人形機(jī)器人：航天探索的“明日之星”

最近，航天科技集團(tuán)一院研發(fā)的“航小妍”智能人形機(jī)器人引發(fā)外界廣泛關(guān)注。據(jù)公開(kāi)資料顯示，這款人形機(jī)器人采用輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備自主建圖導(dǎo)航與多樣化地形適應(yīng)能力，未來(lái)有望執(zhí)行箭體巡檢、空間站作業(yè)乃至外星球資源開(kāi)發(fā)等任務(wù)。隨著相關(guān)技術(shù)不斷取得突破，人形機(jī)器人必將在航天領(lǐng)域加速深度推廣應(yīng)用。

我國(guó)“航小妍”人形機(jī)器人

角色不僅在陪伴

如今，人類正在逐步邁向更加遙遠(yuǎn)和未知的星際空間。然而，太空探索事業(yè)不僅對(duì)先進(jìn)技術(shù)的要求越來(lái)越高，還面臨著很多人類無(wú)法直接介入的極端環(huán)境，普遍體現(xiàn)出極端溫度、高輻射、微重力等特點(diǎn)。

在此背景下，人形機(jī)器人作為一種具備高度適應(yīng)性和靈活性的技術(shù)平臺(tái)，逐漸在太空探索中展現(xiàn)出越來(lái)越大的潛力，促使各國(guó)越來(lái)越多的航天機(jī)構(gòu)和企業(yè)致力于研發(fā)測(cè)試“太空機(jī)器人”。

俄羅斯人形機(jī)器人曾在國(guó)際空間站上測(cè)試

早在1997年，美國(guó)宇航局就啟動(dòng)有關(guān)項(xiàng)目，研發(fā)可協(xié)助航天員執(zhí)行多種操作任務(wù)的人形機(jī)器人。2010年，該項(xiàng)目推出的第二代人形機(jī)器人R2首次亮相，并于2011年2月由航天飛機(jī)送至國(guó)際空間站，成為第一個(gè)進(jìn)入太空的人形機(jī)器人。

在測(cè)試中，R2協(xié)助航天員抓取物體、翻轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等，初步探索了靈巧型人形機(jī)器人在太空中的行為方式，并幫助科研人員確認(rèn)R2需要升級(jí)哪些功能，以便未來(lái)代替航天員執(zhí)行過(guò)于危險(xiǎn)或枯燥重復(fù)的任務(wù)。遺憾的是，由于硬件問(wèn)題，R2自2015年起無(wú)法正常運(yùn)行，最終不得不在2018年被送回地球。

俄羅斯在人形機(jī)器人領(lǐng)域積累深厚，推出了“費(fèi)奧多爾”系列，2019年將“費(fèi)奧多爾-850”送往國(guó)際空間站。該系列人形機(jī)器人的功能定位比較明確，最初設(shè)計(jì)用途是協(xié)助救援，既能模仿遠(yuǎn)程操作員的動(dòng)作，又能自主執(zhí)行一些任務(wù)，并以“幽默語(yǔ)調(diào)”報(bào)告信息。俄羅斯航天員在軌對(duì)它進(jìn)行了一系列測(cè)試，考核它協(xié)助太空實(shí)驗(yàn)室工作的潛力。

而在這場(chǎng)全球人形機(jī)器人太空對(duì)話“競(jìng)賽”中，日本產(chǎn)品拔得頭籌。Kirobo是根據(jù)日語(yǔ)“希望”和“機(jī)器人”創(chuàng)造的新詞匯，被用來(lái)命名日本第一位“太空機(jī)器人”。2013年8月10日，這款小巧的人形機(jī)器人抵達(dá)國(guó)際空間站，重點(diǎn)展示了語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、語(yǔ)音合成、表情識(shí)別和視頻錄制等拿手好戲，還能協(xié)助航天員開(kāi)展各種太空實(shí)驗(yàn)。它上太空的主要目標(biāo)是幫助科研人員深入了解人形機(jī)器人與人類的互動(dòng)方式，引導(dǎo)人形機(jī)器人在協(xié)助航天員執(zhí)行任務(wù)方面發(fā)揮更積極的作用。

