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当机器人开始替代宇航员
摘要

在我们教会机器人征服太空之前,或许自身也早已从中收获了无限美好的回馈。这大概也是一切技术追逐的终极宿命吧。

作者:脑极体

还记得我们在《屡败屡战的谷歌机器人计划》一文中提到的机器人公司SCHAFT吗?

头顶DARPA机器人挑战赛冠军光环的SCHAFT,卖身谷歌后却在一波三折之后在2018年底惨遭解散。

但是,它的创始人兼首席执行官YutoNakanishi,却并没有“自抱自泣”,反而活成了现实版的“我有一个梦想”。在公司解散后加入了一个旧金山的创业公司GITAI,准备为自己儿时的憧憬圆梦了,那就是——创建第一个在太空中工作的机器人,并且已经小有成果。

最近,他们就打算与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)一起,将远程操作机器人发射到太空上,替代人类去展开探索活动。

(两位加入GITAI公司的SCHAFT员工)

机器人走进宇宙空间站,早就不是什么新鲜事了。比如谷歌就推出过可以在空间站中漂浮的机器人SmartSphere,用来帮助地面人员完成空间站安全检查;被SpaceX送上太空的机器人Cimon,更是上演了一出“性感机器,太空陪聊”的辣眼戏码。

不过,想要让这些机器人作为人类的“分身”,去执行一些地面勘测、空间站维修之类的工作,显然就有点难了。

而今天我们想聊的,正是能够帮助让机器人真正替代宇航员执行那些危险任务的硬核操作——远程控制技术。

远程操作机器人:太空中的最佳帮手

Netflix高分神剧“爱死机”(《爱、死亡、机器人》)中,有一个颇为悲壮的故事,那就是第十一集《帮手》(HelpingHand)。

女宇航员艾利克斯独自在太空站外执行工作,但她的保险绳不幸脱落,宇航服也出现了故障。在茫茫宇宙中,她只能展开自救。为此,艾利克斯不得不将自己的左手上臂折断(此处我一个爆哭),不断地将残臂抛出,利用反作用力将自己一点点地在氧气耗尽之前送回了太空站。

当她再次接通同事的联络信号时,面对来自地面的询问,她却只回答了一句话——“为伟大的虚无做了点小小的牺牲”。

不得不说,艾利克斯真是个狼人,在绝境时不惜以惨烈的方式为自己找到一个“帮手”。但从观众的角度来讲,简直一瞬间涌出了万千疑问:

都9012年了,我们为什么还要让宇航员这样百里挑一的宝贵物种,去经历这样的选择和牺牲?!为什么不能让机器人代替他们去完成这些高危任务?钢筋铁骨难道不比人类的肉身更经得起太空环境的考验吗?

此时,JAXA和GITAI开发的能替代人类进行太空探索的“阿凡达”机器人,就显得格外有意义了。

首先,探索外层空间的工作量越来越大,但火箭能够搭载的宇航员又很有限,并且还存在一定的安全风险,引入一部分机器人作为替代生产力,显然能够大幅降低太空任务成本;

让机器人在近地轨道空间站工作,可以减轻宇航员的工作负担和风险,缩短他们执行任务的时间,对生理和心理健康都有帮助。

听起来是不是很棒棒!别急着激动,其实让机器人做太空帮手这件事,不止我们能想到,半个世纪前的人类早就想到了!

早在上世纪60年代,远程操作机器人就已经被科学家们付诸实践了。在地面上操作空间机械手,就能完成一些诸如修复空间站、回收卫星之类的任务。

那么问题也就来了,既然技术概念和应用都“源远流长”,为啥到了现在人类中的“最强大脑”还在跟远程机器人较劲啊?是研究经费太烫手,还是研发人员能力有问题?显然都不是。

究其原因,恐怕就要从远程操作这件事的一些沉疴说起了。

人机合一,为什么比天人合一还难?

远程操作机器人,从概念上来说并不是什么艰深的东西。但涉及到太空环境,问题就变得复杂起来。至少在努力了50多年后,想要对太空机器人进行远程操控,依然有着不少难点。其中最严重的问题就是——通讯延迟。

操作人员直接远程对机器人进行操控,也被称作木偶式puppetapproach,我们常见的远程手术等等就属于此类。在地面光纤网络和移动蜂窝网络建设如此完善的情况下,想要实现百公里的远程紧密操作,都是一件难上加难的事情。更何况是地球与近地空间站6000km的通信距离呢?

由于信号传输速率的限制(电磁波速),近地轨道与地面的信号往返传输时延为0.4s,而深空近月轨道时延达3s,再加上其它因素的影响(如计算机处理时间、通信初始化等),整个系统的时延约6-15s。

已经有研究表明,当通信延迟大于1/4秒时,操作员就能明显感觉到延迟的存在,操作性能也会显著降低。

为此科学家也想了一些办法,来减少通信延迟带来的潜在风险。其中就是赋予终端机器人一定的本地智能,不让这种机器操作因为传输效率受到太大影响。由此就出现了监督操作(SupervisoryControl)。

监督操作的区别在于,操作员只是发送目标任务或很小一部分相关的必需指令,机器人已经提前将一些程序背好了,收到具体命令就可以利用本地智能自主完成。

这种“走一走,等一等”的人机协作模式确实让机器的表现更稳定了,人类工程师也终于不用再为持续的等待和观察而虐的筋疲力尽了。

当然,这也并不是万全之策。由于只能通过景深摄像头来做出行为判断,没有任何力反馈机制供操作员来确认操作的误差。无法获得机器人同样的环境感知,地面操作员在执行动作时就会很容易出现偏差。怎么办?

