當機器人開始替代宇航員

圖片來自於《愛、死亡和機器人》截圖

文｜腦極體

還記得我們在《屢敗屢戰的谷歌機器人計劃》一文中中提到的機器人公司SCHAFT嗎？

頭頂DARPA機器人挑戰賽冠軍光環的SCHAFT，賣身谷歌后卻在一波三折之後在2018年底慘遭解散。

但是，它的創始人兼首席執行官YutoNakanishi，卻並沒有「自抱自泣」，反而活成了現實版的「我有一個夢想」。在公司解散後加入了一個舊金山的創業公司GITAI，準備為自己兒時的憧憬圓夢了，那就是——創建第一個在太空中工作的機器人，並且已經小有成果。

最近，他們就打算與日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)一起，將遠程操作機器人發射到太空上，替代人類去展開探索活動。

（圖為兩位加入GITAI公司的SCHAFT員工）

機器人走進宇宙空間站，早就不是什麼新鮮事了。比如谷歌就推出過可以在空間站中漂浮的機器人SmartSphere，用來幫助地面人員完成空間站安全檢查；被SpaceX送上太空的機器人Cimon，更是上演了一出「性感機器，太空陪聊」的辣眼戲碼。

不過，想要讓這些機器人作為人類的「分身」，去執行一些地面勘測、空間站維修之類的工作，顯然就有點難了。

而今天我們想聊的，正是能夠幫助讓機器人真正替代宇航員執行那些危險任務的硬核操作——遠程控制技術。

遠程操作機器人：太空中的最佳幫手

Netflix高分神劇「愛死機」（《愛、死亡、機器人》）中，有一個頗為悲壯的故事，那就是第十一集《幫手》（Helping Hand）。

女宇航員艾利克斯獨自在太空站外執行工作，但她的保險繩不幸脫落，宇航服也出現了故障。在茫茫宇宙中，她只能展開自救。為此，艾利克斯不得不將自己的左手上臂折斷（此處我一個爆哭），不斷地將殘臂拋出，利用反作用力將自己一點點地在氧氣耗盡之前送回了太空站。

當她再次接通同事的聯絡信號時，面對來自地面的詢問，她卻只回答了一句話——「為偉大的虛無做了點小小的犧牲」。

不得不說，艾利克斯真是個狼人，在絕境時不惜以慘烈的方式為自己找到一個「幫手」。但從觀眾的角度來講，簡直一瞬間湧出了萬千疑問：

都9012年了，我們為什麼還要讓宇航員這樣百里挑一的寶貴物種，去經歷這樣的選擇和犧牲？！為什麼不能讓機器人代替他們去完成這些高危任務？鋼筋鐵骨難道不比人類的肉身更經得起太空環境的考驗嗎？

此時，JAXA和GITAI開發的能替代人類進行太空探索的「阿凡達」機器人，就顯得格外有意義了。

首先，探索外層空間的工作量越來越大，但火箭能夠搭載的宇航員又很有限，並且還存在一定的安全風險，引入一部分機器人作為替代生產力，顯然能夠大幅降低太空任務成本；

讓機器人在近地軌道空間站工作，可以減輕宇航員的工作負擔和風險，縮短他們執行任務的時間，對生理和心理健康都有幫助。

聽起來是不是很棒棒！別急著激動，其實讓機器人做太空幫手這件事，不止我們能想到，半個世紀前的人類早就想到了！

早在上世紀60年代，遠程操作機器人就已經被科學家們付諸實踐了。在地面上操作空間機械手，就能完成一些諸如修復空間站、回收衛星之類的任務。

那麼問題也就來了，既然技術概念和應用都「源遠流長」，為啥到了現在人類中的「最強大腦」還在跟遠程機器人較勁啊？是研究經費太燙手，還是研發人員能力有問題？顯然都不是。

究其原因，恐怕就要從遠程操作這件事的一些沉痾說起了。

人機合一，為什麼比天人合一還難？

遠程操作機器人，從概念上來說並不是什麼艱深的東西。但涉及到太空環境，問題就變得複雜起來。至少在努力了50多年後，想要對太空機器人進行遠程操控，依然有著不少難點。其中最嚴重的問題就是——通訊延遲。

操作人員直接遠程對機器人進行操控，也被稱作木偶式puppet approach，我們常見的遠程手術等等就屬於此類。在地面光纖網路和移動蜂窩網路建設如此完善的情況下，想要實現百公里的遠程緊密操作，都是一件難上加難的事情。更何況是地球與近地空間站6000km的通信距離呢？

由於信號傳輸速率的限制(電磁波速),近地軌道與地面的信號往返傳輸時延為0.4s , 而深空近月軌道時延達3s ,再加上其它因素的影響(如計算機處理時間、通信初始化等), 整個系統的時延約6-15s。

已經有研究表明, 當通信延遲大於1/4秒時, 操作員就能明顯感覺到延遲的存在, 操作性能也會顯著降低。

為此科學家也想了一些辦法，來減少通信延遲帶來的潛在風險。其中就是賦予終端機器人一定的本地智能，不讓這種機器操作因為傳輸效率受到太大影響。由此就出現了監督操作(Supervisory Control)。

