一位技術(shù)人員用他的手，平穩(wěn)地從一顆人造衛(wèi)星上卸下了一塊損壞的太陽能電池，并將新電池安裝在原來的位置上，連接上電線，最后把電池固定住。此時，這位技術(shù)員并沒有漂浮在太空中，而是坐在德國航空航天中心（簡稱DLR，坐落于慕尼黑附近）的控制中心里。他頭上戴著面罩，手上戴著數(shù)字化手套。真正執(zhí)行實際工作的是一個機器人，這個機器人的雙手可以非常精確地模擬技術(shù)員的動作。
技術(shù)員所配戴的面罩，實際上是一個安裝在頭部的顯示器，他的頭部動作由一個特殊的設(shè)備追蹤記錄，并傳遞給機器人。這個機器人的頭部動作會和地面技術(shù)員同步。借助于安裝在眼部的兩臺攝像機，機器人可以不斷拍攝影像，傳回地面，最終在技術(shù)員面前的微型顯示器上顯示出來。這樣，地面技術(shù)員就獲得了和機器人一樣的視覺印象，就好像真的漂浮在太空中一樣。
這里用到的技術(shù)叫做“遠距臨場”（telepresence），也是遠程機器人技術(shù)最直接的一種形式。利用這種技術(shù)，科學(xué)家可以通過遠程操作，讓機器人前往人類難以接近的區(qū)域或偏僻地區(qū)作業(yè)，而操控機器人的科學(xué)家也有身臨其境之感。這種技術(shù)的優(yōu)點是顯而易見的。有了人造手臂及手腕，太空作業(yè)就變得更加經(jīng)濟。即使機器人在大氣層中燒毀，也只有經(jīng)濟上的損失。相比之下，如果由人類來完成太空作業(yè)，則需要把人送到太空，維持他在太空中的生存，最后還要保證，他可以安全返回地面，所有這些開銷將遠遠超過機器人作業(yè)。
不過，如果“遠距臨場”技術(shù)要更加高效，不僅得讓地面的技術(shù)人員看到作業(yè)場地中的零件，還得通過觸覺反饋，感受到這個零件的存在：為了能夠讓技術(shù)人員把零件放到正確的位置上，必須要讓他在地面上就可以感受，并克服來自遙遠某處的機械阻力，讓他感覺零件好像真的在手里一樣。這種反饋機制被認為是機電一體化（mechatronics）領(lǐng)域里有待解決的難題之一。機電一體化是一種全新的機制，可通過機械制造技術(shù)（包括攝像及顯示技術(shù)）、電子技術(shù)、信息技術(shù)及軟件開發(fā)技術(shù)，創(chuàng)造出“智能機械”。
未來，可能會出現(xiàn)很多復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，例如汽車，它可以利用自身攜帶的傳感器及動力設(shè)備，主動避免行車事故；還有無人駕駛的飛行系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)自行起飛、著陸，主動避免和其他飛行器相撞；機器人還會在人類征服太空的過程中、在工廠的生產(chǎn)過程中、在監(jiān)護和陪伴人類的過程中，以及在精確的外科手術(shù)中得到越來越廣泛的使用。目前，德國航空航天中心的機器人技術(shù)及機電一體化中心（RMC）正在對這些技術(shù)進行研究。
太空機器人
從“遠距臨場”的實現(xiàn)機制來看，這種技術(shù)一方面要把機器人傳來的感應(yīng)信號（包括拍攝圖片和觸覺反饋等信息）傳遞給操作人員，另一方面還要通過無線電波，把操作人員發(fā)出的指令傳遞給機器人。由于地面和衛(wèi)星之間距離遙遠，通訊信號的傳輸時間就成了至關(guān)重要的因素。
