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盘点飞向太空的机器人 与人为伴成探索"好帮手"

http://www.kexue.com 2014-03-25 09:40:09 自然与科学杂志  发表评论


基博与宇航员

  世界首个会说话的机器人“基博”是于2013年8月4日被送上太空的,用于陪伴航天员,免得他们在寂寥的太空中感到孤独寂寞。

  “对于我来说,只是跨越了一小步;但是对于机器人世界来说,是跨出了一大步。”这是日本的太空机器人对航天员称赞它聪明时的自豪回应。的确,太空机器人在科幻片中司空见惯,但是在现实中它们飞向太空却并不容易。2013年12月6日,在希望号日本实验舱内,日本航天员若田光一与机器人“基博”(KIROBO)在国际空间站进行了对话实验。“基博”通过自带的摄像机识别出了若田的脸,它主动攀谈道:“你好,若田先生。”若田问:“对失重习惯了吧?”浮在空中的“基博”做出抬头挺胸的样子回答:“已经习惯了哦。”“基博”还对将担任空间站站长的若田说:“第一个日本人船长,请多多关照。”然后,它还与若田握了手。

  缓解寂寞

  世界首个会说话的机器人“基博”是于2013年8月4日被送上太空的,用于陪伴航天员,免得他们在寂寥的太空中感到孤独寂寞。若田于2013年11月开始其太空之旅,在2013年底接任“国际空间站”站长。

  “基博”的英文名字(KIROBO)是在2400份参与竞争的名字中挑选而出的,取自日语“希望”的发音(kibo)和“机器人”的英文(robot)。由于无需从事体力工作,“基博”体型比进入太空的绝大多数机器人小。它高34厘米,宽18 厘米,厚15 厘米,质量1公斤,设计灵感来自家喻户晓的动画角色“铁臂阿童木”,可完成多种肢体动作。它在“国际空间站”协助航天员接受地面的指令,陪航天员说话,为航天员们解闷。“基博”可用日语同若田光一进行交流,帮助其工作,记录对话内容,并能从控制室向若田光一传递信息,也会让其他的航天员保持愉快的心情,还可拍照并且通过地球上的一个机器人兄弟更新它的微博账户,这是它作为一个“社会型机器人”的部分任务。

  “基博”由著名机器人设计师高桥智隆设计,它会记住若田光一的长相,当他们在太空相聚时,“基博”可以认出他。最大的挑战是如何让该机器人适用于太空。为确保“基博”的可靠性,已进行了几十项测试,其中就包括模拟空间站的微重力环境,观察机器人能否正常活动等。“基博”在地球上还有一个“孪生”机器人,名叫Mirata,用于监测“基博”在太空中可能遇到的问题,通过语音指令,指导“基博”执行任务。

  在YouTube网站上公布的一段视频中,“基博”挥舞着手臂和腿在空中飘浮,它也会在某一刻跳一段舞蹈。另外一段视频展现的是它与小学生们一起做游戏,当它俯身并且挥动手臂的时候小学生们正在笑着学习它的动作。来自于丰田公司的语言处理技术能让“基博”以一种合成的声音讲话,它头部的摄像机装有面部识别软件。

  机器人专家表示,“基博”要突破以往人们对机器人语言呆板的印象。不过它目前还存在一个小的缺陷,就是偶尔会由于听不懂人们的意思而出现语塞。按照计划,“基博”2014年返回地球。其设计团队下一步打算设计智能手机大小的机器人,方便使用者随身携带。研究人员将会对此次得到的信息进行整理,为实现机器人自行整理智能手机庞大机能、自主提出意见、同汽车家电的联动而继续研发。一些宇航爱好者把“基博”前往国际空间站的旅程比作1977年第一部《星球大战》电影中的太空机器人C-3PO和R2-D2,认定经典科幻电影中的情景将在现实中重演。

  高桥智隆说:“提到太空机器人,人们往往首先联想到从事体力劳动的机器人。但在我看来,我们应该关注具备语言能力的类人机器人。”

  美国“大腕”

  2011年2月24日,美国发现号航天飞机进行退役前的最后一次发射。发现号此行的任务之一就是为“国际空间站”送去首个类人形机器人——机器人航天员2号(R2)。从外表看,R2的形象酷似美国科幻电影《星战传说》中的机器人角色C-3PO。那么,该机器人有什么用呢?太空机器人航天员与是对手还是伙伴?

