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(yáng)能電池，并將新電池安裝在原來(lái)的位置上，連接上電線，最后把電池固定住。此時(shí)，這位技術(shù)員并沒(méi)有漂浮在太空中，而是坐在德國(guó)航空航天中心（簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)際工作的是一個(gè)機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人的雙手可以非常精確地模擬技術(shù)員的動(dòng)作。

 

　　技術(shù)員所配戴的面罩，實(shí)際上是一個(gè)安裝在頭部的顯示器，他的頭部動(dòng)作由一個(gè)特殊的設(shè)備追蹤記錄，并傳遞給機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人的頭部動(dòng)作會(huì)和地面技術(shù)員同步。借助于安裝在眼部的兩臺(tái)攝像機(jī)，機(jī)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(lái)。這樣，地面技術(shù)員就獲得了和機(jī)器人一樣的視覺(jué)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(yuǎn)距臨場(chǎng)”（telepresence），也是遠(yuǎn)程機(jī)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(guò)遠(yuǎn)程操作，讓機(jī)器人前往人類(lèi)難以接近的區(qū)域或偏僻地區(qū)作業(yè)，而操控機(jī)器人的科學(xué)家也有身臨其境之感。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。有了人造手臂及手腕，太空作業(yè)就變得更加經(jīng)濟(jì)。即使機(jī)器人在大氣層中燒毀，也只有經(jīng)濟(jì)上的損失。相比之下，如果由人類(lèi)來(lái)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(kāi)銷(xiāo)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)器人作業(yè)。

　　不過(guò)，如果“遠(yuǎn)距臨場(chǎng)”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(chǎng)地中的零件，還得通過(guò)觸覺(jué)反饋，感受到這個(gè)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(lái)自遙遠(yuǎn)某處的機(jī)械阻力，讓他感覺(jué)零件好像真的在手里一樣。這種反饋機(jī)制被認(rèn)為是機(jī)電一體化（mechatronics）領(lǐng)域里有待解決的難題之一。機(jī)電一體化是一種全新的機(jī)制，可通過(guò)機(jī)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(kāi)發(fā)技術(shù)，創(chuàng)造出“智能機(jī)械”。

 

　　未來(lái)，可能會(huì)出現(xiàn)很多復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，例如汽車(chē)，它可以利用自身攜帶的傳感器及動(dòng)力設(shè)備，主動(dòng)避免行車(chē)事故；還有無(wú)人駕駛的飛行系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)自行起飛、著陸，主動(dòng)避免和其他飛行器相撞；機(jī)器人還會(huì)在人類(lèi)征服太空的過(guò)程中、在工廠的生產(chǎn)過(guò)程中、在監(jiān)護(hù)和陪伴人類(lèi)的過(guò)程中，以及在精確的外科手術(shù)中得到越來(lái)越廣泛的使用。目前，德國(guó)航空航天中心的機(jī)器人技術(shù)及機(jī)電一體化中心（RMC）正在對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行研究。

 

　　太空機(jī)器人

 

　　從“遠(yuǎn)距臨場(chǎng)”的實(shí)現(xiàn)機(jī)制來(lái)看，這種技術(shù)一方面要把機(jī)器人傳來(lái)的感應(yīng)信號(hào)（包括拍攝圖片和觸覺(jué)反饋等信息）傳遞給操作人員，另一方面還要通過(guò)無(wú)線電波，把操作人員發(fā)出的指令傳遞給機(jī)器人。由于地面和衛(wèi)星之間距離遙遠(yuǎn)，通訊信號(hào)的傳輸時(shí)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(cè)點(diǎn)來(lái)看，它們就好像懸浮在天空中一樣，這么遠(yuǎn)的距離將使通訊信號(hào)的來(lái)回傳輸時(shí)間達(dá)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(hào)以直線傳播時(shí)，才會(huì)比較節(jié)約時(shí)間，而近地衛(wèi)星在圍繞地球運(yùn)行時(shí)，絕大部分時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)播，通訊信號(hào)的來(lái)回傳輸時(shí)間將增加至0.6秒。在需要觸覺(jué)反饋信號(hào)的操作過(guò)程中，在這樣慢速的通訊條件下，操作人員只能進(jìn)行非常緩慢的操作。不過(guò)，科學(xué)家可以通過(guò)復(fù)雜的算法，來(lái)彌補(bǔ)這種由延時(shí)帶來(lái)的不便。通過(guò)快速的互連技術(shù)，可以使通訊信號(hào)的傳輸時(shí)間減少到0.5秒以?xún)?nèi)，這樣在地面上的每個(gè)點(diǎn)，都可以通過(guò)“遠(yuǎn)距臨場(chǎng)”技術(shù)來(lái)遙控機(jī)器人。

