當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始替代宇航員

腦極體

頭頂DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽冠軍光環(huán)的SCHAFT，賣身谷歌后卻一波三折，在2018年年底慘遭解散。但是，它的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官YutoNakanishi，卻并沒(méi)有“自抱自泣”，反而活成了現(xiàn)實(shí)版的“我有一個(gè)夢(mèng)想”。在公司解散后加入了一個(gè)舊金山的創(chuàng)業(yè)公司GITAI，準(zhǔn)備為自己兒時(shí)的憧憬圓夢(mèng)了，那就是——?jiǎng)?chuàng)建第一個(gè)在太空中工作的機(jī)器人，并且已經(jīng)小有成果。最近，他們就打算與日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）一起，將遠(yuǎn)程操作機(jī)器人發(fā)射到太空上，替代人類去展開(kāi)探索活動(dòng)。機(jī)器人走進(jìn)宇宙空間站，早就不是什么新鮮事了。比如谷歌就推出過(guò)可以在空間站中漂浮的機(jī)器人SmartSphere，用來(lái)幫助地面人員完成空間站安全檢查；被SpaceX送上太空的機(jī)器人Cimon，更是上演了一出“性感機(jī)器，太空陪聊”的辣眼戲碼。不過(guò)，想要讓這些機(jī)器人作為人類的“分身”，去執(zhí)行一些地面勘測(cè)、空間站維修之類的工作，顯然就有點(diǎn)難了。本文介紹的正是能夠幫助機(jī)器人真正替代宇航員執(zhí)行那些危險(xiǎn)任務(wù)的硬核操作——遠(yuǎn)程控制技術(shù)。

遠(yuǎn)程操作機(jī)器人：太空中的最佳幫手

Netflix高分神劇《愛(ài)、死亡、機(jī)器人》中，有一個(gè)頗為悲壯的故事，那就是第十一集《幫手》。女宇航員艾利克斯獨(dú)自在太空站外執(zhí)行工作，但她的保險(xiǎn)繩不幸脫落，宇航服也出現(xiàn)了故障。在茫茫宇宙中，她只能展開(kāi)自救。為此，艾利克斯不得不將自己的左手上臂折斷，不斷地將殘臂拋出，利用反作用力將自己一點(diǎn)點(diǎn)地在氧氣耗盡之前送回了太空站。當(dāng)她再次接通同事的聯(lián)絡(luò)信號(hào)時(shí)，面對(duì)來(lái)自地面的詢問(wèn)，她卻只回答了一句話——“為偉大的虛無(wú)做了點(diǎn)小小的犧牲”。不得不說(shuō)，艾利克斯真是個(gè)狼人，在絕境時(shí)不惜以慘烈的方式為自己找到一個(gè)“幫手”。但從觀眾的角度來(lái)講，簡(jiǎn)直一瞬間涌出了萬(wàn)千疑問(wèn)：都9012年了，我們?yōu)槭裁催€要讓宇航員這樣百里挑一的寶貴物種，去經(jīng)歷如此悲壯的選擇和犧牲？！為什么不能讓機(jī)器人代替他們?nèi)ネ瓿蛇@些高危任務(wù)？鋼筋鐵骨難道不比人類的肉身更經(jīng)得起太空環(huán)境的考驗(yàn)嗎？此時(shí)，JAXA和GITAI開(kāi)發(fā)的能替代人類進(jìn)行太空探索的“阿凡達(dá)”機(jī)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(lái)越大，但火箭能夠搭載的宇航員又很有限，并且還存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，引入一部分機(jī)器人作為替代生產(chǎn)力，顯然能夠大幅降低太空任務(wù)成本；讓機(jī)器人在近地軌道空間站工作，可以減輕宇航員的工作負(fù)擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn)，縮短他們執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間，對(duì)生理和心理健康都有幫助。聽(tīng)起來(lái)是不是很棒！別急著激動(dòng)，其實(shí)讓機(jī)器人做太空幫手這件事，不止我們能想到，半個(gè)世紀(jì)前的人類早就想到了！早在20世紀(jì)60年代，遠(yuǎn)程操作機(jī)器人就已經(jīng)被科學(xué)家們付諸實(shí)踐了。在地面上操作空間機(jī)械手，就能完成一些諸如修復(fù)空間站、回收衛(wèi)星之類的任務(wù)。那么問(wèn)題也就來(lái)了，既然技術(shù)概念和應(yīng)用都“源遠(yuǎn)流長(zhǎng)”，為啥到了現(xiàn)在人類中的“最強(qiáng)大腦”還在跟遠(yuǎn)程機(jī)器人較勁?。渴茄芯拷?jīng)費(fèi)太燙手，還是研發(fā)人員能力有問(wèn)題？顯然都不是。究其原因，恐怕就要從遠(yuǎn)程操作這件事的一些沉疴說(shuō)起了。

