一款僅烤面包機(jī)大小的機(jī)器人剛剛在自主太空導(dǎo)航領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。斯坦福大學(xué)研究人員首次在國(guó)際空間站（ISS）上成功演示了一套基于機(jī)器學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)，標(biāo)志著軌道機(jī)器人技術(shù)的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)由機(jī)器人主導(dǎo)、僅需極少人類(lèi)干預(yù)的太空任務(wù)鋪平了道路。

此次實(shí)驗(yàn)以已在國(guó)際空間站部署的立方體形自由飛行機(jī)器人“Astrobee”作為測(cè)試平臺(tái)，新系統(tǒng)使其能夠在不依賴(lài)宇航員直接操控的情況下，安全穿越空間站狹窄的通道和布滿設(shè)備的內(nèi)部環(huán)境。

該研究成果已在 2025 年國(guó)際空間機(jī)器人大會(huì)（iSpaRo）上發(fā)表并展示。

更智能的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

據(jù)了解，國(guó)際空間站內(nèi)部結(jié)構(gòu)密集、相互連通，充斥著儲(chǔ)物架、計(jì)算機(jī)、線纜及各類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這種復(fù)雜性給運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。項(xiàng)目首席研究員索姆麗塔?班納吉（Somrita Banerjee）表示，這項(xiàng)工作是她斯坦福大學(xué)博士研究的一部分。她指出，地球上的傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法難以直接應(yīng)用于空間硬件。

“用于運(yùn)行這些算法的星載計(jì)算機(jī)，其計(jì)算資源通常比地面機(jī)器人所用的更為受限，”論文資深作者馬爾科?帕沃內(nèi)（Marco Pavone）解釋道。他補(bǔ)充說(shuō)，與地面機(jī)器人相比，太空環(huán)境具有更高的不確定性，同時(shí)對(duì)安全性提出了更嚴(yán)格的要求。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套基于序列凸規(guī)劃（sequential convex programming）的優(yōu)化系統(tǒng)，用于生成安全且可行的路徑。然而，若每次均從零開(kāi)始求解，將耗費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間，拖慢整體響應(yīng)速度。

為此，團(tuán)隊(duì)利用數(shù)千個(gè)歷史路徑解決方案訓(xùn)練了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型。該模型可提供一個(gè)“熱啟動(dòng)”（warm start），即在優(yōu)化前給出一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)的初始猜測(cè)。雖然所有安全約束條件依然嚴(yán)格保留，但人工智能顯著加速了整個(gè)規(guī)劃過(guò)程。

班納吉將此方法類(lèi)比為：在規(guī)劃城市間路線時(shí)，不是簡(jiǎn)單地畫(huà)一條理論上的直線，而是優(yōu)先參考人們常用的通行路徑?！澳銖囊粋€(gè)有經(jīng)驗(yàn)依據(jù)的起點(diǎn)出發(fā)，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，”她說(shuō)。

在部署至國(guó)際空間站之前，該系統(tǒng)已在 NASA 艾姆斯研究中心（Ames Research Center）的微重力模擬浮空機(jī)器人平臺(tái)上完成地面測(cè)試。當(dāng)實(shí)驗(yàn)正式在空間站展開(kāi)時(shí)，宇航員僅負(fù)責(zé)初始設(shè)置與收尾工作，隨后便退出操作流程。地面團(tuán)隊(duì)則通過(guò) NASA 約翰遜航天中心（Johnson Space Center）遠(yuǎn)程發(fā)送指令。

研究團(tuán)隊(duì)共測(cè)試了 18 條飛行軌跡，每條軌跡分別以標(biāo)準(zhǔn)“冷啟動(dòng)”方式和 AI 驅(qū)動(dòng)的“熱啟動(dòng)”方式各執(zhí)行一次。結(jié)果明確顯示：“在更具挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景下，我們的方法速度提升了 50% 至 60%，”班納吉表示。這些挑戰(zhàn)場(chǎng)景包括狹小空間穿行以及需要復(fù)雜旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的機(jī)動(dòng)操作。

為未來(lái)任務(wù)做準(zhǔn)備

目前，NASA 已將該系統(tǒng)評(píng)定為技術(shù)就緒等級(jí)（Technology Readiness Level, TRL）5 級(jí)，表明其已在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中得到驗(yàn)證，從而降低了未來(lái)任務(wù)提案與實(shí)驗(yàn)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

展望未來(lái)，班納吉強(qiáng)調(diào)，隨著太空任務(wù)不斷拓展，自主性將變得至關(guān)重要?！爱?dāng)機(jī)器人飛得離地球越來(lái)越遠(yuǎn)，且任務(wù)頻率更高、成本更低時(shí)，我們不可能始終依靠地面遙操作來(lái)控制它們，”她說(shuō)。

帕沃內(nèi)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)，采用更強(qiáng)大的人工智能模型 —— 類(lèi)似于當(dāng)前驅(qū)動(dòng)大語(yǔ)言模型和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的核心架構(gòu)，以提升機(jī)器人在深空環(huán)境中的自主決策能力。