预计在2023年，由（yóu）欧洲航天局和德国（guó）航天中心领导的研（yán）究团队将（jiāng）进行Surface Avatar项目的第一次大型太空（kōng）机器人试（shì）验。此项目将探究机器人团（tuán）队（duì）在行星表面（miàn）上执行协作任务的可行性 ，并研究宇航员如（rú）何（hé）利（lì）用（yòng）语音、手势、视线跟踪（zōng）等（děng）多模态用户界面实现（xiàn）远程（chéng）操控机器人。

一、宇航员“化身”机器人，远（yuǎn）程登陆其他星球

我们可（kě）以设想一个这样的场景，在未来，机器人可以（yǐ）去（qù）探索和开发地（dì）球（qiú）的附近的行星、卫星和小行星，他们能在地球以外的（de）星球表面采（cǎi）集样（yàng）本、构造建（jiàn）筑（zhù）和部（bù）署（shǔ）仪器等。

目前，此科研团队（duì）正在想办法设计这种机器（qì）人探测（cè）器，他们现在重点研究解决这样一个问题：如何为宇航员（yuán）提供工具（jù），让（ràng）他（tā）们能够轻松有效的（de）操控机器（qì）人队伍（wǔ）？

研（yán）究人员的普遍想法是让机器人的操作过（guò）程高（gāo）度自动化，增加其可以完成的任务数量，降低宇（yǔ）航员（yuán）的工作量。2017年到（dào）2018年，研（yán）究团队（duì）完成了SUPVIS Justin实验，让宇航（háng）员使用电脑向机器人发（fā）出高级指令，操纵（zòng）机器人Rollin’ Justin执行了一系列导航、维（wéi）护和修复工作。

这仿佛就像科幻电影一般，在飞（fēi）船上的宇（yǔ）航员只需要用手（shǒu）点几（jǐ）下，就能够让机器人自（zì）主规划和执行任务。

▲机器人Rollin’ Justin正在执行（háng）任务

但是，由于（yú）难以预测的的行星地表环境和刺眼的（de）光照，哪怕是（shì）最（zuì）好的物体探（tàn）测（cè）算法也不能让机器（qì）人（rén）做到完全不出（chū）错。如果任（rèn）务（wù）出现问题（tí），或者需（xū）要机器人（rén）应对没有提前（qián）计划好的情（qíng）况（kuàng）时，我（wǒ）们应该（gāi）怎么做？

在地球上的（de）工厂里（lǐ），机器人的控制人员（yuán）可能会（huì）下到车间里解决问（wèn）题，但（dàn）是如果按照（zhào）类似（sì）的模式，由空间站中的宇航员去星球上检查情况，那么这次旅行将会十分的危险和昂贵。

最（zuì）好的（de）办法是我（wǒ）们（men）把机器人（rén）作为宇航员在星（xīng）球上的化（huà）身，让宇航（háng）员沉（chén）浸在机器人身临的（de）环境中，看机器人所看，感机器（qì）人所（suǒ）感，指（zhǐ）挥机器人完成任务。

二、力反（fǎn）馈（kuì）装置让宇航员和（hé）机器人“感同身受”

为（wéi）检验上述方法是（shì）否（fǒu）可行（háng），2019年11月，欧（ōu）空局进（jìn）行了一项名为ANALOG-1的试验，以验（yàn）证空间站（zhàn）宇航员和地面科学家是否能共同引导机器人完（wán）成模拟月球任务。

这个机器人搭（dā）载了两条安有摄像头（tóu）的机械臂，还配（pèi）备了抓取器、力矩传感器，以及（jí）许多其他传感器（qì）。力（lì）矩传感器可以感受力（lì）矩（jǔ）的物理变化并将其转化（huà）成可输出（chū）理解（jiě）的信号，进（jìn）而精确测量出力的大小（xiǎo），它是机械臂力（lì）反馈装置的重（chóng）要（yào）构成元件（jiàn），这个装置可（kě）以让（ràng）宇航员（yuán）和机（jī）器人“感（gǎn）同（tóng）身受”。

▲机（jī）器人双臂正（zhèng）在（zài）移动

在国际空（kōng）间站，宇（yǔ）航员Luca Parmitano通（tōng）过电脑屏幕看到了（le）机器人所拍摄的（de）画（huà）面，他可以移动摄像头（tóu）和使用定（dìng）制的操纵杆（gǎn）设备。

他将手绑在操纵杆上，从而获（huò）得机（jī）器人手臂的操作反馈，他通（tōng）过移动和打（dǎ）开自己的手（shǒu）来移动机械臂并（bìng）打开机器人的夹钳，能够拥有接触地面的感觉，并能感受到岩石（shí）样本（běn）有（yǒu）多重（chóng），这些对宇航员了解星（xīng）球地（dì）表情况至（zhì）关重（chóng）要。

但是这种方法也要面临诸多挑战：第一，国际空间站（zhàn）的低宽带限制（zhì）了（le）视（shì）频传输的质量；第（dì）二，国际空间站和其他星球距（jù）离遥远，宇航员和机器人的感受很（hěn）难同步（bù），信息延迟很可能导致传统的力反（fǎn）馈远程（chéng）操（cāo）作变得不稳定；第三，信息延（yán）迟可能会让机器（qì）人陷（xiàn）入危险（xiǎn）的境地，造成机器人（rén）的损坏。比（bǐ）如，由（yóu）于宇航员（yuán）收到机（jī）器人的（de）反馈过慢，可能会施加比他设想的更多的力，让机器人不能面对真实环（huán）境，加（jiā）大了被损坏的风险。