隨著太空建設(shè)和維護(hù)工作需求日益增長(zhǎng)，一些航天初創(chuàng)企業(yè)看到了商機(jī)。2021年，日本GITAI公司贏得了官方合同，負(fù)責(zé)研發(fā)“能夠在太空軌道和月球上自主執(zhí)行多項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)的通用機(jī)械臂和機(jī)械手技術(shù)”，希望借此推出功能更強(qiáng)大、成本更低的太空通用人形機(jī)器人。借助人工智能和遠(yuǎn)程操作技術(shù)，這款人形機(jī)器人將操作工具、控制板、科學(xué)設(shè)備等，適應(yīng)空間站和未來(lái)月球基地的復(fù)雜環(huán)境。2021年10月，該公司在國(guó)際空間站內(nèi)完成了技術(shù)演示。2022年4月，人形機(jī)器人在模擬太空環(huán)境中嘗試從事服務(wù)、組裝和制造任務(wù)。

自1995年以來(lái)，德國(guó)航空航天中心一直在開(kāi)發(fā)靈巧型人形機(jī)器人，探索其在太空環(huán)境中的應(yīng)用潛力。2008年，具備雙臂機(jī)械手的人形機(jī)器人以輪式底盤的構(gòu)型首次亮相，隨后不斷升級(jí)移動(dòng)控制系統(tǒng)和處理能力。2017年，國(guó)際空間站上的航天員完成了天地遠(yuǎn)程操作測(cè)試，指揮人形機(jī)器人在火星環(huán)境模擬設(shè)施中完成驗(yàn)證任務(wù)。或許，在未來(lái)火星任務(wù)中，德國(guó)人形機(jī)器人不會(huì)讓馬斯克的“擎天柱”獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

施展絕技仍需過(guò)關(guān)

太空環(huán)境的復(fù)雜性和極端性對(duì)人類生理和心理承受力構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)，制約著人類探索太空的步伐。相比之下，人形機(jī)器人逐漸與眾多科技成果深度融合后，有望實(shí)現(xiàn)自主決策、群體協(xié)同，進(jìn)而推動(dòng)諸多高風(fēng)險(xiǎn)航天任務(wù)向智能化、無(wú)人化發(fā)展。

相比無(wú)人車等傳統(tǒng)航天機(jī)器人，人形機(jī)器人在航天探索領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于形態(tài)與功能的雙重適配性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它與人類肢體相似的結(jié)構(gòu)可以“無(wú)縫”適配使用現(xiàn)有各種航天工具，雙足行走能力對(duì)地形要求較低，很可能更適應(yīng)外星球的崎嶇表面，而其搭載的自適應(yīng)性人工智能模型有助于迅速更新環(huán)境感知信息，支持自主決策。

日本袖珍人形機(jī)器人與航天員對(duì)話

然而，人形機(jī)器人想要在航天領(lǐng)域推廣應(yīng)用，還面臨不少技術(shù)挑戰(zhàn)，有必要化解便攜式能源供應(yīng)、極端環(huán)境適應(yīng)性等技術(shù)難題，涉及機(jī)械工程、人工智能、傳感器技術(shù)等多學(xué)科融合，要求科研人員持續(xù)開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，積極跨領(lǐng)域合作。

比如，人形機(jī)器人在航天探索任務(wù)中需要進(jìn)行高復(fù)雜度運(yùn)動(dòng)和操作，用電需求較大。而現(xiàn)有電池技術(shù)難以滿足長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷運(yùn)行需求。因此，開(kāi)發(fā)高效、大容量能源系統(tǒng)，或者通過(guò)收集環(huán)境能量來(lái)延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，突破能源管理與續(xù)航瓶頸，是人形機(jī)器人研制工作中亟待解決的問(wèn)題。

再比如，太空和外星球極端環(huán)境令人形機(jī)器人面臨多重考驗(yàn)：艙外維修時(shí)，需小心宇宙輻射與微流星體撞擊；火星任務(wù)中，必須克服沙塵暴與極低溫度；類似深空探測(cè)任務(wù)普遍要求設(shè)備具備數(shù)年無(wú)故障運(yùn)行能力。

