2020年能登陸火星：人工智能如何改變了太空探索

　　火星2020是一個雄心勃勃的計劃。美國宇航局計劃用1.25個火星年，即28個地球月收集20份火星巖芯和土壤樣本——如果沒有人工智能，這項任務(wù)就不可能完成，因為探測器會浪費太多時間等待指令。

　　目前，美國宇航局噴氣推進實驗室的火星科學(xué)實驗室團隊規(guī)劃“好奇號”火星探測器日常活動，然后再通過NASA的“深空網(wǎng)絡(luò)”發(fā)送指令大約要花費八個小時。項目負(fù)責(zé)人會告訴漫游車什么時候該起床，需要多長時間來預(yù)熱它的儀器，以及如何避開那些會損壞它已經(jīng)破舊的車輪的巖石。

　　火星2020將需要它有更多的自主權(quán)?；鹦强茖W(xué)實驗室的任務(wù)主管——“火星科學(xué)實驗室”的負(fù)責(zé)人說：“任務(wù)按照地面循環(huán)來進行推進。”“它自己能做的越多，它就能做得越好。”

　　超越從不犯錯的HAL

　　耗資24億美元的火星2020任務(wù)只是NASA越來越需要人工智能的一個例子，盡管這個詞本身讓一些人感到不安。許多NASA的科學(xué)家和工程師更喜歡稱之為機器學(xué)習(xí)，而不是人工智能。在太空領(lǐng)域，這個寬泛的術(shù)語有時會讓人想起ArthurC.Clarke在《2001太空漫游》中虛構(gòu)的計算機HAL9000，號稱有完美記錄從不犯錯。

　　需要說明的是，NASA并不是在試圖創(chuàng)造HAL。工程師們正在開發(fā)軟件和算法來滿足任務(wù)的具體要求。

　　美國宇航局艾姆斯研究中心自動系統(tǒng)領(lǐng)域的高級科學(xué)家、智能機器人小組的負(fù)責(zé)人KellyFong說：“我們今天所做工作關(guān)注的重點不是智能問題，而是試圖讓系統(tǒng)變得更獨立、更自動、更自主。”

　　對于載人航天來說，就是給宇航員提供軟件，幫助他們應(yīng)對從設(shè)備故障到緊急醫(yī)療這類的突發(fā)事件。例如，一種結(jié)合帶有推理和學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)挖掘的醫(yī)療輔助工具，幫助宇航員在火星上執(zhí)行多個月任務(wù)，處理從日常護理到疾病或受傷的各種事情——“不再需要跟很多飛行控制人員商議，”Fong說。

　　通過機器人探測火星任務(wù)，美國宇航局正在展示其擁有越來越強能力的探測器。美國宇航局的火星探測器“勇氣號”和“機遇號”在2004年登陸火星的時候，盡管通過軟件升級獲得了一定的自主能力，但能做的仍然非常有限。相比之下，“好奇號”的能力顯然強得多。

　　去年，“好奇號”開始使用一種名為“科學(xué)知識收集自主探索”的軟件，將計算機視覺與機器學(xué)習(xí)結(jié)合起來，根據(jù)科學(xué)家確定的標(biāo)準(zhǔn)，選擇巖石和土壤樣本進行研究?；鹦擒嚳梢杂盟幕瘜W(xué)攝像機的激光對目標(biāo)進行射擊，分析燃燒的氣體，將圖像和數(shù)據(jù)打包，然后發(fā)送回地球。

　　“負(fù)責(zé)這項任務(wù)的科學(xué)家們對此感到興奮，因為過去他們不得不看著影像、挑選目標(biāo)、發(fā)送命令然后等待數(shù)據(jù)傳回，”JPL機器學(xué)習(xí)和儀器自主小組的研究員基里·瓦格斯塔夫說。

　　盡管數(shù)據(jù)只需要10到30分鐘就能從火星傳回地球，但任務(wù)控制人員只能利用他們在深空網(wǎng)絡(luò)上分配的時間內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　“即使探測器可以全天候與我們通話，我們也不能全天都在接聽，不是嗎?”瓦格斯塔夫說。“我們只在每天兩次，一次10分鐘的時間里聽它的通話，因為深空網(wǎng)絡(luò)正忙著接收卡西尼號、航行者號、先鋒號、新地平線號和其他所有的任務(wù)的聯(lián)絡(luò)信號。”

　　火星2020計劃的探測器設(shè)計時的目標(biāo)就是要自主做更多的事情，來更好與任務(wù)管理人員進行有限的通信。在處理發(fā)送給它的任務(wù)，以及如果有電量剩余再做一些雜事之前，它會把自己叫醒，將儀器加熱到合適溫度。

　　“理想情況下，這對我們是有利的。我們想要的是目標(biāo)的圖像和來自儀器的數(shù)據(jù)。收集完這些再跟我們聯(lián)絡(luò)，然后我們會利用這些信息來指導(dǎo)它獲取一份樣品。”特羅斯珀說。

