NASA的火星车即将改写距离纪录
在接下来的一周内，NASA的Perseverance火星车预计将超过在火星上行驶45.16公里，即28.06英里，成为在另一颗世界上旅行最远的车辆。这一里程碑将使它超过Opportunity号，这辆老牌火星车在2018年与NASA失去通信，但它曾塑造了现代火星探索的面貌。
单看行驶距离固然重要，但更大的故事在于Perseverance是如何这么快走到这一步的。火星车于2021年2月登陆火星，这意味着它大约只用了Opportunity所花时间的三分之一，就接近了这一纪录。关键差别并不是通常意义上的速度。与地面车辆相比，Perseverance依然是一台缓慢的机器。真正的升级在于自主能力。
根据NASA的Perseverance项目经理Steven Lee的说法，这辆火星车的自动导航系统是实现这一切的关键技术。借助车载摄像头和软件，Perseverance能够对周围地形成像，在本地处理这些图像，并在继续前进的同时计算安全路线。这种能力把火星车从“停下思考”式驾驶，变成了更接近连续移动的操作。
一辆能在轮子转动时思考的火星车
地球上的自动驾驶系统通常依赖清晰的道路标线、高精地图和交通规则。火星没有这些便利。相反，火星车必须应对岩石、沙质斜坡、未知抓地力，以及一片任何路线本质上都属于越野的地形。这让自主移动既更困难，也更关键。
Perseverance的优势来自一个更强大的车载计算系统，名为Vision Compute Element。Lee将它与更早发射、至今仍在火星上运行的Curiosity火星车所采用的旧式计算架构进行了对比。Curiosity也有相关的成像和导航算法，但其硬件能力要弱得多。它的一些芯片组甚至可以追溯到20世纪90年代，这限制了它在实践中能完成多少自主驾驶。
结果就是明显的运行分化。Curiosity只有大约10%的行驶是自主完成的，因为它的处理速度太慢，无法支持大规模实时路径规划。相比之下，Perseverance大约90%的行程都是自主完成的。这并不意味着它在人类意义上很快。它的最高轮速也只有每小时约150米。它真正带来的是效率提升。火星车不再需要花同样多的时间停下来评估地形，然后再继续前进。
如果只看峰值速度，这种变化很容易被忽视。在火星上，平均推进比最高速度更重要。能够在较长路段上稳定、安全前进的火星车，几个月或几年内能覆盖的地面，远比频繁停下来做导航决策的火星车更多。因此，Perseverance即将创下的纪录，与其说是机械成就，不如说是软件成就。
为什么机动能力会改变科学工作
火星上的距离并不是一个虚荣指标。每多一公里，都扩大了火星车能够抵达的科学目标范围，也扩大了它能够重建的地质故事。Perseverance降落在耶泽罗陨石坑，这里之所以被选中，是因为它保留了古代三角洲系统的痕迹。这项任务包括研究这些岩石、收集样本，并帮助科学家理解该地区过去是否曾具备支持微生物生命的条件。
更好的自主驾驶直接有利于这项任务。火星科学受到时间、电力、地形以及与地球通信窗口的限制。如果火星车更多的运行预算都被谨慎移动消耗掉，那么可用于抵达露头、攀爬坡面和把仪器放到最有用位置上的时间就会减少。通过让火星车自行处理更多路径搜索，自主能力扩大了实际探索半径。
这一里程碑也说明了行星探索中的一个更广泛事实：计算能力如今已成为机动系统的一部分。轮子、悬挂和电机仍然重要，但它们不再单独决定性能。能够感知地形、识别危险并在本地做出路线决策，已经同等重要。从这个意义上说，Perseverance的纪录不仅是它跑赢了前辈，也体现了机器人探索器设计方式的转变。
这种转变可能会影响远不止火星的未来任务。随着目的地越来越遥远，或操作复杂度越来越高，地球与航天器之间的通信延迟会让车载决策更显重要。一个能够在无需持续人类指令的情况下导航、排序和适应环境的机器人，能够更有效地利用宝贵的任务时间。
从火星车到场景化自主能力的试验场
Perseverance的成功也凸显了对地球同样重要的自主能力：能够在非结构化环境中工作的系统价值。城市中的自动驾驶汽车是一类问题，而矿区、农场、灾害现场、军事物流通道或行星表面的自主机器则是另一类问题。在这些场景中，可能没有车道线，没有精细地图，也没有可预测的车流。机器必须理解粗糙环境，并持续安全移动。
火星是这种工程的终极压力测试。这里没有道路救援，没有快速维修，也没有在鲁莽冒险上的余地。每一次行驶都把谨慎与科学进展的需求结合在一起。也正因如此，NASA的自主导航工作引发了空间领域之外的关注。它集中展示了，当可靠性比噱头更重要时，实用机器人技术会是什么样子。
Opportunity漫长的服役生涯仍将是探索机器人领域的伟大成就之一，而Curiosity至今仍在持续产出科学成果。但Perseverance即将打破的纪录标志着一个新阶段。它不仅是在长时间运行，更是在以一种高度自主的移动能力运行，这种能力实际上改变了任务节奏。
如果它在接下来几天内如预期那样超过Opportunity的总里程，头条将是另一颗世界上的新纪录。但更深层的意义在于，NASA已经展示了一台机器人如何在被信任去观察、决策和自主驾驶时持续取得进展。在火星上，这种能力不再是实验性的。它如今正是记录被改写的原因。
本文基于 Ars Technica 的报道。阅读原文。
Originally published on arstechnica.com