  价值250万美元的R2是美国航空航天局与通用公司联合研制的首个进入太空的仿真机器人,由头部、结实的身躯、两只超灵巧的臂膀和两只手构成,质量约140公斤,用于技术验证性演示,主要目的是协助航天员在国际空间站完成零星工作和维修任务,考察类人形机器人对在轨工作的航天员有多大帮助作用。

  在把R2送到国际空间站后,首先要测试它是否能够在预期的零重力环境下正常工作,然后通过不同任务对它进行全面测试,其中包括操作柔韧、易弯曲织物,以及尽可能地帮助航天员完成一些太空事务。这款机器人将擦拭栏杆和清洁空气滤清器,目前这两项单调的任务是由“国际空间站”航天员来完成的。

  R2由铝合金和非金属材料制造,从腰部至头部高1.01米,是美国为空间站建造的第一款机器人。它不仅设计像人,而且可以像人一样工作,最大的用处是在未来成为航天员出舱活动的助手或替身,或帮助完成对人类而言过于困难或危险的任务。其最大特点是拥有类似人类的灵巧手指,可以帮助人类完成枯燥、重复或者危险的任务,所以具有操作舱外活动工具的能力,并可协助航天员工作。它将成为“国际空间站”永久居民,投入工作之后,对人类同伴十分安全可靠。

  “机器人航天员”的研制最早始于1997年,目的是想让类人形机器人帮助航天员执行过于危险或者繁琐的太空任务。2006年,美国航空航天局首先研制出机器人航天员1号,这个机器人在地面完成了多项试验。

  2007年,美国航空航天局与通用公司开始研制R2,它比起前辈——机器人航天员1号更快捷、灵活、先进。其拇指和手臂的灵活程度,近似戴着手套工作的人类航天员,操作范围远超前辈,动作速度是机器人航天员1号的4倍,整体设计更加紧密,能充分地利用双手去开展工作,与人类合作时的安全性也大大提高。

  R2有4个手指活动关节,每根手指有23牛的抓力,指尖可感受到羽毛的存在,能完成航天员需要戴着手套完成的精密任务和之前仿人机器人所不能完成的复杂工作。它举起物品的能力约是其他灵巧机器人的4倍。无论在地面还是太空,它都能够安全地与人类并肩工作。它可在空间站内负责卫生清洁,在极寒和极热的舱外待上数小时,为航天员在太空行走时携带工具,并处理泄漏与起火等紧急状况。

  虽然没有完整的躯干和双脚,但R2能凭借仅有的一条腿,让自己固定和移动到不同的位置,很像一名航天员在走来走去。对于其类人化仿真程度,研制人员曾开玩笑说,也许某天航天员在空间站上不小心撞到了它,还会不自觉地对它说句抱歉。同时,R2还能和航天员一样使用相同的操作工具,并且“在‘自动监控’下运行”的某一范围内自行“思考”。工作时,其内部系统能产生和记录有关它与航天员共事的性能数据。有关专家表示,为R2增加言语功能并不难,但目前不需要,航天员更需要配合得力的助手。

  今世前缘

  众所周知,航天员出舱进行太空行走可以完成许多重要任务,例如,能检查、修理航天器,为航天器更换设备和添加燃料,捕捉报废的或发生故障需要修理的卫星,装配大型空间结构等。但由于舱外没有空气,人一旦暴露在太空中将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤4大危险,所以必须穿保护身体的盔甲——舱外航天服。由于舱外航天服里充满着空气,鼓鼓囊囊的,所以穿上它行动非常不便,使人显得笨手笨脚,而且航天员长时间舱外活动不仅很累,也有一定风险。因此,航天专家就想到把机器人送上太空,来完成那些简单、危险的重复性劳动,而让人主要发挥他的高度智能的本领。