幸好现代技术的迭代与综合应用,正在给远程操作机器人带来新的突破。主要体现在两个关键问题上:

一个是通讯技术的进步。高通道、低延时的5G通信技术,卫星星座网络建设,神经网络压缩算法等等的出现,让实时的长距离、大规模、低延迟的数据通信成为了可能。

以GITAI开发的这款机器人为例,通过智能算法将分辨率为2.7K的360°摄像头,从原始数据量800Mbps降到平均2.5Mbps,以此压缩数据量。然后借助其专有的P2P通信技术和基于GITAI协议的Linux基本操作系统,从而将远程操作中的通信延迟降至最低,让机器人真正能够在太空中充当人类的替身。

另一个变革则是来自感应端的。VR虚拟现实的成熟,也改变了地面操作员与空间机器人的交互方式。

麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室就研发了一种操作系统,通过将机器人的力臂抓手、摄像头、传感器连接至VR硬件设备,操作人员佩戴上OculusRift头盔和Touch手柄,接下来只需要移动自己的手臂,就可以控制机器人力臂,在太空环境中执行一些操作任务。

论文数据显示,CSAIL系统在95%的时间内更好地抓住物体,在完成任务时速度提升了57%。

当然,由于一些设备特性,目前利用遥控来驱动复杂力臂的机器人在体验上还不是特别稳定。虽然它可以带来身临其境的体验,但还无法实现精巧的操作。而且由于设备的特性,在长距离的通讯环境下,很容易带来眩晕、恶心、头痛等不良反应,还有待进一步优化。

无论如何,这些新技术的加入,都能够帮助机器人踏出替代人类宇航员进行太空作业、宇宙探索等高危任务的重要一步。

如果我们把脑洞再打开一点,如果未来人类真要如科幻故事中那样前往外太空寻求新家园,面对陌生的星球环境,派机器人探路显然是最明制的选择。此时,空间站如果能够远程指挥机器人完成设备检修、环境勘探、样本采集等重要工作,人类文明的安全系数不就更高一点吗?

更何况从现实的角度看,这种原程操作机器人在商业上的潜力也不可小觑。据GITAI公司的估计,他们的机器人将“把太空工作的成本降低到”使用真正宇航员成本的10%。

而除了在国际空间站(ISS)担任“人类替身”之外,一些商业空间站,例如太空旅馆、用于科学实验的空间站等,也对这样低成本、高效率的远程操作机器人求之若渴。

这么一想,远程机器人简直就是未来之光了好吗?先别急着吹彩虹屁。要知道,科学家和商业机构越努力,就会越早与哲学家和伦理学家们正面交锋。前方,似乎还有不少“软性”隐患有待解决呢。

人机折衷:无人航空的黎明

从本质上来讲,远程操作机器人其实是一个折衷主义的产物。

由人类在地面进行操作,完全是一种妥协。人类科学家对于太空机器人的初始构想,原本是完全的无人化,也就是由机器人独立完成维护、检修、控制、决策等一系列工作。但这种理念却受到了来自各个方面的制约:

从技术上,距离高智能机器人还有很长一段路要走,短时间内根本无法独立承担复杂的太空任务;伦理上,机器人完全取代宇航员的位置,难免会引起技术恐慌,引发一部分宇航员和民众的抗拒心理。而从安全角度来说,将太空探索完全交给智能机器来进行处理,更有一种宿命无法掌握的“失控感”。

因此,远程操作机器人作为折衷方案,就非常容易引起舒适了。

首先,它只是取代了一部分辛苦而危险的空间作业,以宇航员和地面操作员为主的人类在太空任务中依然处于主导和决策地位。

与此同时,它又是前沿机器人技术在太空领域更为务实的体现。

以往即使是在科幻电影中,机器人这一形象简直就和人们对“东方女性”的刻板印象一样。它们要么是助理型,提供一些监控、提示之类的辅助技能,在关键时刻只能吐槽“人类无法保持理智”;要么是陪伴型,提供一些对话、娱乐之类的心理按摩,像个尽职尽责的花瓶。

而远程操作机器人虽然是“提线木偶”,却被赋予了一定的自我判断决策智能,使其价值更加真实地发挥了出来,人类也有了一个更为有利的机器帮手,而不是“太空宠物”。

换句话说,无人空间探索是一场任重道远、却又过分漫长的旅程。此时,远程操作机器人的出现就非常重要,它出现在这项未来终极技术的早期阶段,以人机协作的方式“丫丫学步”,最终它也将成熟起来,摆脱人类的辅助独自奔向宇宙深处。此时,远程操作机器人也会逐渐退出。

当然,距离这一天真正到来很有很远的路要走。对于人类导师来说,能做的就是不断增强通讯网络的传输能力,提高机器智能的运行效率。在我们教会机器人征服太空之前,或许自身也早已从中收获了无限美好的回馈。这大概也是一切技术追逐的终极宿命吧。

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