预（yù）计在2023年，由欧洲航天局和（hé）德国（guó）航天中心领导的（de）研究团队将进行Surface Avatar项目的第一次大型（xíng）太空（kōng）机器人试验（yàn）。此项目将探究机器（qì）人（rén）团队在行星表（biǎo）面上执（zhí）行协作（zuò）任务的可行性（xìng） ，并研（yán）究宇航员如（rú）何利用语音、手（shǒu）势、视（shì）线跟踪等（děng）多模态用户界面实现远（yuǎn）程（chéng）操（cāo）控机器人。

一（yī）、宇航员“化身”机器（qì）人，远（yuǎn）程（chéng）登陆其他星球

我们可以（yǐ）设（shè）想一个（gè）这样（yàng）的（de）场景（jǐng），在未来，机器人可以去（qù）探索和开发地球的附近的行星、卫星和（hé）小行（háng）星，他们能在（zài）地球以外的星球表（biǎo）面采集样本、构造（zào）建筑和部署仪（yí）器等。

目前，此科研团队正在想办法设（shè）计这种机器人探（tàn）测器，他（tā）们现在重点研究解决这（zhè）样一个问题（tí）：如何为宇航员（yuán）提供工具，让他们能够轻松有效（xiào）的操控机器人队伍？

研究人员的（de）普遍（biàn）想法是让机器人的操作过程高度（dù）自动化，增加其可以完成（chéng）的任务（wù）数（shù）量，降低宇（yǔ）航员（yuán）的工作量（liàng）。2017年（nián）到2018年（nián），研（yán）究团（tuán）队完成了SUPVIS Justin实（shí）验，让宇航员使用（yòng）电脑向机器（qì）人发出高级指令，操纵机器人（rén）Rollin’ Justin执行了一（yī）系（xì）列导航（háng）、维护和修复工作（zuò）。

这仿（fǎng）佛就像科幻电影一般，在飞船上的宇航员只需（xū）要用手点几下，就能够让机器人自主规划（huá）和执行任务。

▲机器人Rollin’ Justin正在（zài）执行任务

但是，由于难以（yǐ）预测（cè）的的行星地表环境和刺眼（yǎn）的光照，哪怕（pà）是最好的物体探测算法（fǎ）也不能让机器人做（zuò）到完全不（bú）出错。如果任务出现问题，或者（zhě）需要机器人应对没有提前（qián）计划好的（de）情况时（shí），我们应该怎么做？

在地球上（shàng）的（de）工厂里（lǐ），机器人的控（kòng）制人员可能会（huì）下到车间里解（jiě）决问（wèn）题，但是如（rú）果按照（zhào）类（lèi）似（sì）的模式，由空间（jiān）站中的（de）宇航员去星球上检查（chá）情况，那么（me）这次旅行将会（huì）十分的危险和昂贵。

最好（hǎo）的办法是我们把机器人作为宇（yǔ）航员（yuán）在星球上的化身，让宇航员沉浸在机器人身（shēn）临的（de）环境中，看机器人（rén）所看，感机（jī）器人（rén）所感，指（zhǐ）挥（huī）机（jī）器人完成任务。

二、力反馈装置让宇航员和机器人“感同身受”

为检验上述（shù）方法是否可行，2019年（nián）11月（yuè），欧空（kōng）局进行了一项名（míng）为（wéi）ANALOG-1的（de）试验，以（yǐ）验证空间站宇航员和地面科学家是否能共同引导机器人完成模拟月球任务。

这个机器人搭载了两条安有摄像头的（de）机械臂（bì），还配备了抓取器、力矩传感（gǎn）器，以及许多其他传（chuán）感器（qì）。力矩传感器可以感受力矩的（de）物理（lǐ）变化并将其转化成（chéng）可（kě）输出理解的信号（hào），进而精确测量出（chū）力的大小，它是机（jī）械（xiè）臂力反（fǎn）馈装置的重要构成（chéng）元件，这个装置可以让宇航员和机器人“感同身受”。

▲机器（qì）人双（shuāng）臂正在移动

在国际空间站，宇航员Luca Parmitano通过电脑（nǎo）屏幕看到了机器人所拍摄的画面，他可以移动（dòng）摄（shè）像头和使用定制的操纵杆设备（bèi）。

他将手（shǒu）绑在（zài）操纵（zòng）杆上，从而获得（dé）机器（qì）人手臂的操作反馈，他通过移动（dòng）和打开（kāi）自己的手来（lái）移动机械（xiè）臂并打开（kāi）机器人（rén）的夹钳，能（néng）够拥有接触（chù）地（dì）面的感觉，并能感受到岩石样本有多（duō）重（chóng），这些（xiē）对宇航（háng）员了解星（xīng）球（qiú）地表（biǎo）情（qíng）况至关重要。

但是这种方法也要面临诸多（duō）挑战：第一，国际空间站的低宽带（dài）限制了视频传输的质量（liàng）；第二，国际空（kōng）间（jiān）站和其（qí）他星球距离遥远，宇航员和机器人的感受很难（nán）同（tóng）步，信息（xī）延（yán）迟很可能导致传统的力反馈远程操作变得不稳定；第三，信息延（yán）迟（chí）可能会（huì）让机器人陷入危险的境地，造成机器人的损坏（huài）。比如，由于宇航（háng）员收到机（jī）器人（rén）的反馈过慢，可能（néng）会施加比他（tā）设想的更多的力，让机器人不能面对真实环（huán）境，加大了被（bèi）损坏（huài）的风险。

