首個被NASA派往國際空間站的宇航機器人，現在怎麼樣了？

因神秘的硬體問題，現在它不得不回到地球老家修理。

編譯 | 白悅

來源 | IEEE Spectrum

作者 | Evan Ackerman & Erico Guizzo

2011 年 2 月，NASA 向國際空間站發射 Robonaut 2 太空機器人。這對於身處休斯頓 NASA 約翰遜航天中心的 Robonaut 團隊來說，是一個巨大的成就。

當然，Robonaut 並不是太空中的唯一機器人，不過它的特別之處在於，是第一個去地球以外的地方執行任務的先進人形機器人。

在國際空間站上，機器人會與宇航員並肩作戰，主要工作任務在於執行國際空間站中危險及重複的太空作業，以節省人手和時間使得空間站的其他宇航員可以從事其他太空研究工作。

事情一度進展地很順利。機器人從泡沫封裝中取出後，被安置在命運號實驗艙中。

2011 年 8 月，Robonaut 首次投入使用。一直到 2012 年，它都在進行著根據地面的遠程操控執行按開關和清潔扶手的訓練。

大約每一個月左右，宇航員就會設置一次 Robonaut，然後讓它去空間站執行幾個小時的研究任務。人們希望 Robonaut 可以從一個實驗項目轉變成一個人類航天器中的有用幫手。

同人類宇航員一樣，機器宇航員 Robonaut 也有自己的 Twitter 賬號，上面寫著：「快看看我，我在太空里呢！」

但在 2014 年，事情出現了轉機，NASA 決定開展一項較為複雜且頗具風險的升級。

此前，送到國際空間站的 Robonaut 只是有一對胳膊、頭部和軀幹，現在 NASA 想要給它加上一雙腿。

這樣做的目地是讓 Robonaut 可以更加方便地在空間站里移動。可以擺動的細長的腿幾乎可以算得上是機器人的第二雙手臂，這樣它們就能通過握住扶手在空間站周圍移動，功能將得到顯著的增強。

然而，這項升級卻並沒有按計劃實現，反而產生了一些宇航員長期以來無法解決的問題。

在過去幾年裡，Robonaut 幾乎是毫無建樹的。國際空間站狀態報告顯示，上一次機器人完成全部科研任務的時間是在 2013 年 12 月。近日，NASA 宣布，Robonaut 2 將返回地球由地面的工作人員進行修理。

2013 年 1 月，Robonaut 在執行任務

事實上，讓 Robonaut 移動是 NASA 對宇航機器人的長期規劃中的一個環節。NASA 最初打算將 Robonaut 的操作能力分為三個階段。

第一階段是固定作業，2013 年底，Robonaut 軀幹就成功完成了這項任務。第二階段是艙內活動，在這個階段，Robonaut 需要在國際空間站內移動，因此引入了腿。而腿也是第三階段艙外活動的關鍵，這一階段要在站外的真空中工作，而這種情況下需要對機器人的重要硬體進行更多的升級。

「空間站計劃一直在擴展我們所能觸及的能力邊界，」NASA 約翰遜航天中心 Robonaut 項目經理 Julia Badger 接受採訪時說道，「如果機器人能夠走動，那麼就可以去做物流管理，或是清理、修理過濾器。移動是我們開發和測試的下一個級別的功能。」

Robonaut 的腿

但是，給國際空間站里的 Robonaut 添加新的腿並不是簡單地把這些部件運送到空間站，而是要把它們連接到 Robonaut 的軀幹上。

腿部的安裝需要升級大量 Robonaut 的核心硬體，包括新的計算機以及連接腿和機器人主處理器的接線，這其中還涉及複雜的機械裝配過程。更難的地方是，Robonaut 最初是一個在地球上使用的研究機器人。Badger 說：「Robonaut 根本不是設計給宇航員使用的。它是一個實驗室機器人，只是我們找機會把它送上了太空而已。」

