2020年能登陸火星：人工智能如何改變了太空探索

　　火星2020是一個(gè)雄心勃勃的計劃。美國宇航局計劃用1.25個(gè)火星年，即28個(gè)地球月收集20份火星巖芯和土壤樣本——如果沒(méi)有人工智能，這項任務(wù)就不可能完成，因為探測器會(huì )浪費太多時(shí)間等待指令。

　　目前，美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗室的火星科學(xué)實(shí)驗室團隊規劃“好奇號”火星探測器日?；顒?dòng)，然后再通過(guò)NASA的“深空網(wǎng)絡(luò )”發(fā)送指令大約要花費八個(gè)小時(shí)。項目負責人會(huì )告訴漫游車(chē)什么時(shí)候該起床，需要多長(cháng)時(shí)間來(lái)預熱它的儀器，以及如何避開(kāi)那些會(huì )損壞它已經(jīng)破舊的車(chē)輪的巖石。

　　火星2020將需要它有更多的自主權?；鹦强茖W(xué)實(shí)驗室的任務(wù)主管——“火星科學(xué)實(shí)驗室”的負責人說(shuō)：“任務(wù)按照地面循環(huán)來(lái)進(jìn)行推進(jìn)。”“它自己能做的越多，它就能做得越好。”

　　超越從不犯錯的HAL

　　耗資24億美元的火星2020任務(wù)只是NASA越來(lái)越需要人工智能的一個(gè)例子，盡管這個(gè)詞本身讓一些人感到不安。許多NASA的科學(xué)家和工程師更喜歡稱(chēng)之為機器學(xué)習，而不是人工智能。在太空領(lǐng)域，這個(gè)寬泛的術(shù)語(yǔ)有時(shí)會(huì )讓人想起ArthurC.Clarke在《2001太空漫游》中虛構的計算機HAL9000，號稱(chēng)有完美記錄從不犯錯。

　　需要說(shuō)明的是，NASA并不是在試圖創(chuàng )造HAL。工程師們正在開(kāi)發(fā)軟件和算法來(lái)滿(mǎn)足任務(wù)的具體要求。

　　美國宇航局艾姆斯研究中心自動(dòng)系統領(lǐng)域的高級科學(xué)家、智能機器人小組的負責人KellyFong說(shuō)：“我們今天所做工作關(guān)注的重點(diǎn)不是智能問(wèn)題，而是試圖讓系統變得更獨立、更自動(dòng)、更自主。”

　　對于載人航天來(lái)說(shuō)，就是給宇航員提供軟件，幫助他們應對從設備故障到緊急醫療這類(lèi)的突發(fā)事件。例如，一種結合帶有推理和學(xué)習算法的數據挖掘的醫療輔助工具，幫助宇航員在火星上執行多個(gè)月任務(wù)，處理從日常護理到疾病或受傷的各種事情——“不再需要跟很多飛行控制人員商議，”Fong說(shuō)。

　　通過(guò)機器人探測火星任務(wù)，美國宇航局正在展示其擁有越來(lái)越強能力的探測器。美國宇航局的火星探測器“勇氣號”和“機遇號”在2004年登陸火星的時(shí)候，盡管通過(guò)軟件升級獲得了一定的自主能力，但能做的仍然非常有限。相比之下，“好奇號”的能力顯然強得多。

　　去年，“好奇號”開(kāi)始使用一種名為“科學(xué)知識收集自主探索”的軟件，將計算機視覺(jué)與機器學(xué)習結合起來(lái)，根據科學(xué)家確定的標準，選擇巖石和土壤樣本進(jìn)行研究?；鹦擒?chē)可以用它的化學(xué)攝像機的激光對目標進(jìn)行射擊，分析燃燒的氣體，將圖像和數據打包，然后發(fā)送回地球。

　　“負責這項任務(wù)的科學(xué)家們對此感到興奮，因為過(guò)去他們不得不看著(zhù)影像、挑選目標、發(fā)送命令然后等待數據傳回，”JPL機器學(xué)習和儀器自主小組的研究員基里·瓦格斯塔夫說(shuō)。

　　盡管數據只需要10到30分鐘就能從火星傳回地球，但任務(wù)控制人員只能利用他們在深空網(wǎng)絡(luò )上分配的時(shí)間內發(fā)送和接收數據。

　　“即使探測器可以全天候與我們通話(huà)，我們也不能全天都在接聽(tīng)，不是嗎?”瓦格斯塔夫說(shuō)。“我們只在每天兩次，一次10分鐘的時(shí)間里聽(tīng)它的通話(huà)，因為深空網(wǎng)絡(luò )正忙著(zhù)接收卡西尼號、航行者號、先鋒號、新地平線(xiàn)號和其他所有的任務(wù)的聯(lián)絡(luò )信號。”

　　火星2020計劃的探測器設計時(shí)的目標就是要自主做更多的事情，來(lái)更好與任務(wù)管理人員進(jìn)行有限的通信。在處理發(fā)送給它的任務(wù)，以及如果有電量剩余再做一些雜事之前，它會(huì )把自己叫醒，將儀器加熱到合適溫度。

　　“理想情況下，這對我們是有利的。我們想要的是目標的圖像和來(lái)自?xún)x器的數據。收集完這些再跟我們聯(lián)絡(luò )，然后我們會(huì )利用這些信息來(lái)指導它獲取一份樣品。”特羅斯珀說(shuō)。