人機(jī)合一，為什么比天人合一還難

遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，從概念上來(lái)說(shuō)并不是什么艱深的東西。但涉及太空環(huán)境，問(wèn)題就變得復(fù)雜起來(lái)。至少在努力了50多年后，想要對(duì)太空機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，依然有著不少難點(diǎn)，其中最嚴(yán)重的問(wèn)題就是通信延遲。操作人員直接遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操控，也被稱作木偶式puppet approach，我們常見(jiàn)的遠(yuǎn)程手術(shù)等就屬于此類。在地面光纖網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)建設(shè)如此完善的情況下，想要實(shí)現(xiàn)百公里的遠(yuǎn)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？由于信號(hào)傳輸速率的限制（電磁波速），近地軌道與地面的信號(hào)往返傳輸時(shí)延為0.4s，而深空近月軌道時(shí)延達(dá)3s，再加上其他因素的影響， 整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)延約6—15s。已經(jīng)有研究表明， 當(dāng)通信延遲大于1/4s時(shí)， 操作員就能明顯感覺(jué)到延遲的存在，操作性能也會(huì)顯著降低。

為此科學(xué)家也想了一些辦法，來(lái)減少通信延遲帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。其中就是賦予終端機(jī)器人一定的本地智能，不讓這種機(jī)器操作因?yàn)閭鬏斝适艿教笥绊憽Ｓ纱司统霈F(xiàn)了監(jiān)督操作。監(jiān)督操作的區(qū)別在于，操作員只是發(fā)送目標(biāo)任務(wù)或很小一部分相關(guān)的必需指令，機(jī)器人已經(jīng)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(jī)協(xié)作模式確實(shí)讓機(jī)器的表現(xiàn)更穩(wěn)定了，人類工程師也終于不用再為持續(xù)的等待和觀察而虐得筋疲力盡了。當(dāng)然，這也并不是萬(wàn)全之策。由于只能通過(guò)景深攝像頭來(lái)做出行為判斷，沒(méi)有任何力反饋機(jī)制供操作員來(lái)確認(rèn)操作的誤差。無(wú)法獲得機(jī)器人同樣的環(huán)境感知，地面操作員在執(zhí)行動(dòng)作時(shí)就會(huì)很容易出現(xiàn)偏差。怎么辦？幸好現(xiàn)代技術(shù)的迭代與綜合應(yīng)用，正在給遠(yuǎn)程操作機(jī)器人帶來(lái)新的突破。主要體現(xiàn)在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題上：一個(gè)是通信技術(shù)的進(jìn)步。高通道、低延時(shí)的5G通信技術(shù)，衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壓縮算法等的出現(xiàn)，讓實(shí)時(shí)的長(zhǎng)距離、大規(guī)模、低延遲的數(shù)據(jù)通信成為可能。

以GITAI開(kāi)發(fā)的這款機(jī)器人為例，通過(guò)智能算法將分辨率為2.7K的360°攝像頭，從原始數(shù)據(jù)量800 Mbps降到平均2.5Mbps，以此壓縮數(shù)據(jù)量。然后借助其專有的P2P通信技術(shù)和基于GITAI協(xié)議的Linux基本操作系統(tǒng)，從而將遠(yuǎn)程操作中的通信延遲降至最低，讓機(jī)器人真正能夠在太空中充當(dāng)人類的替身。另一個(gè)變革則是來(lái)自感應(yīng)端的。VR虛擬現(xiàn)實(shí)的成熟，也改變了地面操作員與空間機(jī)器人的交互方式。麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室就研發(fā)了一種操作系統(tǒng)，通過(guò)將機(jī)器人的力臂抓手、攝像頭、傳感器連接至VR硬件設(shè)備，操作人員佩戴上Oculus Rift頭盔和Touch手柄，接下來(lái)只需要移動(dòng)自己的手臂，就可以控制機(jī)器人力臂，在太空環(huán)境中執(zhí)行一些操作任務(wù)。當(dāng)然，由于一些設(shè)備特性，目前利用遙控來(lái)驅(qū)動(dòng)復(fù)雜力臂的機(jī)器人在體驗(yàn)上還不是特別穩(wěn)定。雖然它可以帶來(lái)身臨其境的體驗(yàn)，但還無(wú)法實(shí)現(xiàn)精巧的操作。而且由于設(shè)備的特性，在長(zhǎng)距離的通信環(huán)境下，很容易帶來(lái)眩暈、惡心、頭痛等不良反應(yīng)，還有待進(jìn)一步優(yōu)化。無(wú)論如何，這些新技術(shù)的加入，都能夠幫助機(jī)器人踏出替代人類宇航員進(jìn)行太空作業(yè)、宇宙探索等高危任務(wù)的重要一步。