　　NASA目前還沒有實現(xiàn)這一目標(biāo)，但火星2020計劃促使他們在這個方向上改進了軟件，使探測器能夠自己在火星地表從一個點移動到另一個點，同時避開障礙物。“這就像蹣跚學(xué)步的孩子們學(xué)習(xí)的基本技能，別撞到障礙上。”他說。這種自主正越來越多地加入到我們的太空項目中。展望未來，我覺得我們會越來越多地使用這些智能技術(shù)。

　　未來的任務(wù)，如美國宇航局的歐羅巴飛船(EuropaClipper)，將需要更強大的人工智能，來尋找從地下海洋升起的羽狀物，以及由熱液噴口造成的月球結(jié)冰表面裂縫。當(dāng)科學(xué)家無法預(yù)測他們在何時或何地能有新發(fā)現(xiàn)時，他們就需要人工智能來“觀察、注意、收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)回”，瓦格斯塔夫說。

　　隨著歐羅巴飛船搭載的儀器數(shù)據(jù)收集的完成，飛船的機載處理器需要“為觀測指定優(yōu)先級，并將最有趣的數(shù)據(jù)傳回地球。”“我們收集到的數(shù)據(jù)總比我們傳輸?shù)囊唷?rdquo;

　　在比火星更遠的任務(wù)中更是如此，需要衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。由于距離太遠，前往木衛(wèi)二或土星的衛(wèi)星土衛(wèi)二的任務(wù)也會出現(xiàn)通信延遲。

　　NASA已經(jīng)開發(fā)出了用于地球觀測衛(wèi)星的軟件，可以用于海洋觀測任務(wù)。2013年發(fā)射的“智能有效載荷實驗”衛(wèi)星依靠機器學(xué)習(xí)來分析圖像，并著重觀察與周圍環(huán)境不同的地區(qū)。

　　“它睜大眼睛尋找一切與我們預(yù)想不匹配或與眾不同的東西，”他說。“我們無法預(yù)測能發(fā)現(xiàn)什么。我們不想因為沒有教會機器尋找東西的技巧而錯過一些東西。”

　　未來的一項任務(wù)是穿過木衛(wèi)二表面的冰層來調(diào)查水下是否存在生命，這將需要更多的機器智能。NASA可能會設(shè)計軟件來尋找化學(xué)成分或溫度變化的不一致。“這將使你不必告訴它生命是什么樣子，它會吃什么以及它的能源來源是什么，”瓦格斯塔夫說。

　　在工程師將硬件和軟件發(fā)送進太空之前，他們會在地球上類似的環(huán)境中進行廣泛的測試。工程師們在沙漠中測試火星任務(wù)。對木衛(wèi)二任務(wù)的最佳模擬場地可能是北極的冰川。

　　“我們敏銳地意識到要降低風(fēng)險，因為這是耗資數(shù)億甚至數(shù)十億美元的宇宙飛船，”他說。“我們所做的所有事都是經(jīng)過了多年的詳細(xì)測試才會被送上宇宙飛船的。”

　　人工智能掌控一切

　　SpaceX和波音正在建造的往返于地球和國際空間站之間的太空艙的設(shè)計宗旨就是，一旦完成發(fā)射即可自主操作，完成對接任務(wù)和返回地球的任務(wù)。

　　“這樣美國宇航局的工作人員學(xué)習(xí)航天飛船操控所需要花費的時間將比進行微重力實驗以及保持衛(wèi)星軌道更短。”克里斯·弗格森說，他是波音公司CST-100星際航線項目的負(fù)責(zé)人和任務(wù)執(zhí)行主管。

　　“這將極大地減少訓(xùn)練時間。他們只需要學(xué)習(xí)那些重要的東西，以及如何發(fā)現(xiàn)飛船沒有按照計劃在完成動作。”弗格森告訴太空新聞。

　　星際航線的機組成員將會進行飛船進度監(jiān)控的相關(guān)訓(xùn)練。如果出現(xiàn)問題，他們將知道如何手動控制，并與地面工作人員合作解決問題。”他補充道。

　　NASA堅持表示，實現(xiàn)高度自主的部分原因是為了確保太空艙可以作為救生船，以防緊急情況的發(fā)生。

　　弗格森說：“如遇到突發(fā)情況，機組成員需要盡快返回，他們可以在沒有任何準(zhǔn)備的情況下進入太空艙，關(guān)閉艙門，進行一系列動作然后迅速返回。”

　　從很多方面來看，星際航線飛船的自主能力與飛機高度相似。無論是在商用飛機還是宇宙飛船上，“每個人都開始意識到，飛行員正越來越多地變成監(jiān)控者而不是一直活躍的參與者，”弗格森說。

　　當(dāng)星際航線的飛船與空間站對接時，機組人員將會是在監(jiān)控復(fù)雜的傳感器和圖像處理器。波音公司依靠相機、紅外成像儀和激光探測以及距離傳感器，來創(chuàng)建三維圖像。中央處理器將決定哪一個傳感器更可能準(zhǔn)確，并將據(jù)此對數(shù)據(jù)進行加權(quán)，以確保之前快速移動兩個航天器最終以大約每秒4厘米的相對速度完成對接。

　　盡管這是個很復(fù)雜的過程，但實際上宇航員們看到的跟飛機駕駛員在著陸系統(tǒng)上看到的顯示是類似的，弗格森說。