在火星上找房很快就會成為一件正經(jīng)事，亞利桑那大學(xué)的研究人員已經(jīng)在尋找未來宇航員可以作為棲息地的房地產(chǎn)。UArizona工程學(xué)院的研究人員開發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，可以讓一群機(jī)器人探索其他世界的地下環(huán)境。

 

　　“熔巖管和洞穴將為宇航員提供完美的棲息地，因?yàn)槟悴槐亟ㄔ旖Y(jié)構(gòu)；你被屏蔽了有害的宇宙輻射，所以你所需要做的就是讓它變得美麗舒適，”UArizona電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授沃爾夫?qū)?middot;芬克說。

 

　　芬克是《空間研究進(jìn)展》（Advances in Space Research）一篇新論文的主要作者，該論文詳細(xì)介紹了一種通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將通過所謂的網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將漫游者、湖泊登陸者甚至潛水器連接起來，使機(jī)器能夠作為一個團(tuán)隊(duì)獨(dú)立于人類輸入而協(xié)同工作。根據(jù)芬克及其合著者的說法，該方法有助于克服當(dāng)前技術(shù)在彗星、小行星、衛(wèi)星和行星體上安全穿越環(huán)境的有限能力，從而有助于解決NASA的航天技術(shù)大挑戰(zhàn)之一。為了向童話故事“Hansel and Gretel”致敬，研究人員將他們正在申請專利的概念命名為“面包屑式動態(tài)部署通信網(wǎng)絡(luò)”范式，即DDCN。

 

　　童話故事激勵未來

 

　　“如果你還記得這本書，你就會知道漢塞爾和格雷特是如何扔面包屑以確保他們找到回家的路的，”芬克說，他是加州理工學(xué)院和UArizona視覺與自主探索系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人兼主任。“在我們的場景中，‘面包屑’是搭載在漫游車上的微型傳感器，當(dāng)它們穿過洞穴或其他地下環(huán)境時，這些傳感器就會展開。”

 

　　持續(xù)監(jiān)測環(huán)境并保持對其在太空中的位置的感知，漫游車自行行進(jìn)，通過無線數(shù)據(jù)連接相互連接，沿途部署通信節(jié)點(diǎn)。一旦漫游車檢測到信號正在衰減但仍在范圍內(nèi)，它就會丟棄一個通信節(jié)點(diǎn)，而不管它放置最后一個節(jié)點(diǎn)后實(shí)際經(jīng)過了多少距離。

 

　　芬克說：“其中一個新的方面就是我們所說的機(jī)會性部署，即在必須時部署“面包屑”，而不是按照之前計(jì)劃的時間表部署。”

 

　　一直以來，不需要來自母車的輸入；芬克補(bǔ)充道，每個下屬的漫游者都將自己做出決定。芬克解釋說，該系統(tǒng)可以以兩種方式之一工作。其中，母漫游車充當(dāng)被動接受者，收集進(jìn)行探測的漫游車發(fā)送的數(shù)據(jù)。在另一個場景中，母親漫游者充當(dāng)管弦樂隊(duì)，像木偶大師一樣控制漫游者的動作。

 

　　機(jī)器接管

 

　　新概念與Fink及其同事在2000年代初設(shè)計(jì)的分層可擴(kuò)展偵察模式相吻合。這一想法設(shè)想了一組機(jī)器人在不同的指揮級別上運(yùn)行——例如，一個軌道飛行器控制著一艘飛艇，而飛艇又控制著地面上的一個或多個著陸器或漫游器。太空任務(wù)已經(jīng)接受了這一概念，有幾次是由UArizona研究人員參與的。例如，在火星上，毅力號火星車指揮著機(jī)器人直升機(jī)“Ingenuity”。

 

　　另一項(xiàng)任務(wù)的構(gòu)想最終沒有被選定為資金來源，它提議派遣一個攜帶氣球的軌道飛行器和一個湖泊著陸器，研究土星衛(wèi)星泰坦上的一個碳?xì)浠衔锖Ｑ?。面包屑方法通過提供一個強(qiáng)大的平臺，使機(jī)器人探險者能夠在地下甚至浸沒在液體環(huán)境中進(jìn)行操作，從而使這一想法更進(jìn)一步。芬克說，在地球上發(fā)生自然災(zāi)害后，這種成群的自主機(jī)器人也可以幫助搜救工作。

 