即使是 NASA，對於這次添加腿部的升級也很費勁。

當被問及團隊是否有信心時，Badger 說：「我絕對不認為我們有信心，國際空間站主要是嘗試新鮮事物，我們在開發這些程序的過程中學到了很多東西，也讓宇航員完成了複雜的手術。」

她補充說，宇航員「做得很好」，機器人的問題沒有解決與宇航員無關，主要原因在於硬體的複雜性。

在國際空間站接受手術的 Robonaut

NASA 預計，在地球上 Robonaut 團隊需要 14 個小時才能完成的腿部升級，需要花費宇航員大約 20 個小時的時間完成，不過實際上最後用了 40 個小時。2014 年 7 月 16 日，這項工作開始了，並在 8 月 28 日成功結束。

可是緊接著，NASA 約翰遜航天中心的 Robonaut 團隊就意識到出現了一些問題。

8 月 29 日，宇航機器人只有部分通電，但人們無法在地面上看到任何遙感勘測信號。不久，通過固定一根鬆動的導線，機器人通過了檢驗，但在 12 月 17 日的又一次操作中（升級後第一次用電動機對 Robonaut 通電時），它的腿不能移動了。

2014 年完成升級後，NASA 宇航員 Steve Swanson 和 Robonaut

2015 年 1 月到 8 月，宇航員和地面上的團隊記錄了宇航機器人一系列不穩定的行為，包括感測器故障、通信故障以及重複的處理器鎖定。到了 9 月份，持續的故障診斷表明問題出在了 Robonaut 處理器的電源上。

Badger 表示：「使用我們的操作窗口開始讓計算機開始失去電力了，而且隨著時間的推移情況會越來越嚴重。經過一段時間的電力循環情況會有所改善。但問題是，這種情況是間歇性的，有時我們可以打開計算機，有時計算機卻會立即失效，所以數據並不可信，這是非常混亂的。」

卡內基梅隆大學的機器人專家 David Wettergreen 專門研究進行星際探測的自動化機器人。他解釋說，機器人系統的複雜性使錯誤的檢測和預防成為了一項艱巨的任務。

「對於簡單的系統來說，如果運行不正常，我們可以對它進行調試和修復，就像你的車。但如果是一個很難理解的機器人系統，如一個自主水下飛行器，或者說是那些把安全擺在第一位的機器，如一輛自動駕駛汽車，那就要在事前理解和最小化所有的失效模式，不然的話，機器人就需要有自我診斷和修復的能力。」他補充道，讓事情更具挑戰性的是，像容錯和故障恢復這類技術都是需要大量實踐的研究領域。

「Robonaut 必須結實又安全，所以系統工程需要處於技術的尖端。」他說道。

國際空間站每日的總結報告呈現了站上的宇航員和地面上的 Robonaut 團隊為了掌握機器人故障所作的努力。

到了 2016 年的時候，看樣子 Robonaut 已經被拆分且每一部分都被認真地展開分析了。

宇航員 Tim Kopra 安裝了一台抓拍到標準清晰視頻的攝像機，可以拍攝 Robonaut 操作系統下行鏈路。他使用示波器、萬用表和電流探頭，通過分離控制器卡並在不使用控制器卡的情況下成功給 Robonaut 供電，幫助指導地面上的團隊解決這一問題。今天收集的數據將在地面上分析，以確定電源故障的原因。

——摘自國際航空站的每日總結報告，2016 年 3 月 23 日

NASA 約翰遜航天中心的 Robonaut 團隊猜測，兩張控制器卡可能是肇事者，他們甚至把這兩張卡運回地球進行了測試。但在實驗室進行了檢測後，卡片沒有問題。因此，還要繼續展開搜索，團隊開始檢查每一個部件，包括機器人內部的大量電纜：

宇航員在 Robonaut 底盤上進行了故障排除。以前的故障診斷表明，可能出現問題的兩張卡已經在地面上完成了測試，排除了問題。今天，團隊首次在通電時得到了 Robonaut 的良好回應。工作中 Robonaut 的指示燈與預期的一樣。在嘗試減小間歇性故障狀態時，團隊執行了各種電源循環。最後，團隊排除了其中幾條電纜的故障可能性。控制卡未從 CPCI[小型外圍組件互連] 底盤中移除並保持安裝狀態，所有電纜保持連接狀態。團隊計劃分析結果以採取下一步行動。

