着（zhe）宇航员（yuán）不会命令机器人（rén），对环境施加比他（tā）们设想的更多的力，保证了宇航员和机器人（rén）的安（ān）全。

科学家将这（zhè）种（zhǒng）操作方法称为“监督自主”，比起机器（qì）人完全自（zì）主行动、控制者（zhě）直接远程（chéng）操纵、在处理如意外错误和信息延迟时更有效。控制者成（chéng）为了一个监督者，如果机器人遇到（dào）问题，人类（lèi）可以介入其中并帮（bāng）助（zhù）它完成任（rèn）务。

不（bú）过（guò）宇航员（yuán）反（fǎn）馈（kuì）说，这种“监督自主”仍有局限性（xìng），沉浸感不足，他希望机器人可以完成（chéng）更多的（de）任务（wù）。

三、高自（zì）动化却带（dài）来高（gāo）工作量？不符科学（xué）家预期

2022年（nián）6月到7月，研究团队参加了由德国航天局在埃特纳（nà）山进（jìn）行的ARCHES试（shì）验（yàn）活动。前宇航员Thomas Reiter在埃特纳山附近的（de）卡塔尼亚镇的控制室，控制（zhì）处于海拔2700米的熔岩地带的机器人（rén）。

▲ARCHES试验画面

这是（shì）他们在“扩展自主”方面进行（háng）的（de）首次尝试（shì），意思就（jiù）是允许宇航员根（gēn）据任（rèn）务增加或减少机器人的自主性。2019年，宇航员Luca只（zhī）能通过机（jī）器人的摄像头和操纵杆（gǎn）进行观察（chá）和运动，这一次Thomas拥有一个互动地图，他可以在上面（miàn）进（jìn）行标（biāo）记，让机器人自（zì）动驶向标记（jì）点。

与2019年通过力反（fǎn）馈（kuì）控制机器人（rén）机械臂相比，现在宇航（háng）员（yuán）可以在Mask R-CNN（基（jī）于区域的卷（juàn）积神经网络）的帮助下自动检测和收（shōu）集石（shí）头。

从现实环（huán）境中测试研发的新功能，让研究人员收获（huò）了很多。特（tè）别是，自（zì）动化程度越高（gāo）并不意味（wèi）着（zhe）宇（yǔ）航员的工作（zuò）量（liàng）越（yuè）低，这个假设并不总是对的。

与宇航员经常使用自（zì）动（dòng）采集样本相比，自动导航的使用频率并（bìng）不高，这意味着它比操纵杆驾驶更费（fèi）力。这可能（néng）是因为宇航（háng）员对自动系统信（xìn）任（rèn）度低，得（dé）到反馈（kuì）的时间较长（zhǎng）等。

未来（lái），科学家希望（wàng）能（néng）够（gòu）测试（shì）一（yī）个真正扩展（zhǎn）自（zì）主（zhǔ）的、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（mó）拟环境中，国（guó）际空间站的宇航（háng）员（yuán）将（jiāng）在地面上指挥（huī）一个（gè）由四（sì）个（gè）机器（qì）人组成的团队。

2022年6月，宇航员Samantha Christoforetti和Jessica Watkins进行了Surface Avatar项（xiàng）目的初步测试（shì），第（dì）一次大（dà）型（xíng）实验计（jì）划将于2023年进行（háng），这次实验将是（shì）这（zhè）个研究团队（duì）迄今为止（zhǐ）最复杂的国际空（kōng）间站远程机器人任务（wù）。

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

结语：机器人（rén）或会在月球上与我们“隔空相望（wàng）”

上（shàng）述的（de）科学场景（jǐng）在（zài）未来的（de）月球和（hé）火星任务中可（kě）能会出（chū）现。对人类（lèi）和机器来说，太空是一个充满（mǎn）很多未知与困（kùn）难的地（dì）方。未来我们（men）进行太阳系的探（tàn）测时，在派人类执行任务之前（qián），可（kě）能需要先发射机器人探测器到未知行（háng）星上探测水域。

在这之（zhī）前，其他行星的（de）探测器都是由预编程软（ruǎn）件以及科学家从地面发送指令控制（zhì）的（de），传输时间较长。我们通过提（tí）高（gāo）机器（qì）人的（de）自主（zhǔ）性，提高了宇（yǔ）航员执行任（rèn）务的（de）科（kē）学（xué）回报率，并（bìng）避（bì）免了人（rén）类登陆其（qí）他星球带来的潜在污染。

此外，这个研究对操作者在远（yuǎn）处指挥机器人（rén）团队具（jù）有一般性参考（kǎo）价值，例如维护太（tài）阳能和风能园区和搜（sōu）索和救援任务等。