【專欄】AI 與太空殖民

從美國宇航局（NASA）即將進行的月球到火星飛行任務，到伊隆·馬斯克（Elon Musk）雄心勃勃的計劃，即使用SpaceX Starship最終定居火星，填充紅色星球的競賽已經開始。但是，在人類可以訪問火星，並在那裡建立任何長期基地之前，NASA需要派出偵察員來查看這片土地，並為載人飛行做準備。SpaceX是美國一家私人太空探索技術公司，是航太製造商和太空運輸公司。它於2002年創辦，目標是降低太空運輸的成本，並進行火星殖民。SpaceX現開發出獵鷹系列運載火箭及龍系列飛船，用於運送、荷載至地心的軌道航線。

未來幾年，NASA將派往火星的機械先驅將跟隨，諸如好奇號（Curiosity rover）漫遊車和Insight著陸器之類的探險家，但下一代火星機器人將使用先進的AI，新穎的推進方法和靈活的小衛星，迎接殖民新世界的挑戰。

為火星環境而設計

這是一個非常獨特和極端的環境，即使是對於太空機器人來說，製造能夠承受火星環境的機器存在明顯的困難。首先，天氣寒冷，平均氣溫在零下80華氏度左右，它的兩極溫度降至零下190華氏度。然後是稀薄的大氣層，只有地球大氣層密度的百分之一。再來是在行星表面的任何操作中被揚起的令人煩惱的塵埃，更不用說太陽射線的強烈輻射了。這些環境條件給機器人帶來了問題，從溫度變化導致機制膨脹和收縮，並隨著時間的推移磨損，到灰塵進入齒輪，防止潤滑使用時暴露出來。

一家太空技術公司Maxar，專門從事製造通信，對地觀測，雷達和在軌維修衛星，衛星產品及相關服務，該公司為NASA的火星探測器製造機器人手臂。該機械臂不僅能夠在這種惡劣的環境中生存，而且能夠執行挖掘和鑽孔等任務，從而進行科學調查。

另一個考慮因素是重量限制。當一個部件必須通過火箭運送到火星時，每一克都需要考慮和核算，這需要仔細挑選材料。使用不同類型的鋁，還使用鈦，在某些情況下，使用碳纖維，具體取決於應用。其他減輕重量的技巧包括挖空一些不需要結構部分，例如由蜂窩基體複合管，制成的機械臂的長度。

能讓機器人自己探索

當一個探測器被運送到火星表面時，它可以開始探索。然而，由於距離地球，工程師無法直接控制火星車。相反，在美國宇航局行使監督指揮下，機器人在探索中得擁有一定程度的自主性。

這需要火星上的通信網路，在火星上兩個點之間，從火星返回地球。科學家只需要指定一個命令，比如 "找到這種岩石"，探測器就可以定位和分析樣品。它將進行快速勘探，觀察和描述岩石和採取岩石，以尋找冰和其他材料。作為火星2020專案的一部分，發射的機器人，可以期待機器探測和探索，找出有助於或阻礙人類在火星上生存的當地資源和危險。

建立火星定位系統

瞭解人類可以安全降落在火星上的位置，以及他們在哪裡可以找到他們需要的資源，是走向殖民化的第一步。從水到通訊，從建造棲息地，需要找到一種方法，以可持續的方式，提供基本生活必需品。建立早期基礎設施的一種方法是使用小型衛星。

通過建立相當於GPS的火星，小型衛星可以在火星上完成類似的功能，稱之為火星定位系統。他們還可以偵察出地球表面，為人類來準備這個區域。

問題是以負擔得起的方式將衛星從地球轉移到火星。傳統上，飛船通過化學推進在太空中移動，即燃燒燃料以產生推力。這是製造大量推力的好方法，例如火箭離開地球大氣層並進入太空所需的推力。但它需要大量的燃料，以至於現代火箭最大的部分就是燃料箱。

