未來的太空任務可能會派出機器人為宇航員尋找地下棲息地。工程師們現在開發(fā)了一種系統(tǒng)，可以讓自動駕駛汽車自行探索其他世界的洞穴、熔巖管甚至海洋。

　　在火星上找房很快就會成為一件正經事，亞利桑那大學的研究人員已經在尋找未來宇航員可以作為棲息地的房地產。UArizona工程學院的研究人員開發(fā)了一項技術，可以讓一群機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，因為你不必建造結構；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電氣和計算機工程副教授沃爾夫岡·芬克說。

 

　　芬克是《空間研究進展》（AdvancesinSpaceResearch）一篇新論文的主要作者，該論文詳細介紹了一種通信網絡，該網絡將通過所謂的網狀拓撲網絡將漫游者、湖泊登陸者甚至潛水器連接起來，使機器能夠作為一個團隊獨立于人類輸入而協(xié)同工作。根據芬克及其合著者的說法，該方法有助于克服當前技術在彗星、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的航天技術大挑戰(zhàn)之一。為了向童話故事“HanselandGretel”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)部署通信網絡”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，他是加州理工學院和UArizona視覺與自主探索系統(tǒng)研究實驗室的創(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，通過無線數據連接相互連接，沿途部署通信節(jié)點。一旦漫游車檢測到信號正在衰減但仍在范圍內，它就會丟棄一個通信節(jié)點，而不管它放置最后一個節(jié)點后實際經過了多少距離。

 

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

 

　　一直以來，不需要來自母車的輸入；芬克補充道，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，母漫游車充當被動接受者，收集進行探測的漫游車發(fā)送的數據。在另一個場景中，母親漫游者充當管弦樂隊，像木偶大師一樣控制漫游者的動作。

 

　　機器接管

 

　　新概念與Fink及其同事在2000年代初設計的分層可擴展偵察模式相吻合。這一想法設想了一組機器人在不同的指揮級別上運行——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。太空任務已經接受了這一概念，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器人直升機“Ingenuity”。

 

　　另一項任務的構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)星泰坦上的一個碳氫化合物海洋。面包屑方法通過提供一個強大的平臺，使機器人探險者能夠在地下甚至浸沒在液體環(huán)境中進行操作，從而使這一想法更進一步。芬克說，在地球上發(fā)生自然災害后，這種成群的自主機器人也可以幫助搜救工作。

 

　　芬克說，除了首先讓漫游者進入地下環(huán)境之外，最大的挑戰(zhàn)是取回他們在地下記錄的數據并將其帶回地表。DDCN概念允許一組漫游者在復雜的地下環(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，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狀網絡，這意味著每個節(jié)點都會更新其周圍的每個節(jié)點。”芬克在2019年向美國宇航局提交的一份提案中首次詳細介紹了DDCN概念。

 

　　芬克實驗室的論文合著者、高級研究科學家馬克·塔貝爾補充道：“它們可以在彼此之間切換，并補償盲點和信號中斷。如果其中一些節(jié)點死亡，剩余節(jié)點仍有連接，因此母漫游車永遠不會失去與網絡中最遠節(jié)點的連接。”

 

　　不返回的使命

 

　　強大的通信節(jié)點網絡確保機器人探險者收集的所有數據都能傳回地面上的母漫游車。芬克說，因此，一旦機器人完成任務，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器人表面探測器的想法。

 

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

 

　　“這篇新論文中引入的通信網絡方法有可能預示著行星和天體生物學發(fā)現的新時代，”德國天體生物學學會主席、許多關于外星生命的出版物的作者德克·舒爾茲·馬庫奇（DirkSchulzeMakuch）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。”

 

　　UArizonaRegents水文和大氣科學、地球科學和行星科學教授維克托·貝克（VictorBaker）表示，提出的概念“具有魔力”。貝克說：“當技術的進步提供了第一次接觸一件事物或一個地方的機會，以及將由此發(fā)現的東西與尋求理解的創(chuàng)造性思維交流的方式時，科學中最令人驚奇的發(fā)現就出現了。”

 

　　探索隱藏的海洋世界

 

　　在需要潛水機器人的地方，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)點將充當中繼器，以規(guī)則的間隔增強信號以防止其降級。芬克指出，重要的是，節(jié)點本身具有收集數據的能力，例如測量壓力、鹽度、溫度和其他化學和物理參數，并將數據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)現自己被外星生物包圍，但你無法將數據帶回地表。這是我們需要避免的情況。”

 

　　在開發(fā)了漫游者和通信技術之后，芬克的團隊現在正在致力于建立漫游者部署通信節(jié)點的實際機制。

 

　　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行良好的網狀通信網絡。”