 

　　時(shí)至今日，科學(xué)家都還只是以所謂的“短線”方式來(lái)使用太空機(jī)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(jī)器人——機(jī)器人用纜繩將航天飛機(jī)固定住，卸下所運(yùn)載的貨物，并完成太陽(yáng)能電池的維修工作。理論上，機(jī)器人也可以用于空間站的內(nèi)部維護(hù)，也可以協(xié)助空間站內(nèi)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。我們可以事先為機(jī)器人編寫(xiě)好程序，規(guī)定它們?cè)撊绾螆?zhí)行日常事務(wù)等。盡管在這樣的環(huán)境下，機(jī)器人一定沒(méi)有人類(lèi)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(hù)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(huì)被機(jī)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(gè)軌道上，可以說(shuō)機(jī)器人是完全沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(gè)固定的地點(diǎn)，理論上它們是不會(huì)偏離自己所在點(diǎn)的。當(dāng)然，少數(shù)衛(wèi)星偶爾也會(huì)發(fā)生一些偏移，此時(shí)，這些衛(wèi)星就要通過(guò)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(chǔ)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(shí)無(wú)人使用的空間，為它們的后繼者騰出位置。不過(guò)，這種方法并不是每次都能奏效。

 

　　對(duì)此，機(jī)器人系統(tǒng)能以“服務(wù)衛(wèi)星”的形式提供援助。這樣的機(jī)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(yuǎn)地端的發(fā)動(dòng)機(jī)噴口對(duì)接。然后，機(jī)器人系統(tǒng)啟動(dòng)由太陽(yáng)能供能的離子發(fā)動(dòng)機(jī)，調(diào)整故障衛(wèi)星的位置，從而延長(zhǎng)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(guò)程中廢棄的火箭助推器，以及撞擊碎片等。在不久的將來(lái)，這些太空垃圾會(huì)使碰撞的危險(xiǎn)逐漸變高，載人航天會(huì)因此變得困難重重，甚至無(wú)法實(shí)施。通過(guò)遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人，可以捕獲這些垃圾，將它們清理出衛(wèi)星專(zhuān)用的通道。多數(shù)情況下，給這些太空垃圾安裝一個(gè)小型的制動(dòng)傘就可以解決問(wèn)題——這樣，大氣所產(chǎn)生的阻力足以使垃圾碎片失去動(dòng)能，最終墜毀或燒毀。

 

　　在使用遠(yuǎn)程控制技術(shù)來(lái)遙控位于近地軌道的機(jī)器人方面，德國(guó)航空航天中心已有多年的經(jīng)驗(yàn)。在1993年的D2-任務(wù)中（即STS-55，“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)的第14次太空飛行，也是德國(guó)宇航員參與的第二次太空飛行，所以在德國(guó)被冠名為D2-任務(wù)），就使用了一個(gè)名為ROTEX的機(jī)械手臂，這個(gè)機(jī)械手臂上安裝了大量的傳感器，以及兩部微型攝像機(jī)。由于當(dāng)時(shí)的信號(hào)傳輸速度極其緩慢，所以科學(xué)家預(yù)先賦予了這個(gè)機(jī)械臂一定的自主能力。通過(guò)地面計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)，科學(xué)家可讓機(jī)械手臂自動(dòng)捕獲浮動(dòng)的物體，但整個(gè)過(guò)程的信號(hào)傳輸需耗時(shí)6秒。

 

