从“洞穴”到“火星”！揭秘美国NASA地下探索机器人技术

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编译|林卓玮

编辑|江心白

智东西12月28日消息，据IEEE Spectrum消息，美国国防高级研究计划局（DARPA）将于明年举办“SUBT”地下挑战赛（Subterranean Challenge）的决赛，该比赛旨在深入探索复杂的地下未知世界。

据悉，参赛团队之一CoSTAR正在紧张备赛中，在熔岩管或洞穴内测试自主研发的机器人。

这支队伍由来自美国航空航天局喷气推进实验室（NASA JPL，全称为National Aeronautics and Space Administration Jet Propulsion Laboratory）和加州理工大学的研究人员组成，凭借轮式机器人和四足机器人赢得了今年早些时候举办的“SUBT”城市巡回赛。

尽管CoSTAR团队向来以研发星际探索机器人见长，但该团队的机器人在城市地形和地下管道中也表现强劲，这和美国航空航天局近年来对洞穴探索机器人的关注不谋而合。

IEEE Spectrum采访了来自美国航空航天局BRAIILE项目的科学家Jen Blank，以及来自CoSTAR团队的两位核心成员——领队Ali Agha和副任务经理（Deputy Task Manager）Ben Morrell，深度揭秘了CoSTAR团队的备赛进展，以及美国航空航天局的星际探索计划。以下是该访谈录的全文翻译：

IEEE Spectrum：你们的测试主要在哪种洞穴环境中开展？您选取这些地方的标准是什么？又是如何找到这些地方的呢？

Ali Agha：天然洞穴是美国航空航天局未来的重要研究对象，它既能启迪对古老生物和现代生物的研究，还有可能成为未来人类的栖息保护地。目前，我们已和美国航空航天局科学任务理事会（Science Mission Directorate）达成合作，在北加利福尼亚州的熔岩床国家纪念碑保护区（ Lava Beds National Monument）的洞穴开展探索任务，以模拟火星上的情形。很长一段时间内，我们都会继续在这开展美国航空航天局的项目。此外，我们为DARPA“SUBT”城市巡回赛做准备时，也是在这做的测试。

Ben Morrell：我们团队十分激动能参与到“SUBT”地下挑战赛的洞穴巡回赛。这些洞穴十分吻合NASA的长期目标：探索月球和火星上的洞穴，特别是熔岩管。这些异星表面有很多熔岩流形成的洞穴。现阶段，Jen Blank领导的NASA团队已经在测试熔岩管的探索机器人，并选择熔岩床国家纪念碑保护区来模拟火星熔岩管地形。这个地点虽然相当理想，但也不乏挑战，毕竟熔岩床国家纪念碑保护区内有超800个洞穴。

CoSTAR团队研发的Spot机器人在北加利福尼亚州的熔岩床国家纪念碑保护区（ Lava Beds National Monument）的洞穴开展探索任务

IEEE Spectrum：从城市环境到洞穴环境，您觉得最大的区别是什么？

Agha：最大的区别在于可通行性。城市地下环境垂直度较大，遍布楼梯、多层平台和颇具挑战性的迷宫结构。相较之下，洞穴地形更加恶劣极端，很多时候连人类都没法通行，从而对机器人的自动通行组件和自动危险规避组件提出了更高的要求。

Morrell：3D地图要美得多，随着机器人的探索逐渐深入，大自然的鬼斧神工逐渐展现于眼前。洞穴的复杂地形有助于训练基于激光雷达的地图绘制能力，此外，洞穴具有许多独特的几何特征，在垂直方向上也有更多微妙且有规律的变化，给我们带来了更大挑战。

IEEE Spectrum：您能否举一些令你吃惊的洞穴挑战事例？

Agha：在熔岩流中形成的洞穴地形比我们预期的更加极端，我们的团队成员有时都难以通行。

Morrell：面对各色各样的通行挑战，我们需要重新研究本地规划，来设计穿越危险区域的整体路径。例如，我们的机器人虽然可以穿越陡峭的“熔岩瀑布”坡，但前提是采用合适的方式。毕竟对于我们人类而言，跨过这种陡坡都相当艰难，而我们需要通过编程来教会机器人做到这点。

熔岩管表壳的巨大摩擦力也是让我们特别惊讶的一点。熔岩管表壳是我们目前测试过的所有表面中最粗糙、最崎岖的。不过事实证明，这对于四足机器人来说反而很有利，但是给靠打滑转向的轮式机器人造成了许多难题。

Jen Blank：（波士顿动力公司研制的）的四足机器人在不同熔岩流表壳展现出的超强通行能力振奋了整个团队。它既可以在较为光滑的绳状熔岩（即“pahoehoe”，常见熔岩之一）表面通行，也可以穿越崎岖嶙峋的渣状熔岩（即“aa”，状若西蓝花）表面。此外，洞穴顶部塌方形成的桌子大小的松散格状碎块堆，机器人也能轻松通过，之后再向洞穴边缘移动。在洞穴边缘往往有古代熔岩流冷却形成的壁架或“浴缸环”（指的是浴缸经长期使用后，缸壁形成一圈由油渍、洗浴产品残余构成的可见污渍）。它还能轻松进出洞穴，尽管我们选择了一个进出最方便的洞穴（兼具自然梯级和人造通道）。

IEEE Spectrum：你们的研究手段与城市巡回赛所使用的系统相比有何变化？

Agha：受限于新冠疫情，我们前几个月里没有太多机会改善硬件。所以，我们的硬件解决方案变化不大。但是软件方面，我们一直在模拟实验中改良算法的各个部分，包括规划算法和感知方法。