——摘自國際航空站的每日總結報告，2017 年 2 月 1 日

太空硬體在送往太空之前是經過了艱苦的設計、構建和測試的，但讓人驚訝的是，NASA 的機器人專家無法更快地完成診斷並解決問題。

不過，宇航員們正在研究的國際空間站 Robonaut 與約翰遜航天中心的其它五個 Robonaut 略有不同。Badger 表示，空間站 Robonaut 是一個 R2-B 模型，而地球上的機器人是 R2-C，後者是「相當重要的設計迭代」。而在問題出現的多年後，這些差異最終給出了問題的答案。

2017 年 2 月 1 日，宇航員 Peggy Whitson、Shane Kimbrough 和 Thomas Pasquet 修理 Robonaut

「我們花了很長時間才弄明白是怎麼回事。但最終結果是這個空間站機器人丟失了從計算機機箱到地面的鏈接路徑。目前它正在尋找另一個路徑，而這使機器人慢慢退化。因為這個軌道上的機器人與地面上的機器人不同，所以沒有地面路徑就是一個錯誤，而且很難找到。」Badger 說。

這意味著，機器人的某些電路和處理器可能根本就沒有電，而其它組件則因過大的電流而被燒壞。這個錯誤正在慢慢殺死 Robonaut。

來自卡內基梅隆大學的 Wettergreen 表示自己也遇到過類似的情況。他說：「接地迴路的錯誤最初看起來與根本原因無關，但卻可能使電子設備出現各種奇怪的癥狀。調試需要很長時間，因為問題不容易重現，而且也不會經常發生。」

「和 @AstroRobonaut 專家解決一些技術問題進行故障排除，」宇航員 Tim Kopra 在 2016 年 3 月發推文，「但它還沒有被完全修好。」

2017 年 8 月，宇航員嘗試安裝了接地跳線，但並沒有解決問題。

Badger 解釋說，他們想要加跳線的地方被一種特殊的密封劑覆蓋，該密封劑可以保護敏感部件，使其避免由於國際空間站周圍漂浮的異物所引起的短路。宇航員要試圖把這些去掉。

「這並不容易。」，Badger 說，「關於這些連接是否有效還存在一些疑問，我們相信缺少導線還可能引起其它問題。」

事實上，其它可能出現的問題也非常令人擔憂。即使最初的接地問題已經被解決，Robonaut 團隊也不確定是否還存在另外的問題。

Robonaut 幾乎肯定會因電流未經檢查地流過計算機機箱而導致明顯的退化，但團隊也會嘗試一下其它的方向。當 NASA 問他們是否想在接下來的補給任務的回程航班上用一些空餘的貨艙將 Robonaut 帶回家時，團隊同意了。

根據他們掌握的設備損害程度，他們計劃修復國際空間站 Robonaut 並將其送回站內，或將其換為約翰遜航天中心的另一個 R2-C 機器人，然後將其發送。

Badger 並沒有提供將 Robonaut 送回國際站的時間表。這是一個沒有保證的任務，也是一個較大的挑戰。而且，他們的第二次發送可能還不能給機器人連接腿。儘管 Badger 承諾，如果是這樣的話，「重新整合將會相對簡單。」

「@Astro_sabot（宇航員 Mark T. Vande Hei）和我準備好要把 Robonaut 帶回地球進行維修和翻新。」Joseph M. Acaba 發推文，並附上了一張 2 月 9 日的照片。「我們期待它的回歸。」

2018 年 2 月，Robonaut 被打包送回地球。

Badger 說：「國際空間站是要嘗試不同的事情。我認為 Robonaut 讓我們了解了許多關於未來太空中人形機器人的知識。現在，我們將它帶回家修理，在不久的將來，我們也希望能再次把它送回去，繼續幫助我們完成探索最新技術的初心。」

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