地球同步衛(wèi)星的軌道高度為35790千米，從地面上的固定觀測點來看，它們就好像懸浮在天空中一樣，這么遠的距離將使通訊信號的來回傳輸時間達到0.3秒。雖然近地衛(wèi)星距離地面較近，但只有當(dāng)通訊信號以直線傳播時，才會比較節(jié)約時間，而近地衛(wèi)星在圍繞地球運行時，絕大部分時間都要以非直線傳播的方式與地面保持通訊。
如果借助地球同步中繼站衛(wèi)星的信號轉(zhuǎn)播，通訊信號的來回傳輸時間將增加至0.6秒。在需要觸覺反饋信號的操作過程中，在這樣慢速的通訊條件下，操作人員只能進行非常緩慢的操作。不過，科學(xué)家可以通過復(fù)雜的算法，來彌補這種由延時帶來的不便。通過快速的互連技術(shù)，可以使通訊信號的傳輸時間減少到0.5秒以內(nèi)，這樣在地面上的每個點，都可以通過“遠距臨場”技術(shù)來遙控機器人。
時至今日，科學(xué)家都還只是以所謂的“短線”方式來使用太空機器人：宇航員坐在空間站內(nèi)部，控制位于空間站外殼上的機器人——機器人用纜繩將航天飛機固定住，卸下所運載的貨物，并完成太陽能電池的維修工作。理論上，機器人也可以用于空間站的內(nèi)部維護，也可以協(xié)助空間站內(nèi)的科學(xué)實驗。我們可以事先為機器人編寫好程序，規(guī)定它們該如何執(zhí)行日常事務(wù)等。盡管在這樣的環(huán)境下，機器人一定沒有人類那么靈巧，但可以大大降低成本。而在空間站外部，宇航員必須要穿上厚重的防護裝置并帶上手套，才可以在外部作業(yè)，他們的靈巧程度想必很快就會被機器人超越。
在地球同步衛(wèi)星所在的軌道上，至今都不曾有宇航員作業(yè)。在這個軌道上，可以說機器人是完全沒有競爭對手的，科學(xué)家也一直在充分使用它們：太空中有數(shù)量龐大的通訊衛(wèi)星，每一顆通訊衛(wèi)星都被分配到一個固定的地點，理論上它們是不會偏離自己所在點的。當(dāng)然，少數(shù)衛(wèi)星偶爾也會發(fā)生一些偏移，此時，這些衛(wèi)星就要通過位置調(diào)節(jié)噴口，向外噴射氣體，從而調(diào)整自身位置。如果衛(wèi)星存儲的燃料快要耗盡，它們就應(yīng)該用剩余的燃料，把自己推向太空里暫時無人使用的空間，為它們的后繼者騰出位置。不過，這種方法并不是每次都能奏效。
對此，機器人系統(tǒng)能以“服務(wù)衛(wèi)星”的形式提供援助。這樣的機器人系統(tǒng)可以利用自身攜帶的俘獲工具，與故障衛(wèi)星遠地端的發(fā)動機噴口對接。然后，機器人系統(tǒng)啟動由太陽能供能的離子發(fā)動機，調(diào)整故障衛(wèi)星的位置，從而延長衛(wèi)星的壽命，或者直接將故障衛(wèi)星送到“衛(wèi)星墓地”。
在近地空間中，大約有數(shù)千噸的太空垃圾懸浮在距地面300～1 000千米高度的近地軌道之間，其中包括大量失控的衛(wèi)星、發(fā)射過程中廢棄的火箭助推器，以及撞擊碎片等。在不久的將來，這些太空垃圾會使碰撞的危險逐漸變高，載人航天會因此變得困難重重，甚至無法實施。通過遠程控制的機器人，可以捕獲這些垃圾，將它們清理出衛(wèi)星專用的通道。多數(shù)情況下，給這些太空垃圾安裝一個小型的制動傘就可以解決問題——這樣，大氣所產(chǎn)生的阻力足以使垃圾碎片失去動能，最終墜毀或燒毀。
