細數(shù)空間站里的機器人

李會超

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的機器人被設計和制造出來，進入人類生產(chǎn)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(fā)揮了它們的作用，代替或協(xié)助人類在太空中進行科學試驗、出艙操作、空間探測等活動。

為了完成國際空間站的維護工作，宇航員們經(jīng)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(huán)境中。為了盡量減小這種風險，美國航天局開發(fā)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，其頭部和手臂連接在軀干上。而軀干既可以與能在微重力環(huán)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(jié)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“嘴部”周圍還部署了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(chǎn)品，采取了特別的防護措施。

2011年2月24日，R2乘坐“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機到達國際空間站。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(yī)生，在地面醫(yī)護人員的操作之下為宇航員們提供專業(yè)的醫(yī)療服務。

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(xié)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）。

加拿大臂的長度為17.6米，能移動物體的最大質(zhì)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(jié)構(gòu)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。

2018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、德國航空航天中心（DLR）和IBM公司等企業(yè)與機構(gòu)合作研發(fā)。由于太空中的失重環(huán)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與宇航員的交流是通過天地聯(lián)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)容的回應。在工作中，CIMON可以根據(jù)指令在屏幕上顯示宇航員工作的待辦日程、各項工作的執(zhí)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(nèi)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(nèi)自主移動飛行，代替宇航員進行一些簡單重復的工作。例如，它能夠通過掃描RFID標簽，盤點跟蹤空間站上數(shù)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(jiān)視不同位置的溫度、氣體成分等環(huán)境參數(shù)，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(shù)據(jù)掌握空間站上的運行情況，監(jiān)控科學試驗的進行。

以往，試驗新的航天技術(shù)往往要發(fā)射一顆專門的試驗衛(wèi)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(shù)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(shù)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(huán)境。一旦試驗中出現(xiàn)未曾預想的問題，宇航員可以立即親自動手幫忙解決。

（摘自《發(fā)明與創(chuàng)新》）