2023年！木卫二，我们来了！人工智能最新算法重军出击

木卫二，又称欧罗巴，是木星的第四大卫星。木卫二不同于暴虐的星球，它的表面是一个温和的世界，被冰层覆盖，而底层是一片海洋，与地球环境大体类似，这不仅让科学家为之关注。我们知道地球海洋孕育了最初的生命，那么而与地球有类似环境的木卫二，兴许也有可能孕育生命，这是谁也无法确定的。因此，木卫二的冰下海洋成为科学家寻找地外生命的目标之一。

据消息称，2023年，美国宇航局计划发射“木卫二快船”任务，这是一个机器人探测器，目标就是研究木星神秘的卫星“木卫二”。这次任务的目的是探索木卫二的冰壳和内部，以更多地了解木卫二的组成、地质以及地表和地下的相互作用。最重要的是，这次任务的目的是阐明欧罗巴内部海洋中是否存在生命。

木卫二的挑战

这就带来了许多前所未有挑战，其中许多挑战来自于“木卫二快船”在执行科学任务时将远离地球这一事实。为了解决这一问题，来自美国宇航局喷气推进实验室(JPL)和亚利桑那州立大学(ASU)的一组研究人员设计了一系列机器学习算法，这将使该任务能够以一定程度的自动机探索木卫二，也就是所谓的人工智能。

上个月，在阿拉斯加安克雷奇举行的第25届ACM SIGKDD知识发现和数据挖掘大会上，这些算法将如何帮助未来的深空探索任务成为演讲的主题。这个年度会议汇集了来自世界各地的数据科学、数据挖掘和分析领域的研究人员和实践者，讨论该领域的最新发展和应用。

因为归根结底，与深空任务进行沟通是一项费时且富有挑战性的工作。当与火星表面或轨道上的任务通信时，从地球到它们可能需要25分钟的信号。另一方面，根据木星相对地球的轨道位置，向木星发送信号可能需要30分钟到一个小时不等。

人工智能出击木卫二

正如专家在他们的研究中所指出的，航天器活动通常是通过预先计划好的脚本传输的，而不是通过实时命令。这种方法是非常有效的，但是必须对位置，环境，和其他影响航天器的因素是已知的或可以提前预测。然而，这也意味着任务控制器不能实时对意外的发展做出反应。

正如美国宇航局喷气推进实验室机器学习和仪器自主小组的首席研究员基里·瓦格斯塔夫博士表示，探索一个遥远得无法让人类直接控制的世界是一项挑战。所有活动都必须预先编写脚本。对新发现或环境变化的快速反应需要航天器本身做出决定，我们称之为航天器自主意识。此外，在距离地球近10亿公里的地方运行意味着数据传输速度非常低。这导致了宇宙飞船收集数据的效率远远超过超过了发回的能力。这就提出了应该收集哪些数据以及如何对数进行优先排序的问题。最后，在木卫二的情况下，宇宙飞船也会受到强烈的辐射，这会破坏数据并导致计算机重置，因此应对这些危险也需要自主决策。

出于这个原因，瓦格斯塔夫博士和她的同事开始研究机载数据分析的可能方法，这种方法可以在任何地点、任何时候进行，重点就是代替人工监督。当处理无法预测其发生、位置和持续时间的罕见瞬态事件时，这些方法尤其重要。

这些现象包括在火星上观测到的尘暴、陨石撞击、土星上的闪电以及土卫二和其他天体发出的冰羽。为了解决这个问题，瓦格斯塔夫博士和她的团队研究了机器学习算法的最新进展。机器学习算法允许计算机在一定程度上实现自动化和独立决策。正如瓦格斯塔夫博士所说:

“机器学习方法使航天器本身能够在收集数据时检查数据。然后，宇宙飞船就可以确定哪些观测结果包含了感兴趣的事件。这可能会影响下行优先级的分配。其目标是增加最有趣的发现首先被向下链接的机会。当收集的数据超过了可以传输的范围时，航天器本身就可以挖掘额外的数据，以获取有价值的科学价值。”

据了解，机载分析还能让飞船根据已经发现的数据决定下一步收集哪些数据。这已经在地球轨道上通过自主科学探索实验和在火星科学实验室(好奇号)漫游者上的宙斯盾系统得到了证实。自主、灵敏的数据收集可以大大加快科学探索。我们的目标是把这种能力也扩展到太阳系外。

这些算法是专门为协助三种类型的科学调查而设计的，这三种科学调查对木卫二快船号任务极为重要。这些包括探测热异常(暖斑)，成分异常(不寻常的表面矿物或沉积物)，以及来自欧罗巴地下海洋的活跃的冰物质羽状物。

“在这种情况下，计算非常有限，”瓦格斯塔夫博士说。航天器计算机的运行速度与1990年代中后期的台式计算机相似(约200 MHz)。因此，我们优先考虑了简单、高效的算法。另一个好处是这些算法易于理解、实现和解释。”

为了测试他们的方法，研究小组将他们的算法应用于模拟数据和过去太空任务的观测。其中包括伽利略号宇宙飞船，它对木卫二进行了光谱观测，以更多地了解其组成；卡西尼号宇宙飞船捕捉到了土星卫星土卫二上羽流活动的图像；新视野号宇宙飞船拍摄到了木星卫星木卫一上火山活动的图像。

这些测试的结果表明，这三种算法中的每一种都表现出了足够高的性能，有助于实现2011年《行星科学十年调查》(Planetary science Decadal Survey)中提出的科学目标。这些包括“确认内部海洋的存在，确定卫星的冰壳的特征，以及对其在木卫二上的地质历史的了解”，从而确认“外部太阳系作为生命居所的潜力”。

展望未来

此外，这些算法可能对其他前往深空目的地的机器人任务产生深远的影响。除了木卫二和木星的卫星系统，美国宇航局还希望探索土星的卫星土卫二和土卫六，以寻找在不久的将来可能存在生命迹象的地方，以及更远的目的地。但应用程序并没有就此止步。正如瓦格斯塔夫博士所说:“航天器的自主性使我们能够探索人类无法到达的地方。这包括遥远的目的地，如木星和太阳系以外的地方。它还包括对人类有害的更近的环境，比如海底或地球上的高辐射环境。”

不难想象，在不久的将来，半自主的机器人任务能够在没有人类常规监督的情况下探索太阳系内外。展望更遥远的未来，也不难想象一个完全自主的机器人能够探索太阳系外行星并将其发现发回地球的时代。

与此同时，半自治的欧罗巴快船可能会发现我们都在等待的证据!那将是证明地球之外确实存在生命的生物标志！