Morrell：我们在规划算法方面取得了较大进展，理论和应用方面都进行了重大升级。城市竞赛经验为我们改良规划算法提供了灵感，比如说，在城市竞赛中我们需要应对包含多房间的广阔区域，也需要应对复杂的洞穴地形，既有狭长通道，也有露天大洞穴。我们还优化了机器人的操作体验，发明了一些工具以减轻任务负担，同时简化了机器人团队的管理流程。

IEEE Spectrum：机器人操作员在山洞中的体验如何？其体验与“隧道”和“城市”环境有何不同？

Morrell：与“隧道”和“城市”环境相比，我们的测试环境面积较小、复杂性较低。我们也随之作出调整，测试时间更短，参与测试的机器人更少。此外，随着全球规划取得一定进步、自动技术取得突破、操作辅助工具逐渐丰富，操作员的整体体验较巡回赛也更为轻松。轻松的操作体验正是我们努力的方向之一。所以，这是我们团队的一次胜利，我们也正在稳步向目标靠近。

和城市地形相比，山洞测验更具挑战性的地方便是要识别出潜在的危险地形。操作员必须通过非结构化的3D地图识别出较低的洞穴顶部和陡崖。

IEEE Spectrum：您有举办虚拟洞穴巡回赛吗？如果是这样，情况如何，您学到了什么？

Morrell：我们确实打算在测试地点举行虚拟洞穴巡回赛，同时把NASA科学团队的扫描地图作为地面实况图（Ground truth map）来使用，其作用类似于DARPA在隧道和城市巡回赛结束后提供的地图。我们可以在地图上选择工件位置（artifact location），并测量标记位置。在实地测验中，我们使用了带有这些测量标记的全站仪，来测量便携式校准门相对于地图的位置。使用这些门的坐标对机器人进行校准之后，我们就可以像DARPA那样举办测试赛！

学到了哪些教训？城市的建筑结构相当规整，有直角、拐角、适合测量的平直走廊和平面图，便于我们在地面实况图上设定工件位置和校准门。由于地面平整，最终配置结果的可信度很高。但在洞穴环境中不是这样，因为没法确认最终结果是否偏差了一两度，其可信度也大打折扣。

虚拟竞赛能够评估使用其他方式难以评估的组件，比如压力下操作、工件全局定位以及判断路径规划是否覆盖了所有工件。通过虚拟测试，我们明白了给操作员减负的重要性，知道了如何调整规划器以适应工件感测，意识到工件定位管道（artifact localization pipeline）中有待改进的一些方面。

研究者惊叹于Spot机器人探索不同熔岩地形的能力

IEEE Spectrum：有什么特别大的成功或者失败吗？

Morrell：在一次测试中，我们做到了完全自主运行Spot机器人，并完成对洞穴的完整探索。为达到NASA的洞穴科考目标，并在比赛中获胜，完全自主是我们团队设定的目标之一，因此这次测试可谓是一大胜利。

另一个成功是顺利完成规划器、自主工具、操作工具等虚拟组件到实物的过渡。这证明我们建立仿真系统、并每月进行仿真迷你游戏（我们自己的“迷你虚拟洞穴电路”）的努力是卓有成效的。

不过我们也发现轮式机器人难以适应熔岩管环境，受到严重磨损后出现了致命的硬件故障，但在疫情的大背景下这些故障很难解决。

IEEE Spectrum：如果给您重来一次隧道和城市巡回赛的机会，您会怎么做？

Agha：我们的自动解决方案（称为NeBula）在过去几个月得到了整体提升，在可通行性和规划方面的改善尤为显著。我们相信，如果采用当前的解决方案，我们在隧道和城市竞赛中的探索会更加深入。

Morrell：我对Ali的话进行一些补充，如果能重来一次，那将是格外令人兴奋的事！我们相信，现有系统将以更高的自主性和更强的操作性，实现更高的勘探效率、更准确的定位、更短的停机时间。我们与其他团队相比，孰强孰弱？我们等不及要在决赛中找到答案！我们知道其他团队已经取得了惊人进步，我们正竭尽全力跟上，并期待很快能与其他团队进行测试！

IEEE Spectrum：您对“SUBT”决赛采用组合巡回赛的形式有何感想？

Agha：看到DARPA对于决赛的新构想，我们非常兴奋！如何将隧道、洞穴、城市这三种环境融合在一条路线上？我们非常好奇。

Morrell：巡回赛决赛确实为我们评估自主系统能力提供了无与伦比的机会，也是展示我们团队多年研究开发成果的完美测试。不过，我们还有很长的路要走，还有很多事情要做。竞争激励着我们马不停蹄，其他团队的不断进步鞭策着我们奋勇向前。

IEEE Spectrum：您目前已经经历了隧道和城市巡回赛，也进行了自己版本的洞穴赛，您是否觉得离提出地下环境通用解决方案越来越近？

Agha：是的，我们从一开始就打算提出一套通用型解决方案。在不同环境中进行实地测试无疑有助于我们确定这套方案中难以适应环境变化的环节，同时为我们改善这些环节提供了机会，从而提出一套能够更好地适用于不同环境的通用解决方案。

Morrell：我必须要对设计比赛的DARPA工作人员提出表扬，大型隧道带来的各种挑战、城市地址复杂性和多层次性、以及洞穴的极端地形为提出通用解决方案带来了切实帮助。但是，我们也清楚地知道，还有很多不同种类的矿山、洞穴和城市环境是我们没有测试过的，因此我们将继续在各种环境中进行测试，揭开未知领域的神秘面纱（不像比赛的最终形式仍是一个谜团），让我们的解决方案更加耐用、更加通用。

来源：IEEE Spectrum