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2019-04-17 08:24:11北京日報
細數空間站里的機器人
發布時間:2019-04-17 08:24:11 文章來源:北京日報 作者:李會超 網絡編輯:奚小荻

  

  宇航員與人工智能機器人助理CIMON-1。

  

  “太空蜜蜂”工作情況想象圖。

  

  Robonaut2和宇航員。

  

  加拿大臂牽引天鵝座貨運飛船與空間站對接。

  新聞背景

  近日,美國國家航空航天局宣布,首批“太空蜜蜂”機器人將在本月奔赴國際空間站,成為宇航員和地面控制人員在空間站工作的助手。

  隨著科學技術的發展,越來越多的機器人被設計和制造出來,進入人類生產和生活的各個領域。探索和利用太空的過程中,空間機器人同樣發揮了它們的作用,代替或協助人類在太空中進行科學試驗、出艙操作、空間探測等活動。實際上,除了“太空蜜蜂”之外,還有多種空間機器人在國際空間站上和宇航員一起工作過。

  最像宇航員的機器人:Robonaut 2

  為了完成國際空間站的維護工作,宇航員們經常要進行出艙行走。在此過程中,他們需要穿著笨重的艙外宇航服,離開太空艙的保護,直接暴露在惡劣的太空環境中。盡管能夠直接感受星辰和地球的壯美,但太空中較強的輻射環境和無處不在的空間碎片,都會對進行太空行走的宇航員構成威脅。為了盡量減小這種風險,美國航天局開發設計了名為“Robonaut 2”(簡稱R2)的機器人,以期在未來能夠替代宇航員完成這些工作。

  R2的外觀與人類宇航員十分接近,其頭部和手臂鏈接在軀干上。而軀干既可以與能在微重力環境下工作的機械腿組合,完成國際空間站上的任務,又能與輪式底盤相結合,變成像火星車那樣在行星表面移動的機器人,在行星的探測與航天基地建設中承擔工作。R2的“眼睛”是頭部的4個視覺攝像頭,每兩個攝像頭能夠組成一個視覺信息單元,其中一個單元工作、一個單元備用。R2還在“嘴部”周圍部署了15個紅外攝像機,能夠接收到人眼所不能感知的紅外信號,從而幫助它更準確感知周圍的情況。

  R2的手臂上安裝了兩只具備多達12個自由度的靈巧機械手,手臂本身還具有7個自由度,能夠完成對于機器來說相對復雜的動作。R2每根手指能夠施加的最大抓握力約為22牛頓,手臂的最快移動速度為2米/秒,遍布全身的350個傳感器能夠提供類似于人的觸覺的信息,不但能夠幫助R2有效地完成工作,還能確保其安全性,使其不會因為用力過猛而損壞設備或傷害人類。R2的“大腦”是38個Power PC型處理器。為了應付太空中可能讓芯片“死機”的高能粒子,這些芯片相對于地球上使用的同類產品,采取了特別的防護措施。

  2011年2月24日,R2乘坐“發現號”航天飛機到達國際空間站。為了循序漸進地完成測試,R2的軀干部分先行到達太空,腿部則被留在了地球上。在完成靜止狀態的加電測試,確認各部分工作正常后,R2的腿部才被運上太空。在國際空間站駐留期間,作為初步的試驗,R2進行的僅僅是在太空艙里面打掃過濾器、清除塵土這些簡單的工作,并在2018年圓滿完成了任務,被運回地球進行檢修和升級。不過在未來,它還將重返國際空間站,最終完成艙外行走等任務,并有可能成為宇航員們的太空醫生,在地面醫護人員的操作之下為宇航員們提供專業的醫療服務。

  飛船對接好幫手:加拿大機械臂

  國際空間站上的機械臂雖然不具備與人接近的外觀,但由于其能在操作人員控制下協助航天員完成各類任務,因此它們一般也被劃入了空間機器人的范疇。在國際空間站上,最為人所知的機械臂當屬由加拿大設計制造的第二代“加拿大臂”(Canadarm 2)。

  加拿大制造太空機械臂的歷史最早可以追溯到上世紀60年代末。為了在航天飛機上安裝一個能在貨艙中移動貨物或航天器的機械臂,美國航天局找到了加拿大宇航局,希望他們能夠對核電站裝卸核燃料的機械臂進行改造,來供航天飛機使用。后來,加拿大臂在航天飛機上出色可靠的表現使得國際空間站同樣選擇了加拿大設計制造的、功能更好的第二代加拿大臂。