如果我們把腦洞再打開(kāi)一點(diǎn)，如果未來(lái)人類真要如科幻故事中那樣前往外太空尋求新家園，面對(duì)陌生的星球環(huán)境，派機(jī)器人探路顯然是最明制的選擇。此時(shí)，空間站如果能夠遠(yuǎn)程指揮機(jī)器人完成設(shè)備檢修、環(huán)境勘探、樣本采集等重要工作，人類文明的安全系數(shù)不就更高一點(diǎn)嗎？更何況從現(xiàn)實(shí)的角度看，這種遠(yuǎn)程操作機(jī)器人在商業(yè)上的潛力也不可小覷。據(jù)GITAI公司的估計(jì)，他們的機(jī)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(guó)際空間站擔(dān)任“人類替身”之外，一些商業(yè)空間站，例如太空旅館、用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間站等，也對(duì)這樣低成本、高效率的遠(yuǎn)程操作機(jī)器人求之若渴。這么一想，遠(yuǎn)程機(jī)器人簡(jiǎn)直就是未來(lái)之光了好嗎？要知道，科學(xué)家和商業(yè)機(jī)構(gòu)越努力，就會(huì)越早與哲學(xué)家和倫理學(xué)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(jī)折衷：無(wú)人航空的黎明

從本質(zhì)上來(lái)講，遠(yuǎn)程操作機(jī)器人其實(shí)是一個(gè)折衷主義的產(chǎn)物。由人類在地面進(jìn)行操作，完全是一種妥協(xié)。人類科學(xué)家對(duì)于太空機(jī)器人的初始構(gòu)想，原本是完全的無(wú)人化，也就是由機(jī)器人獨(dú)立完成維護(hù)、檢修、控制、決策等一系列工作。但這種理念卻受到了來(lái)自各個(gè)方面的制約：從技術(shù)上，距離高智能機(jī)器人還有很長(zhǎng)一段路要走，短時(shí)間內(nèi)根本無(wú)法獨(dú)立承擔(dān)復(fù)雜的太空任務(wù)；倫理上，機(jī)器人完全取代宇航員的位置，難免會(huì)引起技術(shù)恐慌，引發(fā)一部分宇航員和民眾的抗拒心理。而從安全角度來(lái)說(shuō)，將太空探索完全交給智能機(jī)器來(lái)進(jìn)行處理，更有一種宿命無(wú)法掌握的“失控感”。因此，遠(yuǎn)程操作機(jī)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(xiǎn)的空間作業(yè)，以宇航員和地面操作員為主的人類在太空任務(wù)中依然處于主導(dǎo)和決策地位。與此同時(shí)，它又是前沿機(jī)器人技術(shù)在太空領(lǐng)域更為務(wù)實(shí)的體現(xiàn)。以往即使是在科幻電影中，機(jī)器人這一形象簡(jiǎn)直就和人們對(duì)“東方女性”的刻板印象一樣。它們要么是助理型，提供一些監(jiān)控、提示之類的輔助技能，在關(guān)鍵時(shí)刻只能吐槽“人類無(wú)法保持理智”；要么是陪伴型，提供一些對(duì)話、娛樂(lè)之類的心理按摩，像個(gè)盡職盡責(zé)的花瓶。

而遠(yuǎn)程操作機(jī)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(jià)值更加真實(shí)地發(fā)揮了出來(lái)，人類也有了一個(gè)更為有利的機(jī)器幫手，而不是“太空寵物”。換句話說(shuō)，無(wú)人空間探索是一場(chǎng)任重道遠(yuǎn)、卻又過(guò)分漫長(zhǎng)的旅程。此時(shí)，遠(yuǎn)程操作機(jī)器人的出現(xiàn)就非常重要，它出現(xiàn)在這項(xiàng)未來(lái)終極技術(shù)的早期階段，以人機(jī)協(xié)作的方式“丫丫學(xué)步”，最終它也將成熟起來(lái)，擺脫人類的輔助獨(dú)自奔向宇宙深處。此時(shí)，遠(yuǎn)程操作機(jī)器人也會(huì)逐漸退出。當(dāng)然，距離這一天真正到來(lái)還有很遠(yuǎn)的路要走。對(duì)于人類導(dǎo)師來(lái)說(shuō)，能做的就是不斷增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，提高機(jī)器智能的運(yùn)行效率。在我們教會(huì)機(jī)器人征服太空之前，或許自身也早已從中收獲了無(wú)限美好的回饋。這大概也是一切技術(shù)追逐的終極宿命吧。