　　芬克說，除了首先讓漫游者進(jìn)入地下環(huán)境之外，最大的挑戰(zhàn)是取回他們在地下記錄的數(shù)據(jù)并將其帶回地表。DDCN概念允許一組漫游者在復(fù)雜的地下環(huán)境中航行，而不會與地面上的“母漫游者”失去聯(lián)系。配備了光探測和測距系統(tǒng)，或激光雷達(dá)，它們甚至可以繪制出所有三維的洞穴通道，這與電影《普羅米修斯》中可以看到的探索外星飛船的無人機(jī)不同。

 

　　芬克表示：“一旦部署，我們的傳感器就會自動建立一個非定向網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這意味著每個節(jié)點(diǎn)都會更新其周圍的每個節(jié)點(diǎn)。”芬克在2019年向美國宇航局提交的一份提案中首次詳細(xì)介紹了DDCN概念。

 

　　芬克實(shí)驗(yàn)室的論文合著者、高級研究科學(xué)家馬克·塔貝爾補(bǔ)充道：“它們可以在彼此之間切換，并補(bǔ)償盲點(diǎn)和信號中斷。如果其中一些節(jié)點(diǎn)死亡，剩余節(jié)點(diǎn)仍有連接，因此母漫游車永遠(yuǎn)不會失去與網(wǎng)絡(luò)中最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的連接。”

 

　　不返回的使命

 

　　強(qiáng)大的通信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)確保機(jī)器人探險者收集的所有數(shù)據(jù)都能傳回地面上的母漫游車。芬克說，因此，一旦機(jī)器人完成任務(wù)，就沒有必要取回它們。他早在2014年就發(fā)表了使用一次性移動機(jī)器人表面探測器的想法。

 

　　“它們被設(shè)計(jì)成可消耗的，”他說。“與其浪費(fèi)資源讓他們進(jìn)入洞穴并撤退，不如讓他們盡可能地離開，一旦他們完成任務(wù)、耗盡權(quán)力或屈服于敵對環(huán)境，就把他們拋在身后。”

 

　　“這篇新論文中引入的通信網(wǎng)絡(luò)方法有可能預(yù)示著行星和天體生物學(xué)發(fā)現(xiàn)的新時代，”德國天體生物學(xué)學(xué)會主席、許多關(guān)于外星生命的出版物的作者德克·舒爾茲·馬庫奇（Dirk Schulze Makuch）說。“它最終使我們能夠探索火星熔巖管洞穴和冰衛(wèi)星的地下海洋——那里可能存在外星生命。”

 

　　UArizona Regents水文和大氣科學(xué)、地球科學(xué)和行星科學(xué)教授維克托·貝克（Victor Baker）表示，提出的概念“具有魔力”。貝克說：“當(dāng)技術(shù)的進(jìn)步提供了第一次接觸一件事物或一個地方的機(jī)會，以及將由此發(fā)現(xiàn)的東西與尋求理解的創(chuàng)造性思維交流的方式時，科學(xué)中最令人驚奇的發(fā)現(xiàn)就出現(xiàn)了。”

 

　　探索隱藏的海洋世界

 

　　在需要潛水機(jī)器人的地方，該系統(tǒng)可以由一個著陸器組成——要么漂浮在湖上，就像土衛(wèi)六上的情況一樣，要么坐在像木衛(wèi)二一樣的地下海洋頂部的冰上——例如通過一根長電纜連接到潛艇上。在這里，通信節(jié)點(diǎn)將充當(dāng)中繼器，以規(guī)則的間隔增強(qiáng)信號以防止其降級。芬克指出，重要的是，節(jié)點(diǎn)本身具有收集數(shù)據(jù)的能力，例如測量壓力、鹽度、溫度和其他化學(xué)和物理參數(shù)，并將數(shù)據(jù)輸入連接回著陸器的電纜。

 

　　他說：“想象一下，你一路走到木衛(wèi)二，你融化了幾英里的冰，來到了地下海洋，在那里你發(fā)現(xiàn)自己被外星生物包圍，但你無法將數(shù)據(jù)帶回地表。這是我們需要避免的情況。”

 

　　在開發(fā)了漫游者和通信技術(shù)之后，芬克的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在致力于建立漫游者部署通信節(jié)點(diǎn)的實(shí)際機(jī)制。

 

　　芬克說：“基本上，我們將教我們的‘漢斯’和‘格雷特’如何丟棄面包屑，這樣他們就可以組成一個運(yùn)行良好的網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)。”