  在國際空間站上,加拿大臂的一項主要工作是協助航天飛機、貨運飛船等飛行器與國際空間站對接。和俄羅斯的航天器在雷達的引導下直接對接方式不同,航天飛機和西方(包括日本)各國設計的貨運飛船在與國際空間站對接時,需要先由加拿大臂“抓”住,再在加拿大臂的牽引下與空間站的艙段對接。具體來說,飛行器在導航系統的引導下,利用GPS定位和激光測距等技術手段,逐漸接近到國際空間站下方500米的位置。在此處,國際空間站的宇航員開始監視飛行器的活動,而飛行器則利用自身推力逐步接近空間站。在距離空間站非常近時,飛行器與空間站的引導控制系統開始聯動,使飛行器的飛行與空間站同步。之后,國際空間站上的宇航員操作加拿大臂,使加拿大臂末端的抓取固定裝置與飛行器相連。最后,地面控制人員和宇航員共同完成對接操作。

  加拿大臂的長度為17.6米,能移動物體的最大質量可達116噸,足以滿足移動航天飛機與空間站對接的要求。加拿大臂能夠利用國際空間站的骨架——綜合桁架結構在國際空間站上移動,從而能夠被部署到空間站的不同位置,在空間站建設和維護的過程中充當太空吊車,將空間站艙段、維護所需的各種設備和物料移動到合適的位置。宇航員也可以將自己連接在加拿大臂末端,借助加拿大臂在空間站外圍便捷地移動到需要的工作位置。為了完成這種工作,加拿大臂上還設置了供宇航員存放工具和連接安全繩的裝置。

  航天員的好伙伴:小型艙內機器人

  近年來,在人工智能(AI)技術的浪潮下,不少智能助手類硬件設備和軟件應用應運而生。它們可以與人們通過語音方式進行交互,成為人們的信息秘書與助手。去年,一臺名叫CIMON的人工智能機器人助理被部署到了國際空間站上,開始陪伴宇航員的工作。CIMON由空中客車公司、德國航天中心(DLR)和IBM公司等企業與機構合作研發。由于太空中的失重環境,有著渾圓外觀的CIMON可以漂浮在空間站的座艙中,因此也被戲稱為“漂浮的大腦”。

  CIMON與宇航員的交互是通過天地聯動的方式進行的。當宇航員和CIMON交談時,CIMON將宇航員的語音信息識別為文字信息,利用國際空間站與地面的通信鏈路將文字信息下傳到IBM的云計算系統中,已經完成前期訓練的AI系統就運行在這個計算機中。AI將對宇航員話語的含義進行分析,判斷宇航員的意圖,并生成CIMON對宇航員的回應內容,傳回國際空間站。在收到地面處理過的信息后,CIMON通過自己的屏幕和揚聲器向宇航員做出語音、圖像表情和內容的回應。這個過程雖然看似復雜,但實際上僅需要幾秒鐘就可以完成。只要宇航員不是急性子,完全可以順暢愉悅地與CIMON互動。在工作中,CIMON可以根據指令在屏幕上顯示宇航員工作的待辦日程、各項工作的執行步驟,還可以幫宇航員在資料庫中找出工作所需的手冊。此外,宇航員們還可以和CIMON閑聊,來緩解太空生活中的孤獨。

  和CIMON一樣,即將奔赴國際空間站的太空蜜蜂也是一種個頭不大的宇航員艙內助手。它的外形是一個邊長約32厘米的立方體,重約10千克。太空蜜蜂能夠通過自身的小型旋翼在空間站艙內自主移動飛行,執行不同的工作。當電量即將耗盡時,它還能像掃地機器人一樣自主尋找空間站內安裝的專用充電位,為自己補充能量。

  太空蜜蜂可以代替宇航員進行一些簡單重復的工作,使宇航員能夠更專注于創造性的活動。例如,它能夠通過掃描RFID標簽,盤點跟蹤空間站上數以千計的工具和零部件。它還能夠替代宇航員在空間站的各個艙段中進行巡視,監視不同位置的溫度、氣體成分等環境參數,保證空間站的正常運行。對于地面控制人員來說,太空蜜蜂也是他們在太空中的另一雙眼睛。他們只需坐在地面的控制室中,就能操控太空蜜蜂到達他們想要檢視的位置,通過太空蜜蜂傳回的視頻數據掌握空間站上的運行情況,監控科學試驗的進行。

  以往,試驗新的航天技術往往要發射一顆專門的試驗衛星,成本相當高昂,試驗周期也比較長。而太空蜜蜂則能為各類新技術提供低風險、低成本的前期試驗平臺。研究人員只需將相應技術的試驗裝置安裝到太空蜜蜂上,就能獲得在近地軌道上的真實試驗環境。一旦試驗中出現未曾預想的問題,宇航員可以立即親自動手幫忙解決。

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