其實(shí)，在陌生且崎嶇的外星球地形中，人形機(jī)器人模擬人類的步態(tài)和身體協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)流暢運(yùn)動(dòng)，也不是一件容易的事。它需要優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制與穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)保持平衡，避免摔倒，還要考慮到復(fù)雜光照條件、動(dòng)態(tài)遮擋等情況，盡力提升視覺(jué)傳感器的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)整合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多模態(tài)傳感器信息，分辨未知環(huán)境中的障礙，進(jìn)一步優(yōu)化多模態(tài)感知融合算法。

不過(guò)，現(xiàn)役人形機(jī)器人普遍僅能執(zhí)行預(yù)編程任務(wù)，面對(duì)突發(fā)情況和不確定性之際，難以提供創(chuàng)造性解決方案并主動(dòng)調(diào)整策略。未來(lái)，人形機(jī)器人需要具備更出色的智能決策與自主能力，在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境中快速?zèng)Q策并規(guī)劃最優(yōu)行動(dòng)路徑，同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)。

天地服務(wù)的“小管家”

太空環(huán)境的復(fù)雜性和極端性要求，人類探索必須依賴更高效更智能的技術(shù)解決方案。從國(guó)際空間站維護(hù)到月球基地建設(shè)，從火星勘探到更遙遠(yuǎn)的深空探測(cè)，人形機(jī)器人將成為未來(lái)太空任務(wù)中不可或缺的關(guān)鍵力量，幫助人類突破“技術(shù)壁壘”，飛向更廣袤深遠(yuǎn)的星際時(shí)代。

美國(guó)擎天柱機(jī)器人可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)登上火星

在地面上，人形機(jī)器人將在火箭巡檢與維保工作中大展身手。無(wú)論是承擔(dān)關(guān)鍵使命的大型乃至重型火箭，還是高密度發(fā)射的商業(yè)火箭，傳統(tǒng)人工巡檢和維保模式日益體現(xiàn)出效率偏低、長(zhǎng)時(shí)間工作效果不佳、人力資源消耗大等隱患。人形機(jī)器人可以較方便地融入原有裝備體系、工作規(guī)程與設(shè)備空間布局，使用人類工具，人機(jī)協(xié)同進(jìn)行智能化長(zhǎng)時(shí)間巡檢、故障診斷與維護(hù)保養(yǎng)。

在太空中，人形機(jī)器人有望像科幻作品中暢想的那樣適應(yīng)人類空間設(shè)施，兼容載人航天系統(tǒng)工具與界面，獨(dú)立或與航天員協(xié)同工作。

在艙內(nèi)，它可以充當(dāng)在軌服務(wù)的“全能管家”，承擔(dān)物資管理、設(shè)備巡檢等基礎(chǔ)工作，利用物資智能追蹤系統(tǒng)，提升庫(kù)存管理效率，還能與航天員加強(qiáng)溝通，緩解工作生活中的身心壓力。

在艙外，它能配合航天員完成焊接、涂覆等在軌作業(yè)，顯著減少人工操作失誤、航天服老化泄漏、航天器意外損傷等險(xiǎn)情。

在外星球上，人形機(jī)器人無(wú)疑將充當(dāng)深空探測(cè)“先遣隊(duì)”，在航天員登陸之前，完成環(huán)境考察、基地選址、資源勘探等準(zhǔn)備工作，為航天員和地面團(tuán)隊(duì)提供關(guān)鍵基礎(chǔ)信息，大幅降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

隨著人工智能、低成本太空發(fā)射等技術(shù)普及，大量人形機(jī)器人將成為外星球基地的“建設(shè)者”，利用輕量化、多功能結(jié)構(gòu)和充沛的能源供應(yīng)系統(tǒng)，初步完成外星球基地所需資源開(kāi)采、建筑材料原位制備、自動(dòng)化施工等重要任務(wù)。

來(lái)源/《中國(guó)航天報(bào)·飛天科普周刊》

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