  太空机器人具有人的基本特点和功能,但不一定具有人的外形。它一般有抓举、搬动物体的机械臂、机械手,这相当于上肢;可以走步、转向或移动的腿或轮子,这相当于下肢;储存信息装置和运算装置或电脑,用于分析、比较、判断与决策,这相当于脑和神经中枢;具有视觉、触觉、听觉、嗅觉等功能的传感器,可以感知温度、硬度、重量、距离、方位、形状和大小等,这相当于感知器官。

  早在1967年4月,就诞生了第一个太空机器人,它是美国勘测者3号月球探测器上的机械臂。这个探测器的机械臂能在地面命令的控制下,在月面挖掘土壤,送入土壤分析器进行分析,以便为阿波罗载人飞船登月选择合适的着陆地点。

  1970年9月,苏联成功地发射了世界上第一个取样返回机器人——月球16号探测器。它能接受地面的遥控命令,在月球表面行走,挖掘土壤,送入样品舱,然后带回地球。1970年11月,苏联的月球17号探测器把世界上第一台巡视机器人——月球车1号带到了月球。

  1980年以后,美国航天飞机上的机械臂曾经多次施放、维修甚至回收卫星,工作得很出色。但是,这类只有手臂的机器人,没有头脑,没有躯干,完全靠人远距离操纵,所以是一种“发育”极不完全的雏形机器人。

  1997年,美国火星探路者探测器将世界上第一台火星巡视机器人带到了火星。这是一辆取名为“旅居者”的小型火星车,只有微波炉大小。后来,美国又发射了更先进的火星巡视机器人,即火星车。

  目前,机器人在探测和开发太空中的应用主要在两个方面:在轨服务和星球探测。R2属于在轨服务机器人,所以在这里我们主要聊聊这类机器人。

  在轨服务

  在轨服务是指在太空为轨道上运行的航天器添加燃料、补充气源、装拆结构部件和维修仪器设备等服务活动。这些任务通常需要由航天员走出座舱去完成,但一些简单的操作可由机器人代劳。

  在轨服务机器人现已承担重任,比如航天飞机和国际空间站上所应用的加拿大机械臂,虽然它没有人的形状,但它是一个拥有部分智能功用的机器人。美国航天飞机的遥控机械臂长15.2米,由3节组成,末端是一个可伸缩的“手腕”,能搬运直径4.5米、长18米、质量29吨的有效载荷,完成了上百次的释放、回收卫星以及协助航天员在太空维修航天器的任务。

  国际空间站上的可移动遥控机械臂长约17米,装在空间站主桁架的导轨上,能往返移动,扩大操作范围。它由6段子臂和7个带电动机的活动关节组成,起重能力达到160吨。其末端还有一个灵巧的多爪机械手“德克斯特”,能完成装配和拆卸结构零件以及维修设备等精细活儿。它已在“国际空间站”建造中立下汗马功劳,包括运送设备,补给物资,安装、维修仪器设备,为航天员的舱外工作提供支持。“国际空间站”上还装有日本和欧洲实验舱各自的专用机械臂。

  航天员是人类精英中的精英,让他们冒着生命危险去从事太空装配、拆卸和维修等简单重复劳动,不仅大材小用,而且一旦发生意外,其损失不可估量。目前实施的“机器人航天员”计划近期主要是为了扩展现有的“国际空间站”机械臂的能力;然后取代“国际空间站”的航天员进行在轨服务;最终,将这种机器人航天员推广到其他航天器,执行在轨服务任务。