監督操作的區別在於，操作員只是發送目標任務或很小一部分相關的必需指令，機器人已經提前將一些程序背好了，收到具體命令就可以利用本地智能自主完成。

這種「走一走, 等一等」 的人機協作模式確實讓機器的表現更穩定了，人類工程師也終於不用再為持續的等待和觀察而虐的筋疲力盡了。

當然，這也並不是萬全之策。由於只能通過景深攝像頭來做出行為判斷，沒有任何力反饋機制供操作員來確認操作的誤差。無法獲得機器人同樣的環境感知，地面操作員在執行動作時就會很容易出現偏差。怎麼辦？

幸好現代技術的迭代與綜合應用，正在給遠程操作機器人帶來新的突破。主要體現在兩個關鍵問題上：

一個是通訊技術的進步。高通道、低延時的5G通信技術，衛星星座網路建設，神經網路壓縮演算法等等的出現，讓實時的長距離、大規模、低延遲的數據通信成為了可能。

以GITAI開發的這款機器人為例，通過智能演算法將解析度為2.7K的360°攝像頭，從原始數據量800 Mbps降到平均2.5Mbps，以此壓縮數據量。然後藉助其專有的P2P通信技術和基於GITAI協議的Linux基本操作系統，從而將遠程操作中的通信延遲降至最低，讓機器人真正能夠在太空中充當人類的替身。

另一個變革則是來自感應端的。VR虛擬現實的成熟，也改變了地面操作員與空間機器人的交互方式。

麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室就研發了一種操作系統，通過將機器人的力臂抓手、攝像頭、感測器連接至VR硬體設備，操作人員佩戴上Oculus Rift頭盔和Touch手柄，接下來只需要移動自己的手臂，就可以控制機器人力臂，在太空環境中執行一些操作任務。

論文數據顯示，CSAIL系統在95%的時間內更好地抓住物體，在完成任務時速度提升了57%。

當然，由於一些設備特性，目前利用遙控來驅動複雜力臂的機器人在體驗上還不是特別穩定。雖然它可以帶來身臨其境的體驗，但還無法實現精巧的操作。而且由於設備的特性，在長距離的通訊環境下，很容易帶來眩暈、噁心、頭痛等不良反應，還有待進一步優化。

無論如何，這些新技術的加入，都能夠幫助機器人踏出替代人類宇航員進行太空作業、宇宙探索等高危任務的重要一步。

如果我們把腦洞再打開一點，如果未來人類真要如科幻故事中那樣前往外太空尋求新家園，面對陌生的星球環境，派機器人探路顯然是最明制的選擇。此時，空間站如果能夠遠程指揮機器人完成設備檢修、環境勘探、樣本採集等重要工作，人類文明的安全係數不就更高一點嗎？

更何況從現實的角度看，這種原程操作機器人在商業上的潛力也不可小覷。據GITAI公司的估計，他們的機器人將「把太空工作的成本降低到」使用真正宇航員成本的10%。

而除了在國際空間站（ISS）擔任「人類替身」之外，一些商業空間站，例如太空旅館、用於科學實驗的空間站等，也對這樣低成本、高效率的遠程操作機器人求之若渴。

這麼一想，遠程機器人簡直就是未來之光了好嗎？先別急著吹彩虹屁。要知道，科學家和商業機構越努力，就會越早與哲學家和倫理學家們正面交鋒。前方，似乎還有不少「軟性」隱患有待解決呢。

人機折衷：無人航空的黎明

從本質上來講，遠程操作機器人其實是一個折衷主義的產物。

由人類在地面進行操作，完全是一種妥協。人類科學家對於太空機器人的初始構想，原本是完全的無人化，也就是由機器人獨立完成維護、檢修、控制、決策等一系列工作。但這種理念卻受到了來自各個方面的制約：

從技術上，距離高智能機器人還有很長一段路要走，短時間內根本無法獨立承擔複雜的太空任務；倫理上，機器人完全取代宇航員的位置，難免會引起技術恐慌，引發一部分宇航員和民眾的抗拒心理。而從安全形度來說，將太空探索完全交給智能機器來進行處理，更有一種宿命無法掌握的「失控感」。

因此，遠程操作機器人作為折衷方案，就非常容易引起舒適了。

首先，它只是取代了一部分辛苦而危險的空間作業，以宇航員和地面操作員為主的人類在太空任務中依然處於主導和決策地位。

與此同時，它又是前沿機器人技術在太空領域更為務實的體現。

以往即使是在科幻電影中，機器人這一形象簡直就和人們對「東方女性」的刻板印象一樣。它們要麼是助理型，提供一些監控、提示之類的輔助技能，在關鍵時刻只能吐槽「人類無法保持理智」；要麼是陪伴型，提供一些對話、娛樂之類的心理按摩，像個盡職盡責的花瓶。

而遠程操作機器人雖然是「提線木偶」，卻被賦予了一定的自我判斷決策智能，使其價值更加真實地發揮了出來，人類也有了一個更為有利的機器幫手，而不是「太空寵物」。

換句話說，無人空間探索是一場任重道遠、卻又過分漫長的旅程。此時，遠程操作機器人的出現就非常重要，它出現在這項未來終極技術的早期階段，以人機協作的方式「丫丫學步」，最終它也將成熟起來，擺脫人類的輔助獨自奔向宇宙深處。此時，遠程操作機器人也會逐漸退出。

當然，距離這一天真正到來很有很遠的路要走。對於人類導師來說，能做的就是不斷增強通訊網路的傳輸能力，提高機器智能的運行效率。在我們教會機器人征服太空之前，或許自身也早已從中收穫了無限美好的回饋。這大概也是一切技術追逐的終極宿命吧。

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