　　年，日本發(fā)射了一對(duì)名為ETS-VII的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，計(jì)劃在太空中完成對(duì)接實(shí)驗(yàn)。在這次對(duì)接實(shí)驗(yàn)中，再次使用了ROTEX機(jī)械手臂。隨著ROTEX上集成的技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，安裝了ROTEX的衛(wèi)星可以用“泳狀運(yùn)動(dòng)”的方式，在太空中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。日本同行已經(jīng)可以用這條機(jī)械手臂，抓住有特殊標(biāo)識(shí)的另一顆衛(wèi)星。當(dāng)然，要完成這個(gè)任務(wù)，需要滿(mǎn)足一個(gè)不太現(xiàn)實(shí)的理想條件：相對(duì)于安裝了機(jī)械手臂的衛(wèi)星，另一顆衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速率必須足夠小。

 

　　在國(guó)際空間站（ISS）的外殼上，連接了一條名為ROKVISS（在國(guó)際軌道空間站上使用的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)組件）的機(jī)械手臂，這條機(jī)械手臂具有兩個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)。從2005年至2012年，科學(xué)家針對(duì)這條機(jī)械手臂做了不少實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，建立在圖像信息和力反饋基礎(chǔ)上的遠(yuǎn)距臨場(chǎng)技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)的。力反饋機(jī)制是通過(guò)一個(gè)可以產(chǎn)生反作用力的操縱桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種操縱桿類(lèi)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(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：衛(wèi)星可以借助自身攜帶的抓臂，將目標(biāo)物體捕捉過(guò)來(lái)，而這個(gè)目標(biāo)物體的外形以及運(yùn)動(dòng)特性都是事先知道的。相比之下，德國(guó)DEOS項(xiàng)目（德國(guó)軌道服務(wù)任務(wù)）將測(cè)試機(jī)械手臂在緊急情況下的反應(yīng)。攜帶機(jī)械手臂的衛(wèi)星有一個(gè)重要任務(wù)，即通過(guò)觀測(cè)目標(biāo)物體的外觀及擺動(dòng)幅度，實(shí)施簡(jiǎn)單的修理和維護(hù)工作，在緊急狀況下甚至可以讓目標(biāo)物體墜毀在太平洋或大西洋中部地區(qū)，從而避免對(duì)居民區(qū)造成不必要的危害。為了達(dá)到這一目的，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)擁有7個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械抓臂，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了與之相關(guān)的軟件，用以實(shí)現(xiàn)不同的抓取策略，這其中還包括了實(shí)時(shí)的圖像處理功能。

 

　　自主火星車(chē)

 

　　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(duì)技術(shù)的要求也非常高，不過(guò)更令人激動(dòng)的還是對(duì)太陽(yáng)系的探索。同樣，采用比人力更高效、廉價(jià)的機(jī)器人，可以使太陽(yáng)系的探索更容易一些。

 

　　與月球?qū)崿F(xiàn)通信，控制信號(hào)的來(lái)回傳輸時(shí)間是2.5秒，而對(duì)于火星，控制信號(hào)的來(lái)回傳輸時(shí)間則長(zhǎng)達(dá)15分鐘。因此，基于圖像和力反饋的“遠(yuǎn)距臨場(chǎng)”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(biāo)。讓火星上的機(jī)器人獨(dú)立完成一系列任務(wù)，比如向目的地行駛、識(shí)別物體、采樣、鉆孔等。

 

　　上述的這些理想，在時(shí)至今日的多項(xiàng)火星計(jì)劃中都沒(méi)能完全實(shí)現(xiàn)。盡管如此，在1997年的“火星探路者”計(jì)劃中，一輛名為“索杰納號(hào)”（Sojourne）的火星漫步車(chē)，在火星表面的獨(dú)立行駛路程已經(jīng)接近100米。基于這次成功，美國(guó)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(chē)，分別被命名為“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”。它們于2004年抵達(dá)火星表面，行駛了比預(yù)期更長(zhǎng)的距離。“勇氣號(hào)”直到5年后陷在沙地中才停止運(yùn)行，至此它一共行駛了將近8千米的路程。和“勇氣號(hào)”相比，“機(jī)遇號(hào)”大概行駛了35千米，并依舊保持活躍。兩輛火星車(chē)都可以指揮自身攜帶的機(jī)械手臂，這個(gè)機(jī)械手臂具有5個(gè)自由度（機(jī)器手臂可以做出的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)量），可以拿起工具并操作照相機(jī)。和“索杰納號(hào)”火星漫步車(chē)相似，地面的操作人員也預(yù)先給這兩輛火星車(chē)設(shè)定了一系列的路標(biāo)，火星車(chē)可以沿著這一系列預(yù)定的路標(biāo)行駛。