  随着机器人技术的发展和应用,在轨服务机器人将成为太空基础设施不可或缺的组成部分。它们活跃在太空中,执行喂哺“饥饿的”卫星、医治“有病的”卫星、埋葬“死亡的”卫星等多种任务,从而提高卫星的工作质量,延长工作寿命,降低运行成本,增强工作灵活性。

  运送首个R2到“国际空间站”的目的,是想证明它在太空失重状态下与在地球上一样能运行良好,为今后更先进的太空机器人承担更繁重任务铺路。不过,首个R2进入空间站后,其活动范围起初局限在命运号实验舱内,进行微重力、站内辐射、电磁干扰等空间环境影响的测试与评估,因为它的保护能力还不足以承受空间站外的太空极端环境。随着技术进步,它在空间站内外活动的自由度可能增加。

  按设计,R2将逐步从简单的任务进程中(如监测自身的健康)获得技能升级,进而有能力去完成更加复杂的工作。专家把和R2一起工作看成是在监管一名新来的员工或学生,因为起初需要给它许多细节方面的指导;随后就比较让人轻松愉快了,那些之前曾解决过的任何领域的问题,只要偶尔核对一下即可。专家称R2能感知并按需要去适应环境,是个机灵的家伙,在作用上拥有无限的可能性!

  研制R2是为了满足未来舱外活动的需求,长期协助航天员的太空工作和探索活动,以减少航天员的重复劳动,让他们腾出双手去做更重要的事情。可让R2协助航天员装配科学实验设备,做一些精密细致的操作,或者只是毫不费力地去操纵一个真空吸尘器,去打扫舱段卫生。

  据法新社2011年8月23日报道,R2已成功通过了首次测试。2011年3月,国际空间站航天员福萨姆启动R2后,它接收到来自地球的首个指令,并睁开“眼睛”,即打开摄像头后并“看到”的是一堆复杂的电线、仪器等。R2在当年9月1日进行首次“行动”。工程师计划监测机器人在失重环境下是如何工作的,以及能否做一些例行和危险的工作。研究者的另一个设想是在紧急情况下,比如宇宙间的某些残骸撞击空间站时,让R2走出空间站去工作甚至分析问题,这样,航天员就没必要出舱。

  目前,专家还在继续改进R2,期望有一天让它利用外加的简易腿或轮子在一颗行星或小行星上行进,为人类勘测可着陆区域,或者帮助人类建立和拆卸工作站或居住点。它不但能和人类并肩作战,而且还可以在危险环境中表现得更出色,扩展人类探索太空的范围。

  工作伙伴

  看到这里,有人可能不禁要问:航天员与太空机器人,是对手还是伙伴?换句话说,在太空飞行中机器人能不能取代人?在这方面现在确实有争议。

  有一部分人认为,人在太空进行的科学实验,可以用太空机器人来完成,这样做既安全,又便宜。国际空间站上的科学实验用太空机器人也能实施,而且花钱不多。人在太空进行科研的价值微不足道,对科学进步没有明显的影响,因此,完全可以用太空机器人来取代航天员。

  另有一部分人认为,航天员在太空可以随机应变,能在复杂、多变和预想不到的环境中完成任务;而太空机器人只能完成人预先给他设计好的任务,如果预先没有想到,临时决定要它完成一件新任务,或者因为情况发生变化,要它修改一下任务,它将无能为力。此外,人能够将观察到的事物和现象进行分析和研究,从而形成概念、做出决策、制定计划和采取相应的行动。所有这些是任何自动化装置和机器人都不可能做到的。

  其实,航天员与太空机器人并不是对手,而是共同工作的伙伴。在未来的太空活动中,航天员与太空机器人两者缺一不可,他们的优缺点正好互补。机器人无论多先进,无论多“聪明”,但它们只能是航天员在太空使用的一种工具,在任何情况下工具都不可能取代人。可以说,太空机器人就是航天员在太空工作的左膀右臂,担当起人类航天员助手的角色。

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