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(jì)劃。美國(guó)宇航局計(jì)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——如果沒有人工智能，這項(xiàng)任務(wù)就不可能完成，因?yàn)樘綔y(cè)器會(huì)浪費(fèi)太多時(shí)間等待指令。

　　目前，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)規(guī)劃“好奇號(hào)”火星探測(cè)器日?；顒?dòng)，然后再通過NASA的“深空網(wǎng)絡(luò)”發(fā)送指令大約要花費(fèi)八個(gè)小時(shí)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人會(huì)告訴漫游車什么時(shí)候該起床，需要多長(zhǎng)時(shí)間來預(yù)熱它的儀器，以及如何避開那些會(huì)損壞它已經(jīng)破舊的車輪的巖石。

　　火星2020將需要它有更多的自主權(quán)?；鹦强茖W(xué)實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)主管——“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”的負(fù)責(zé)人說：“任務(wù)按照地面循環(huán)來進(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(cuò)的HAL

　　耗資24億美元的火星2020任務(wù)只是NASA越來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之為機(jī)器學(xué)習(xí)，而不是人工智能。在太空領(lǐng)域，這個(gè)寬泛的術(shù)語有時(shí)會(huì)讓人想起ArthurC.Clarke在《2001太空漫游》中虛構(gòu)的計(jì)算機(jī)HAL9000，號(hào)稱有完美記錄從不犯錯(cuò)。

　　需要說明的是，NASA并不是在試圖創(chuàng)造HAL。工程師們正在開發(fā)軟件和算法來滿足任務(wù)的具體要求。

　　美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心自動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的高級(jí)科學(xué)家、智能機(jī)器人小組的負(fù)責(zé)人KellyFong說：“我們今天所做工作關(guān)注的重點(diǎn)不是智能問題，而是試圖讓系統(tǒng)變得更獨(dú)立、更自動(dòng)、更自主。”

　　對(duì)于載人航天來說，就是給宇航員提供軟件，幫助他們應(yīng)對(duì)從設(shè)備故障到緊急醫(yī)療這類的突發(fā)事件。例如，一種結(jié)合帶有推理和學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)療輔助工具，幫助宇航員在火星上執(zhí)行多個(gè)月任務(wù)，處理從日常護(hù)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。

　　通過機(jī)器人探測(cè)火星任務(wù)，美國(guó)宇航局正在展示其擁有越來越強(qiáng)能力的探測(cè)器。美國(guó)宇航局的火星探測(cè)器“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”在2004年登陸火星的時(shí)候，盡管通過軟件升級(jí)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(hào)”的能力顯然強(qiáng)得多。

　　去年，“好奇號(hào)”開始使用一種名為“科學(xué)知識(shí)收集自主探索”的軟件，將計(jì)算機(jī)視覺與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合起來，根據(jù)科學(xué)家確定的標(biāo)準(zhǔn)，選擇巖石和土壤樣本進(jìn)行研究?；鹦擒嚳梢杂盟幕瘜W(xué)攝像機(jī)的激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射擊，分析燃燒的氣體，將圖像和數(shù)據(jù)打包，然后發(fā)送回地球。

　　“負(fù)責(zé)這項(xiàng)任務(wù)的科學(xué)家們對(duì)此感到興奮，因?yàn)檫^去他們不得不看著影像、挑選目標(biāo)、發(fā)送命令然后等待數(shù)據(jù)傳回，”JPL機(jī)器學(xué)習(xí)和儀器自主小組的研究員基里·瓦格斯塔夫說。

　　盡管數(shù)據(jù)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?cè)谏羁站W(wǎng)絡(luò)上分配的時(shí)間內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　“即使探測(cè)器可以全天候與我們通話，我們也不能全天都在接聽，不是嗎?”瓦格斯塔夫說。“我們只在每天兩次，一次10分鐘的時(shí)間里聽它的通話，因?yàn)樯羁站W(wǎng)絡(luò)正忙著接收卡西尼號(hào)、航行者號(hào)、先鋒號(hào)、新地平線號(hào)和其他所有的任務(wù)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。”

　　火星2020計(jì)劃的探測(cè)器設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)就是要自主做更多的事情，來更好與任務(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(duì)我們是有利的。我們想要的是目標(biāo)的圖像和來自儀器的數(shù)據(jù)。收集完這些再跟我們聯(lián)絡(luò)，然后我們會(huì)利用這些信息來指導(dǎo)它獲取一份樣品。”特羅斯珀說。

　　NASA目前還沒有實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但火星2020計(jì)劃促使他們?cè)谶@個(gè)方向上改進(jìn)了軟件，使探測(cè)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)避開障礙物。“這就像蹣跚學(xué)步的孩子們學(xué)習(xí)的基本技能，別撞到障礙上。”他說。這種自主正越來越多地加入到我們的太空項(xiàng)目中。展望未來，我覺得我們會(huì)越來越多地使用這些智能技術(shù)。