　　NASA目前還沒(méi)有實(shí)現這一目標，但火星2020計劃促使他們在這個(gè)方向上改進(jìn)了軟件，使探測器能夠自己在火星地表從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)，同時(shí)避開(kāi)障礙物。“這就像蹣跚學(xué)步的孩子們學(xué)習的基本技能，別撞到障礙上。”他說(shuō)。這種自主正越來(lái)越多地加入到我們的太空項目中。展望未來(lái)，我覺(jué)得我們會(huì )越來(lái)越多地使用這些智能技術(shù)。

　　未來(lái)的任務(wù)，如美國宇航局的歐羅巴飛船(EuropaClipper)，將需要更強大的人工智能，來(lái)尋找從地下海洋升起的羽狀物，以及由熱液噴口造成的月球結冰表面裂縫。當科學(xué)家無(wú)法預測他們在何時(shí)或何地能有新發(fā)現時(shí)，他們就需要人工智能來(lái)“觀(guān)察、注意、收集數據并將數據發(fā)回”，瓦格斯塔夫說(shuō)。

　　隨著(zhù)歐羅巴飛船搭載的儀器數據收集的完成，飛船的機載處理器需要“為觀(guān)測指定優(yōu)先級，并將最有趣的數據傳回地球。”“我們收集到的數據總比我們傳輸的要多。”

　　在比火星更遠的任務(wù)中更是如此，需要衛星進(jìn)行數據中轉。由于距離太遠，前往木衛二或土星的衛星土衛二的任務(wù)也會(huì )出現通信延遲。

　　NASA已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了用于地球觀(guān)測衛星的軟件，可以用于海洋觀(guān)測任務(wù)。2013年發(fā)射的“智能有效載荷實(shí)驗”衛星依靠機器學(xué)習來(lái)分析圖像，并著(zhù)重觀(guān)察與周?chē)h(huán)境不同的地區。

　　“它睜大眼睛尋找一切與我們預想不匹配或與眾不同的東西，”他說(shuō)。“我們無(wú)法預測能發(fā)現什么。我們不想因為沒(méi)有教會(huì )機器尋找東西的技巧而錯過(guò)一些東西。”

　　未來(lái)的一項任務(wù)是穿過(guò)木衛二表面的冰層來(lái)調查水下是否存在生命，這將需要更多的機器智能。NASA可能會(huì )設計軟件來(lái)尋找化學(xué)成分或溫度變化的不一致。“這將使你不必告訴它生命是什么樣子，它會(huì )吃什么以及它的能源來(lái)源是什么，”瓦格斯塔夫說(shuō)。

　　在工程師將硬件和軟件發(fā)送進(jìn)太空之前，他們會(huì )在地球上類(lèi)似的環(huán)境中進(jìn)行廣泛的測試。工程師們在沙漠中測試火星任務(wù)。對木衛二任務(wù)的最佳模擬場(chǎng)地可能是北極的冰川。

　　“我們敏銳地意識到要降低風(fēng)險，因為這是耗資數億甚至數十億美元的宇宙飛船，”他說(shuō)。“我們所做的所有事都是經(jīng)過(guò)了多年的詳細測試才會(huì )被送上宇宙飛船的。”

　　人工智能掌控一切

　　SpaceX和波音正在建造的往返于地球和國際空間站之間的太空艙的設計宗旨就是，一旦完成發(fā)射即可自主操作，完成對接任務(wù)和返回地球的任務(wù)。

　　“這樣美國宇航局的工作人員學(xué)習航天飛船操控所需要花費的時(shí)間將比進(jìn)行微重力實(shí)驗以及保持衛星軌道更短。”克里斯·弗格森說(shuō)，他是波音公司CST-100星際航線(xiàn)項目的負責人和任務(wù)執行主管。

　　“這將極大地減少訓練時(shí)間。他們只需要學(xué)習那些重要的東西，以及如何發(fā)現飛船沒(méi)有按照計劃在完成動(dòng)作。”弗格森告訴太空新聞。

　　星際航線(xiàn)的機組成員將會(huì )進(jìn)行飛船進(jìn)度監控的相關(guān)訓練。如果出現問(wèn)題，他們將知道如何手動(dòng)控制，并與地面工作人員合作解決問(wèn)題。”他補充道。

　　NASA堅持表示，實(shí)現高度自主的部分原因是為了確保太空艙可以作為救生船，以防緊急情況的發(fā)生。

　　弗格森說(shuō)：“如遇到突發(fā)情況，機組成員需要盡快返回，他們可以在沒(méi)有任何準備的情況下進(jìn)入太空艙，關(guān)閉艙門(mén)，進(jìn)行一系列動(dòng)作然后迅速返回。”

　　從很多方面來(lái)看，星際航線(xiàn)飛船的自主能力與飛機高度相似。無(wú)論是在商用飛機還是宇宙飛船上，“每個(gè)人都開(kāi)始意識到，飛行員正越來(lái)越多地變成監控者而不是一直活躍的參與者，”弗格森說(shuō)。

　　當星際航線(xiàn)的飛船與空間站對接時(shí)，機組人員將會(huì )是在監控復雜的傳感器和圖像處理器。波音公司依靠相機、紅外成像儀和激光探測以及距離傳感器，來(lái)創(chuàng )建三維圖像。中央處理器將決定哪一個(gè)傳感器更可能準確，并將據此對數據進(jìn)行加權，以確保之前快速移動(dòng)兩個(gè)航天器最終以大約每秒4厘米的相對速度完成對接。

　　盡管這是個(gè)很復雜的過(guò)程，但實(shí)際上宇航員們看到的跟飛機駕駛員在著(zhù)陸系統上看到的顯示是類(lèi)似的，弗格森說(shuō)。