在使用遠程控制技術(shù)來遙控位于近地軌道的機器人方面，德國航空航天中心已有多年的經(jīng)驗。在1993年的D2-任務(wù)中（即STS-55，“哥倫比亞號”航天飛機的第14次太空飛行，也是德國宇航員參與的第二次太空飛行，所以在德國被冠名為D2-任務(wù)），就使用了一個名為ROTEX的機械手臂，這個機械手臂上安裝了大量的傳感器，以及兩部微型攝像機。由于當(dāng)時的信號傳輸速度極其緩慢，所以科學(xué)家預(yù)先賦予了這個機械臂一定的自主能力。通過地面計算機的引導(dǎo)，科學(xué)家可讓機械手臂自動捕獲浮動的物體，但整個過程的信號傳輸需耗時6秒。
年，日本發(fā)射了一對名為ETS-VII的實驗衛(wèi)星，計劃在太空中完成對接實驗。在這次對接實驗中，再次使用了ROTEX機械手臂。隨著ROTEX上集成的技術(shù)越來越先進，安裝了ROTEX的衛(wèi)星可以用“泳狀運動”的方式，在太空中實現(xiàn)預(yù)期的運動。日本同行已經(jīng)可以用這條機械手臂，抓住有特殊標識的另一顆衛(wèi)星。當(dāng)然，要完成這個任務(wù)，需要滿足一個不太現(xiàn)實的理想條件：相對于安裝了機械手臂的衛(wèi)星，另一顆衛(wèi)星的運動速率必須足夠小。
在國際空間站（ISS）的外殼上，連接了一條名為ROKVISS（在國際軌道空間站上使用的機器人實驗組件）的機械手臂，這條機械手臂具有兩個活動關(guān)節(jié)。從2005年至2012年，科學(xué)家針對這條機械手臂做了不少實驗，結(jié)果表明，建立在圖像信息和力反饋基礎(chǔ)上的遠距臨場技術(shù)是可以實現(xiàn)的。力反饋機制是通過一個可以產(chǎn)生反作用力的操縱桿來實現(xiàn)的，這種操縱桿類似于在電腦游戲中廣泛使用的游戲手柄。
在一定程度上，當(dāng)年的ETS-VII只是一個實驗項目：衛(wèi)星可以借助自身攜帶的抓臂，將目標物體捕捉過來，而這個目標物體的外形以及運動特性都是事先知道的。相比之下，德國DEOS項目（德國軌道服務(wù)任務(wù)）將測試機械手臂在緊急情況下的反應(yīng)。攜帶機械手臂的衛(wèi)星有一個重要任務(wù)，即通過觀測目標物體的外觀及擺動幅度，實施簡單的修理和維護工作，在緊急狀況下甚至可以讓目標物體墜毀在太平洋或大西洋中部地區(qū)，從而避免對居民區(qū)造成不必要的危害。為了達到這一目的，我們開發(fā)了一個擁有7個關(guān)節(jié)的機械抓臂，同時也開發(fā)了與之相關(guān)的軟件，用以實現(xiàn)不同的抓取策略，這其中還包括了實時的圖像處理功能。
自主火星車
在近地軌道上的修理及清理工作（近地軌道服務(wù)）是非常有用的，對技術(shù)的要求也非常高，不過更令人激動的還是對太陽系的探索。同樣，采用比人力更高效、廉價的機器人，可以使太陽系的探索更容易一些。
與月球?qū)崿F(xiàn)通信，控制信號的來回傳輸時間是2.5秒，而對于火星，控制信號的來回傳輸時間則長達15分鐘。因此，基于圖像和力反饋的“遠距臨場”技術(shù)在火星探索上就不適用了。地面上的操作人員只能預(yù)先設(shè)定一些粗略的目標。讓火星上的機器人獨立完成一系列任務(wù)，比如向目的地行駛、識別物體、采樣、鉆孔等。
上述的這些理想，在時至今日的多項火星計劃中都沒能完全實現(xiàn)。盡管如此，在1997年的“火星探路者”計劃中，一輛名為“索杰納號”（Sojourne）的火星漫步車，在火星表面的獨立行駛路程已經(jīng)接近100米?；谶@次成功，美國航空航天局（NASA）于2003年向火星發(fā)射了兩輛具有相同結(jié)構(gòu)的火星車，分別被命名為“勇氣號”和“機遇號”。它們于2004年抵達火星表面，行駛了比預(yù)期更長的距離。“勇氣號”直到5年后陷在沙地中才停止運行，至此它一共行駛了將近8千米的路程。和“勇氣號”相比，“機遇號”大概行駛了35千米，并依舊保持活躍。兩輛火星車都可以指揮自身攜帶的機械手臂，這個機械手臂具有5個自由度（機器手臂可以做出的獨立運動數(shù)量），可以拿起工具并操作照相機。和“索杰納號”火星漫步車相似，地面的操作人員也預(yù)先給這兩輛火星車設(shè)定了一系列的路標，火星車可以沿著這一系列預(yù)定的路標行駛。