　　未來的任務(wù)，如美國(guó)宇航局的歐羅巴飛船(EuropaClipper)，將需要更強(qiáng)大的人工智能，來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(jié)冰表面裂縫。當(dāng)科學(xué)家無法預(yù)測(cè)他們?cè)诤螘r(shí)或何地能有新發(fā)現(xiàn)時(shí)，他們就需要人工智能來“觀察、注意、收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)回”，瓦格斯塔夫說。

　　隨著歐羅巴飛船搭載的儀器數(shù)據(jù)收集的完成，飛船的機(jī)載處理器需要“為觀測(cè)指定優(yōu)先級(jí)，并將最有趣的數(shù)據(jù)傳回地球。”“我們收集到的數(shù)據(jù)總比我們傳輸?shù)囊唷?rdquo;

　　在比火星更遠(yuǎn)的任務(wù)中更是如此，需要衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。由于距離太遠(yuǎn)，前往木衛(wèi)二或土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二的任務(wù)也會(huì)出現(xiàn)通信延遲。

　　NASA已經(jīng)開發(fā)出了用于地球觀測(cè)衛(wèi)星的軟件，可以用于海洋觀測(cè)任務(wù)。2013年發(fā)射的“智能有效載荷實(shí)驗(yàn)”衛(wèi)星依靠機(jī)器學(xué)習(xí)來分析圖像，并著重觀察與周圍環(huán)境不同的地區(qū)。

　　“它睜大眼睛尋找一切與我們預(yù)想不匹配或與眾不同的東西，”他說。“我們無法預(yù)測(cè)能發(fā)現(xiàn)什么。我們不想因?yàn)闆]有教會(huì)機(jī)器尋找東西的技巧而錯(cuò)過一些東西。”

　　未來的一項(xiàng)任務(wù)是穿過木衛(wèi)二表面的冰層來調(diào)查水下是否存在生命，這將需要更多的機(jī)器智能。NASA可能會(huì)設(shè)計(jì)軟件來尋找化學(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源是什么，”瓦格斯塔夫說。

　　在工程師將硬件和軟件發(fā)送進(jìn)太空之前，他們會(huì)在地球上類似的環(huán)境中進(jìn)行廣泛的測(cè)試。工程師們?cè)谏衬袦y(cè)試火星任務(wù)。對(duì)木衛(wèi)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(shí)到要降低風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫@是耗資數(shù)億甚至數(shù)十億美元的宇宙飛船，”他說。“我們所做的所有事都是經(jīng)過了多年的詳細(xì)測(cè)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(guó)際空間站之間的太空艙的設(shè)計(jì)宗旨就是，一旦完成發(fā)射即可自主操作，完成對(duì)接任務(wù)和返回地球的任務(wù)。

　　“這樣美國(guó)宇航局的工作人員學(xué)習(xí)航天飛船操控所需要花費(fèi)的時(shí)間將比進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)以及保持衛(wèi)星軌道更短。”克里斯·弗格森說，他是波音公司CST-100星際航線項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人和任務(wù)執(zhí)行主管。

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

　　星際航線的機(jī)組成員將會(huì)進(jìn)行飛船進(jìn)度監(jiān)控的相關(guān)訓(xùn)練。如果出現(xiàn)問題，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題。”他補(bǔ)充道。

　　NASA堅(jiān)持表示，實(shí)現(xiàn)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：“如遇到突發(fā)情況，機(jī)組成員需要盡快返回，他們可以在沒有任何準(zhǔn)備的情況下進(jìn)入太空艙，關(guān)閉艙門，進(jìn)行一系列動(dòng)作然后迅速返回。”

　　從很多方面來看，星際航線飛船的自主能力與飛機(jī)高度相似。無論是在商用飛機(jī)還是宇宙飛船上，“每個(gè)人都開始意識(shí)到，飛行員正越來越多地變成監(jiān)控者而不是一直活躍的參與者，”弗格森說。

　　當(dāng)星際航線的飛船與空間站對(duì)接時(shí)，機(jī)組人員將會(huì)是在監(jiān)控復(fù)雜的傳感器和圖像處理器。波音公司依靠相機(jī)、紅外成像儀和激光探測(cè)以及距離傳感器，來創(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(zhǔn)確，并將據(jù)此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，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(duì)速度完成對(duì)接。

　　盡管這是個(gè)很復(fù)雜的過程，但實(shí)際上宇航員們看到的跟飛機(jī)駕駛員在著陸系統(tǒng)上看到的顯示是類似的，弗格森說。