 

　　年登陸火星的“好奇號(hào)”，同樣也裝備了一條機(jī)械手臂，并攜帶了大量用于實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。這輛火星車(chē)也不是完全自主運(yùn)行的，它會(huì)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(wú)障礙的路面上行駛。

 

　　不過(guò)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目的地，“好奇號(hào)”完全可以自行決定從它所在的地點(diǎn)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?chē)h(huán)境的地圖，然后根據(jù)這個(gè)地圖計(jì)算出一條沒(méi)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(biāo)。

 

　　走出一步之后，“好奇號(hào)”會(huì)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(jìn)。借助自身攜帶的計(jì)算機(jī)，“好奇號(hào)”每分鐘已經(jīng)可以計(jì)算4張這樣的圖片。當(dāng)然，美國(guó)航空航天局只會(huì)在意外情況下才會(huì)使用上述方案，因?yàn)檫@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(hào)”（Asimov）月球車(chē)，代表了更快速和真正自主的星球車(chē)。這輛月球車(chē)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(gè)“業(yè)余科學(xué)家”組織是一個(gè)由德國(guó)和奧地利的年輕工程師組成的團(tuán)隊(duì)，他們共同推動(dòng)了這個(gè)私營(yíng)的月球漫步計(jì)劃。

 

　　德國(guó)航空航天中心多年的準(zhǔn)備工作，為“阿西莫夫號(hào)”自主導(dǎo)航的成功研制奠定了基礎(chǔ)。一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)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?chē)h(huán)境的3D模型。其中運(yùn)用的算法叫做“半球匹配”（SGM），目前已經(jīng)成為現(xiàn)代攝影測(cè)量學(xué)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

 

　　這輛月球車(chē)的4個(gè)輪子都是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，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(dòng)后，“阿西莫夫號(hào)”的最高時(shí)速可以達(dá)到每小時(shí)10千米。

 

　　未來(lái)的火星機(jī)器人將會(huì)在火星表面完全自主地駕駛車(chē)輛，收集、分析巖石標(biāo)本，為隨后到來(lái)的機(jī)器或人類(lèi)接班人建造基礎(chǔ)設(shè)施和住宅，用目前還無(wú)法利用的未知波段，向地面發(fā)送實(shí)時(shí)的立體圖片。未來(lái)的火星機(jī)器人將會(huì)擁有怎樣的運(yùn)動(dòng)設(shè)備，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的方向，可能是4個(gè)輪子或者6個(gè)輪子，也可能是6個(gè)或8個(gè)類(lèi)似昆蟲(chóng)足的裝置，抑或是這二者的一種混合模式。

 

　　可以依靠機(jī)械足前進(jìn)的機(jī)器人也受到軍方的密切關(guān)注。美國(guó)陸軍開(kāi)發(fā)了一部4條腿的“機(jī)器載重驢”，在不久的將來(lái)，它應(yīng)該能以30千米的時(shí)速穿越人類(lèi)難以通過(guò)的地形，同時(shí)還可以為士兵承擔(dān)200千克的負(fù)載（參見(jiàn)《環(huán)球科學(xué)》2010年第8期《遙控戰(zhàn)爭(zhēng)：機(jī)器人，上！》）。目前，德國(guó)只有一輛4腿機(jī)械車(chē)，這就是在德國(guó)最古老的大眾劇場(chǎng)Further Drachenstich中出現(xiàn)的那條噴火巨龍，它同樣也得到德國(guó)航空航天中心的資助。作為全球最大的爬行機(jī)器人，這條噴火巨龍已經(jīng)入選了吉尼斯世界紀(jì)錄。