为人类移民火星铺路？Science子刊：欧洲团队验证机器人自主探洞技术，打通地下家园第一关

早在今年5月，马斯克在《让人类成为多星球物种》的演讲中不仅喊出了“让人类走向群星之间”的口号，还放出明年要上火星的豪言壮语，引起国内外社交媒体热烈讨论。

不过，当我们畅想未来在月球或火星上建立永久家园时，一个严峻的挑战却横亘眼前：如何抵御致命的宇宙辐射和极端温度？

答案可能并不在眼前的地表，而深藏于其下——火星那些蜿蜒曲折的熔岩洞穴，堪称是极端环境中的“生命绿洲”，它们厚实的岩层能完美屏蔽致命的宇宙辐射，其内部维持着近乎恒定的温度。所以其不仅是寻找地外生命痕迹的理想场所，更是未来人类建造永久基地的绝佳选址。

然而，深入这些洞穴对人类宇航员而言风险极高。尽管人类已发射超过250个探测器探索地外天体，但认知仍主要停留于表面。考虑到地外熔岩洞穴难以进入的特性，使用机器人团队进行探索不仅更安全，也更具经济效益。而地球上的类似场景虽已初步验证了机器人的能力，但它们在太空严苛环境下的适应性仍需深入研究。

而为攻克这一极限探索难题，一个由德国人工智能研究中心（DFKI）等欧洲顶尖机构组成的团队，提出并成功验证了一套完整的、由异构机器人团队执行的自主探索方案。这套方案的核心在于构建了一支功能互补的机器人团队，并将其应用于一个系统分解的四阶段任务流程中。

近日，该研究成果以“Cooperative robotic exploration of a planetary skylight surface and lava cave”为题，于近日发表在国际顶级期刊Science Robotics上。

▍功能互补的异构机器人团队

这个机器人团队的核心，是由三个形态功能各异的机器人组成：

首先，SherpaTT是一款混合轮腿式探测车，占地面积可变，配备全阿克曼转向系统，满载时重量约为210 公斤。该探测车通过外部航空电子箱进行扩展，该电子箱使用代表性的太空电子元件提供自主导航和测绘功能。SherpaTT 配备一个具有六个自由度 (DoF) 的机械臂。地球重力环境下 25 公斤的最大有效载荷受球形腕关节的限制。其机械特性使其适合携带和部署所需的有效载荷，以及在下降过程中充当移动锚点。

参与此次任务的第二辆火星车是Coyote III。它是一款小型火星车，重量轻（约20 公斤），机动性强，适合进行绳降和探索狭窄的熔岩管。它采用滑移转向移动方式，配备四个车轮和用于后轮轴的被动接头，提高了系统在不规则地形上的稳定性。Coyote III 还配备了探地雷达 (GPR)，能够探测地下以发现熔岩管。为了进行绳降作业，团队还设计了一个系绳管理和对接系统 (TMDS)，其中包含连接 SherpaTT 和 Coyote III 的系绳。系绳卷绕在 TMDS 内部的驱动轴上，以控制收放速度。

值得注意的是，系绳除了用作绳索帮助Coyote III从天窗下降之外，还能将SherpaTT的电力和数据传输到TMDS，从而控制其执行器。此外，该链路还可用于为熔岩管内的Coyote III提供能量，并实现两辆火星探测车之间的通信。

最后，LUVMI-X是一款轻型且经济高效的月球车，旨在探索月球挥发物的资源潜力。它可以与SherpaTT协作进行自主导航和测绘，以探索天窗周围的区域。LUVMI-X的设计使其能够根据任务的科学性质携带一组可配置的有效载荷。在此次任务中，LUVMI-X配备了一个带传感器的有效载荷立方体和一个用于将有效载荷。

那么，这些机器人是如何协同工作的呢？ 答案是团队架构的核心任务管理子系统（CMS）。机器人由连接到CMS的系统控制，CMS负责通过制导、导航和控制（GNC）堆栈指挥机器人，使它们能够自主探索天窗区域。为此，每个机器人都配备了不同的传感器用于环境感知和自身定位。此外，它们还拥有执行特定任务的专属硬件：Coyote III配备了探地雷达（GPR）用于地下探索，并与TMDS对接以便绳降；SherpaTT负责运输并部署TMDS，并利用其机械臂在绳降任务中为Coyote III提供关键支持；LUVMI-X则通过其有效载荷立方体获取天窗的3D图像，以确定合适的绳降路径。

▍环环相扣的四阶段自主探索流程

为了验证所提方法和机器人团队的可行性，在西班牙兰萨罗特岛火山岛上进行了实地测试。选定的天窗是位于该岛北部的广阔的拉科罗纳熔岩管网络的一部分。整个探索任务被清晰地分解为四个环环相扣的阶段，并在西班牙兰萨罗特岛熔岩洞穴进行的为期21天“模拟外星”实地测试中成功执行：

地表协同测绘：在进入洞穴前，需要对周边地表彻底“摸底”。SherpaTT和LUVMI-X被分配至天窗周围不同区域，自主规划路径，利用视觉传感器进行环境测绘。它们生成的局部地图实时融合，形成高精度的协同数字高程图（DEM）。精度验证表明，地图点的平均水平误差仅为0.298米（标准差0.179米），高程误差虽在交界处因微小系统性偏差存在轻微差异，但总体精度完全满足后续任务需求。

天窗勘测：在完成地表测绘后，为安全垂降，必须精确掌握天窗内部结构。LUVMI-X行驶至天窗边缘，利用弹射装置将搭载RGB-D相机和IMU的传感器立方体垂降入洞穴（实验中通过滑轮系统模拟月球重力下的缓慢下降）。立方体下降过程中持续采集数据并回传，最终融合生成完整的天窗内部三维点云模型。分析此模型可精确定位天窗最窄处（“瓶颈”直径1.85米），并识别出坡度最缓、最安全的最佳入口点。

垂降进入：这是任务中技术挑战最大、最关键的环节。Coyote III首先自主行驶至SherpaTT部署的系留管理与对接系统（TMDS），完成机械、电力和数据的对接。随后驶向天窗边缘开始垂降。在此过程中，SherpaTT扮演双重核心角色：一是作为稳固停驻的移动锚点提供支撑；二是利用其机械臂实时感知系绳张力，并通过模型预测控制器（MPC）以协同调整底盘与机械臂姿态，始终将作用在脆弱腕关节上的力矩最小化。实验数据证实，在整个垂降过程中，所有机械臂关节的力矩均被有效控制在安全极限之内。

洞内探索：成功垂降后，Coyote III在洞穴内部执行探索任务，利用其搭载的设备进行探测。通过远程控制，Coyote III在整个熔岩洞中展示了其移动能力，在垂直横截面半径在50到4米，倾角为25°，表面布满砾石、沙子、熔岩壳的洞穴中穿越了235米。接着Coyote III利用其搭载的ToF相机，在行进过程中不断采集洞穴内部的点云数据。这些数据被离线处理后，生成了洞穴的三维重建模型，成功完成其洞穴探索任务。