年登陸火星的“好奇號”，同樣也裝備了一條機械手臂，并攜帶了大量用于實驗的設(shè)備。這輛火星車也不是完全自主運行的，它會把拍攝到的照片傳給地面的控制人員，以確保它始終可以在無障礙的路面上行駛。
不過，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目的地，“好奇號”完全可以自行決定從它所在的地點如何繼續(xù)向前行駛。它可以先用自帶的攝像頭拍攝一組立體照片，再利用這組照片，生成可以反映周圍環(huán)境的地圖，然后根據(jù)這個地圖計算出一條沒有障礙的路徑，沿著這條路徑，它至少可以比原先更接近預(yù)設(shè)的目標。
走出一步之后，“好奇號”會按照上面的方式再拍攝新的照片，生成并分析地圖，找到新的路徑，然后繼續(xù)前進。借助自身攜帶的計算機，“好奇號”每分鐘已經(jīng)可以計算4張這樣的圖片。當(dāng)然，美國航空航天局只會在意外情況下才會使用上述方案，因為這里的科學(xué)家至今都不太相信完全自主的導(dǎo)航技術(shù)。
“阿西莫夫號”（Asimov）月球車，代表了更快速和真正自主的星球車。這輛月球車是由我們所在的學(xué)院和“業(yè)余科學(xué)家”組織（PTS）合作完成的，這個“業(yè)余科學(xué)家”組織是一個由德國和奧地利的年輕工程師組成的團隊，他們共同推動了這個私營的月球漫步計劃。
德國航空航天中心多年的準備工作，為“阿西莫夫號”自主導(dǎo)航的成功研制奠定了基礎(chǔ)。一個可轉(zhuǎn)動的立體攝像頭，每秒鐘可以拍攝并處理14張圖片，最后轉(zhuǎn)化為可以描述周圍環(huán)境的3D模型。其中運用的算法叫做“半球匹配”（SGM），目前已經(jīng)成為現(xiàn)代攝影測量學(xué)的一個標準。
這輛月球車的4個輪子都是獨立驅(qū)動，并且,可以自由轉(zhuǎn)向。在完全自主模式下，路徑規(guī)劃和防撞功能啟動后，“阿西莫夫號”的最高時速可以達到每小時10千米。
未來的火星機器人將會在火星表面完全自主地駕駛車輛，收集、分析巖石標本，為隨后到來的機器或人類接班人建造基礎(chǔ)設(shè)施和住宅，用目前還無法利用的未知波段，向地面發(fā)送實時的立體圖片。未來的火星機器人將會擁有怎樣的運動設(shè)備，目前還沒有統(tǒng)一的方向，可能是4個輪子或者6個輪子，也可能是6個或8個類似昆蟲足的裝置，抑或是這二者的一種混合模式。
可以依靠機械足前進的機器人也受到軍方的密切關(guān)注。美國陸軍開發(fā)了一部4條腿的“機器載重驢”，在不久的將來，它應(yīng)該能以30千米的時速穿越人類難以通過的地形，同時還可以為士兵承擔(dān)200千克的負載（參見《環(huán)球科學(xué)》2010年第8期《遙控戰(zhàn)爭：機器人，上！》）。目前，德國只有一輛4腿機械車，這就是在德國最古老的大眾劇場Further Drachenstich中出現(xiàn)的那條噴火巨龍，它同樣也得到德國航空航天中心的資助。作為全球最大的爬行機器人，這條噴火巨龍已經(jīng)入選了吉尼斯世界紀錄。