▲宇航员Luca Parmitano正在空间（jiān）站操纵地面机器人

为了（le）解（jiě）决信息延迟这个问题（tí），研（yán）究团队开发了一种名（míng）为TDPA-HD的控制方法，它可以检（jiǎn）测宇航员施加的能量，并将该数值和（hé）速度（dù）指令一起发送给机器人（rén）。在（zài）机器人端（duān），它测量机（jī）器人施加的力，并降低速度，让机器人向环境输（shū）出的（de）力小于宇航员对它输出（chū）的力。

在宇（yǔ）航员端，TDPA-HD减少了对操作者的力反馈，因此传（chuán）递给宇（yǔ）航员的（de）能量不会（huì）多（duō）于（yú）从环境中测得的量。这维持（chí）了系统的稳定，意味（wèi）着宇航员不会命令（lìng）机器人，对环（huán）境（jìng）施加比（bǐ）他们设想的更多的力，保（bǎo）证了宇航员和（hé）机器人的（de）安全。

科学家（jiā）将这种操（cāo）作方法称为“监督（dū）自（zì）主”，比起机器（qì）人完（wán）全（quán）自主行动、控制者直（zhí）接远程（chéng）操（cāo）纵、在处理如（rú）意外错误和信息延迟时更有（yǒu）效。控（kòng）制（zhì）者成为了一个监督者，如果机器人（rén）遇到问题，人类可以（yǐ）介（jiè）入其中并帮助它完（wán）成任务。

不过宇航员（yuán）反馈（kuì）说（shuō），这种（zhǒng）“监督自主”仍（réng）有局（jú）限性，沉浸感（gǎn）不足，他希望机（jī）器人可以完（wán）成更多的任务。

三（sān）、高自动（dòng）化却带来高工作量（liàng）？不符科学家（jiā）预期

2022年6月到7月，研究（jiū）团队参加了由德国航天局（jú）在（zài）埃特纳山进行的ARCHES试验活（huó）动。前宇航员Thomas Reiter在埃特纳山附（fù）近的卡塔尼亚镇（zhèn）的控（kòng）制室（shì），控制处（chù）于海拔2700米的熔（róng）岩地带的机器人。

▲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（shì），意思就（jiù）是允许宇航员根据（jù）任务增加（jiā）或减少机（jī）器人的自主性。2019年（nián），宇航员Luca只能（néng）通过机器人的（de）摄（shè）像（xiàng）头和操纵（zòng）杆（gǎn）进行观察（chá）和运动，这一次Thomas拥有一个互动地图，他可（kě）以在上面（miàn）进行标记（jì），让机器（qì）人（rén）自动（dòng）驶向标（biāo）记点。

与2019年（nián）通过力（lì）反馈控制机器人机（jī）械臂相比，现在宇航员可（kě）以在Mask R-CNN（基（jī）于区域的卷积（jī）神经（jīng）网络）的（de）帮（bāng）助下（xià）自动检测和收集石头。

从现实（shí）环境中（zhōng）测试研发的新功能，让（ràng）研究人员收（shōu）获了很多。特别（bié）是，自动化程度（dù）越高并不意味（wèi）着宇航员（yuán）的工（gōng）作量越低，这个假设并不总是（shì）对的。

与宇航员（yuán）经常使用自动采集样本相比，自动导航的使用频率并不高，这意味着它（tā）比操纵杆驾驶（shǐ）更费力。这可能是因为宇航员对自动系统信任度低，得到反馈的（de）时间较长等。

未来，科学家希望能够测试一个（gè）真正扩展自主（zhǔ）的、多（duō）机器人（rén）的场（chǎng）景，为此他们（men）启动了Surface Avatar项目——在一个大规模的（de）火（huǒ）星模拟环境中，国际空（kōng）间站的宇航员（yuán）将在地（dì）面上（shàng）指挥一个由四个（gè）机器人组成的团队。

2022年（nián）6月，宇（yǔ）航员（yuán）Samantha Christoforetti和Jessica Watkins进（jìn）行了Surface Avatar项目的（de）初步测（cè）试，第一次大型实（shí）验计划将于2023年进行，这（zhè）次实验将是这个研究团队迄今为止最复杂（zá）的国际空间站远程机器人任务。

▲宇航员Samantha Christoforetti正在进行试验

结语：机器人或会（huì）在月球上与我（wǒ）们“隔空（kōng）相望”

上述的科学（xué）场景在未来的月球（qiú）和火星任务（wù）中（zhōng）可能会出现（xiàn）。对人类和机（jī）器来（lái）说，太空是一个充满很多（duō）未知与困难（nán）的地方。未（wèi）来我们进行太阳系（xì）的探测（cè）时，在派人类执行任务（wù）之前，可能需要先发射（shè）机（jī）器人探测器到未知行（háng）星（xīng）上探测水域。

在这之前（qián），其他行星的探测（cè）器都（dōu）是由预编（biān）程软件以及科（kē）学家（jiā）从地面发（fā）送指令（lìng）控制的，传输时间较长。我们（men）通过（guò）提高机（jī）器（qì）人的自主（zhǔ）性，提高了宇航员执行（háng）任务的科学回报率，并避免（miǎn）了人类登陆其他星球带来的潜在污（wū）染。

此外，这个研究对操作（zuò）者在远处指挥机器人团队具（jù）有一般性参考（kǎo）价（jià）值，例如（rú）维护太阳能和风能园区和搜（sōu）索和救援任务等（děng）。