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349預計在2023年，由歐洲航天局和德國航天中心領導的研究團隊將進行Surface Avatar項目的第一次大型太空機器人試驗。此項目將探究機器人團隊在行星表面上執行協作任務的可行性 ，并研究宇航員如何利用語音、手勢、視線跟蹤等多模態用戶界面實現遠程操控機器人。
一、宇航員“化身”機器人，遠程登陸其他星球
我們可以設想一個這樣的場景，在未來，機器人可以去探索和開發地球的附近的行星、衛星和小行星，他們能在地球以外的星球表面采集樣本、構造建筑和部署儀器等。
目前，此科研團隊正在想辦法設計這種機器人探測器，他們現在重點研究解決這樣一個問題：如何為宇航員提供工具，讓他們能夠輕松有效的操控機器人隊伍？
研究人員的普遍想法是讓機器人的操作過程高度自動化，增加其可以完成的任務數量，降低宇航員的工作量。2017年到2018年，研究團隊完成了SUPVIS Justin實驗，讓宇航員使用電腦向機器人發出高級指令，操縱機器人Rollin’ Justin執行了一系列導航、維護和修復工作。
這仿佛就像科幻電影一般，在飛船上的宇航員只需要用手點幾下，就能夠讓機器人自主規劃和執行任務。
▲機器人Rollin’ Justin正在執行任務
但是，由于難以預測的的行星地表環境和刺眼的光照，哪怕是最好的物體探測算法也不能讓機器人做到完全不出錯。如果任務出現問題，或者需要機器人應對沒有提前計劃好的情況時，我們應該怎么做？
在地球上的工廠里，機器人的控制人員可能會下到車間里解決問題，但是如果按照類似的模式，由空間站中的宇航員去星球上檢查情況，那么這次旅行將會十分的危險和昂貴。
最好的辦法是我們把機器人作為宇航員在星球上的化身，讓宇航員沉浸在機器人身臨的環境中，看機器人所看，感機器人所感，指揮機器人完成任務。
二、力反饋裝置讓宇航員和機器人“感同身受”
為檢驗上述方法是否可行，2019年11月，歐空局進行了一項名為ANALOG-1的試驗，以驗證空間站宇航員和地面科學家是否能共同引導機器人完成模擬月球任務。
這個機器人搭載了兩條安有攝像頭的機械臂，還配備了抓取器、力矩傳感器，以及許多其他傳感器。力矩傳感器可以感受力矩的物理變化并將其轉化成可輸出理解的信號，進而精確測量出力的大小，它是機械臂力反饋裝置的重要構成元件，這個裝置可以讓宇航員和機器人“感同身受”。
▲機器人雙臂正在移動
在國際空間站，宇航員Luca Parmitano通過電腦屏幕看到了機器人所拍攝的畫面，他可以移動攝像頭和使用定制的操縱桿設備。
他將手綁在操縱桿上，從而獲得機器人手臂的操作反饋，他通過移動和打開自己的手來移動機械臂并打開機器人的夾鉗，能夠擁有接觸地面的感覺，并能感受到巖石樣本有多重，這些對宇航員了解星球地表情況至關重要。
但是這種方法也要面臨諸多挑戰：第一，國際空間站的低寬帶限制了視頻傳輸的質量；第二，國際空間站和其他星球距離遙遠，宇航員和機器人的感受很難同步，信息延遲很可能導致傳統的力反饋遠程操作變得不穩定；第三，信息延遲可能會讓機器人陷入危險的境地，造成機器人的損壞。比如，由于宇航員收到機器人的反饋過慢，可能會施加比他設想的更多的力，讓機器人不能面對真實環境，加大了被損壞的風險。
▲宇航員Luca Parmitano正在空間站操縱地面機器人
為了解決信息延遲這個問題，研究團隊開發了一種名為TDPA-HD的控制方法，它可以檢測宇航員施加的能量，并將該數值和速度指令一起發送給機器人。在機器人端，它測量機器人施加的力，并降低速度，讓機器人向環境輸出的力小于宇航員對它輸出的力。
在宇航員端，TDPA-HD減少了對操作者的力反饋，因此傳遞給宇航員的能量不會多于從環境中測得的量。這維持了系統的穩定，意味著宇航員不會命令機器人，對環境施加比他們設想的更多的力，保證了宇航員和機器人的安全。
科學家將這種操作方法稱為“監督自主”，比起機器人完全自主行動、控制者直接遠程操縱、在處理如意外錯誤和信息延遲時更有效。控制者成為了一個監督者，如果機器人遇到問題，人類可以介入其中并幫助它完成任務。
不過宇航員反饋說，這種“監督自主”仍有局限性，沉浸感不足，他希望機器人可以完成更多的任務。
三、高自動化卻帶來高工作量？不符科學家預期
2022年6月到7月，研究團隊參加了由德國航天局在埃特納山進行的ARCHES試驗活動。前宇航員Thomas Reiter在埃特納山附近的卡塔尼亞鎮的控制室，控制處于海拔2700米的熔巖地帶的機器人。
▲ARCHES試驗畫面
這是他們在“擴展自主”方面進行的首次嘗試，意思就是允許宇航員根據任務增加或減少機器人的自主性。2019年，宇航員Luca只能通過機器人的攝像頭和操縱桿進行觀察和運動，這一次Thomas擁有一個互動地圖，他可以在上面進行標記，讓機器人自動駛向標記點。
與2019年通過力反饋控制機器人機械臂相比，現在宇航員可以在Mask R-CNN（基于區域的卷積神經網絡）的幫助下自動檢測和收集石頭。
從現實環境中測試研發的新功能，讓研究人員收獲了很多。特別是，自動化程度越高并不意味著宇航員的工作量越低，這個假設并不總是對的。
與宇航員經常使用自動采集樣本相比，自動導航的使用頻率并不高，這意味著它比操縱桿駕駛更費力。這可能是因為宇航員對自動系統信任度低，得到反饋的時間較長等。
未來，科學家希望能夠測試一個真正擴展自主的、多機器人的場景，為此他們啟動了Surface Avatar項目——在一個大規模的火星模擬環境中，國際空間站的宇航員將在地面上指揮一個由四個機器人組成的團隊。
2022年6月，宇航員Samantha Christoforetti和Jessica Watkins進行了Surface Avatar項目的初步測試，第一次大型實驗計劃將于2023年進行，這次實驗將是這個研究團隊迄今為止最復雜的國際空間站遠程機器人任務。
▲宇航員Samantha Christoforetti正在進行試驗
結語：機器人或會在月球上與我們“隔空相望”
上述的科學場景在未來的月球和火星任務中可能會出現。對人類和機器來說，太空是一個充滿很多未知與困難的地方。未來我們進行太陽系的探測時，在派人類執行任務之前，可能需要先發射機器人探測器到未知行星上探測水域。
在這之前，其他行星的探測器都是由預編程軟件以及科學家從地面發送指令控制的，傳輸時間較長。我們通過提高機器人的自主性，提高了宇航員執行任務的科學回報率，并避免了人類登陸其他星球帶來的潛在污染。
此外，這個研究對操作者在遠處指揮機器人團隊具有一般性參考價值，例如維護太陽能和風能園區和搜索和救援任務等。