▲宇（yǔ）航（háng）员Luca Parmitano正在空间站操纵地（dì）面机器人（rén）

为了解（jiě）决（jué）信息延迟这个（gè）问题（tí），研究团队开发了一种名为TDPA-HD的控制方法（fǎ），它可以检测（cè）宇航员施加的（de）能量，并将该数值（zhí）和速度（dù）指令（lìng）一（yī）起发送给（gěi）机（jī）器人。在机器人端，它测量（liàng）机器人施加的力（lì），并（bìng）降低速度，让（ràng）机器（qì）人向（xiàng）环境输出的力小于宇航员（yuán）对它（tā）输出的力。

在宇航员端，TDPA-HD减少（shǎo）了对操作者的（de）力反（fǎn）馈，因此传递给（gěi）宇航员的能量不会多（duō）于从环境中（zhōng）测得的量（liàng）。这维（wéi）持了（le）系统（tǒng）的稳定，意味（wèi）着宇航员不会命令机器人，对环境施加比他们设（shè）想的更多的力，保证了宇航（háng）员和机器（qì）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（rén）完（wán）全自主行（háng）动、控制者直接远程操纵、在处理如意（yì）外错误和信息延（yán）迟时更有（yǒu）效。控制者成（chéng）为（wéi）了（le）一个监（jiān）督者，如果（guǒ）机器人遇（yù）到（dào）问（wèn）题（tí），人类（lèi）可以（yǐ）介入其中并帮助它完成（chéng）任务。

不过（guò）宇航员反馈说（shuō），这种“监（jiān）督（dū）自主”仍有局限性，沉（chén）浸（jìn）感不（bú）足，他希望（wàng）机器（qì）人可以完成更（gèng）多（duō）的（de）任（rèn）务。

三、高自动化却带（dài）来高工作量？不符科学家预期

2022年6月（yuè）到7月，研究团队参加了由德国航天局在埃特（tè）纳（nà）山进行的ARCHES试验（yàn）活动。前宇航员（yuán）Thomas Reiter在埃（āi）特纳山附近的卡塔尼亚镇（zhèn）的（de）控制室，控制（zhì）处（chù）于海拔2700米的（de）熔（róng）岩（yán）地带的机（jī）器（qì）人。

▲ARCHES试验画面

这是他们在“扩展自主”方面进行的（de）首（shǒu）次尝试，意思就是允许（xǔ）宇航员根据任（rèn）务增（zēng）加或减少机器人的自主性。2019年，宇（yǔ）航（háng）员Luca只能通（tōng）过机器人的（de）摄像头和操纵杆（gǎn）进行（háng）观察和运动（dòng），这一次Thomas拥有一（yī）个互动地图，他可（kě）以在上（shàng）面进行标记，让机器人自动驶向标记点（diǎn）。

与2019年通过（guò）力反馈控制机器人机械臂相比，现（xiàn）在宇航员可（kě）以在（zài）Mask R-CNN（基于区域的（de）卷积神经网络）的（de）帮（bāng）助下自动检测和收集石头。

从现实环境（jìng）中测试研发的新功能，让研究人（rén）员收获了（le）很多。特别是（shì），自动化程度越高并不（bú）意味着宇航（háng）员的工作量越（yuè）低（dī），这（zhè）个假（jiǎ）设并不总（zǒng）是（shì）对（duì）的。

与宇航员经常使用自动采集样本相比，自动（dòng）导航的使用频（pín）率并不高，这（zhè）意（yì）味着它比操纵杆驾驶更（gèng）费力。这可能是因为（wéi）宇航员对自（zì）动系统（tǒng）信任度低，得到反馈的时间（jiān）较长等。

未来，科学家希（xī）望能够测（cè）试一个真正扩（kuò）展自主的（de）、多机器（qì）人（rén）的场（chǎng）景，为此（cǐ）他们（men）启动了Surface Avatar项目——在（zài）一个大规模的火星模拟环境中，国际空（kōng）间站的（de）宇航员（yuán）将在地面上指挥一（yī）个由四个机器人组成的团队（duì）。

2022年6月，宇航员Samantha Christoforetti和Jessica Watkins进行了（le）Surface Avatar项目的初步测试，第一次大（dà）型实（shí）验（yàn）计划将于2023年进行，这（zhè）次实验将（jiāng）是（shì）这个研（yán）究团队迄今为止（zhǐ）最复杂的国际空间站远程机器（qì）人（rén）任务。

▲宇航员Samantha Christoforetti正在进行试验

结语（yǔ）：机器人或会在月（yuè）球上与我（wǒ）们（men）“隔（gé）空相望”

上述的（de）科学场（chǎng）景在（zài）未来的月球（qiú）和火星任务中可能会出现。对（duì）人类和机（jī）器来说，太空是一个充满（mǎn）很多未知与困（kùn）难的地方。未来我们进行（háng）太阳系（xì）的探测时，在派（pài）人类执行任务之（zhī）前，可能需要先发射机器人探测器（qì）到未知行星上探测水域。

在这之前，其（qí）他行星的探测器都是由预编程软件（jiàn）以及科学家（jiā）从地面发送指令控制的（de），传输时间较长。我们通（tōng）过提高机器人的自主性，提（tí）高（gāo）了宇航（háng）员执行任（rèn）务的科学回报率，并（bìng）避免（miǎn）了人类登陆（lù）其他星（xīng）球带（dài）来的潜在污染（rǎn）。

此（cǐ）外（wài），这个研究对操作（zuò）者在（zài）远处指挥机器人团队具（jù）有一般性参考价值，例（lì）如（rú）维（wéi）护太阳能和风能园区和搜索和救援任务等。