【專欄】AI 與太空殖民

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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。