在太空中移動的一個更便宜的替代方案是電力推進，它利用太陽能從飛船背面射出一種惰性物質，如氙（Xenon）。這種方法非常省油，允許在很少的燃油下，長距離行駛。缺點是這種推進方法的推力很低，因此到達目的地需要更長的時間。使用電力推進將飛船從地球送上火星可能需要幾年的時間，而化學推進需要6到9個月的時間。

電力推進已經用於日本航天局的隼鳥（Hayabusa）飛船，最近訪問了遙遠的小行星龍宮（Ryugu）的專案。在未來的專案中，還有更多的電力推進計畫，例如美國宇航局月球閘道站的電力和推進元件（power and propulsion element ，PPE）模組，該模組使用太陽能電力推進，其威力將比現有強上三倍能力。

另外，作為人類，我們聽不到錯誤的聲音，但當你隨著時間的推移將其轉化為資料時，AI 可以發現偏離規範的細微變化。

從地球到火星只是旅程的一部分。一旦飛船到達火星，它需要減速並進入軌道。為了減慢飛行器的速度，通常有兩種方法：使用需要燃料的反向推進器和航空制動（aerobraking）。後者是飛船潛入火星外層大氣的地方，利用空氣動力學阻力來降低飛行器的能量，使其從大氣層中出來後，可以進入軌道。

感應器和人工智慧（Sensors and AI）

NASA可以派遣機器人偵察地面和衛星來建立基礎設施。甚至可以通過電力推進，用最少的燃料在太空中移動巨大的建築，比如棲息地。但是，火星殖民化的挑戰並不僅僅是在人類實際佔據行星棲息地時發生的。一個主要問題是，生境和結構如何長期保持，在此期間它們將無人居住。例如，像美國宇航局的月球門戶（NASA’s Lunar Gateway）站這樣的計畫專案，可能只有20%到30%的時間被佔用，我們可以期待火星潛在棲息地的佔用率類似甚至更低。行星外的棲息地需要能夠監測自己和修復自己，尤其是當最近的人類是數百萬英里之外。為此，AI是必需的。

最近向國際空間站（ISS）發射的一個系統，可以為監測AI生境提供依據。博世 SoundSee 系統（Bosch’s SoundSee system）由包含 20 個麥克風的有效負載、一個攝像頭和一個用於記錄溫度、濕度和壓力的環境感應器組成。這些感應器收集有關環境的資料，特別是可用於標記問題的聲學資訊。AI可以用來感知這些東西，不是通過增加或更好的感應器，而是通過更有效地利用感應器資料來搜索細微的模式。

機器不會立即從好到壞。隨著時間的推移，逐漸磨損。想想一個系統，你可能想要在ISS像跑步機一樣進行監控。使用時，裡面的齒輪會隨著時間而慢慢退化。作為人類，我們聽不到錯誤的聲音，但隨著時間推移，AI 可以發現偏離規範的細微變化。但感應器和AI不會完全取代人類，也不會使一切自動化。AI 是一道防線。人們把AI視為一種工具，它使新事物成為可能，就像顯微鏡使人類能夠觀察微生物一樣。

殖民火星是可能的

在所有這些環境和後勤困難的情況下，將人類送上火星似乎只是一個漫長的過程，更不用說在那裡建立任何永久或半永久性基地了。儘管這些都是嚴重的挑戰，但解決方案確實存在AI、機器人和推進方法，目前正在測試中，供將來的空間專案使用。

專家認為，殖民火星不是一個技術問題，這是一個經濟問題，如果我們有資源可以花費的話，我們知道需要建造什麼，並且知道如何構建它。但是，這樣做需要大量的美元或歐元是令人望而生畏的。

有了充足的資金，人們確實知道開始建立通信系統，實現交通，並在火星上建造棲息地。專家相信它甚至可以在我們的有生之年發生，在無限資源的情況下，我們可以在十年內建立這個基礎設施。 專欄屬作者個人意見，文責歸屬作者，本報提供意見交流平台，不代表本報立場。