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無(wú)人機(jī)洞穴掃描技術(shù)：科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

2019-04-25 08:59 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 來(lái)源：牧夫天文
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電影《普羅米修斯》中的“普羅米修斯”號(hào)飛船。Credit: 20th Century Fox  六年前，2012年9月2日，開(kāi)學(xué)前的最后一個(gè)周日，科幻電影《普...

電影《普羅米修斯》中的“普羅米修斯”號(hào)飛船。Credit: 20th Century Fox

  六年前，2012年9月2日，開(kāi)學(xué)前的最后一個(gè)周日，科幻電影《普羅米修斯》在中國(guó)的各大影院上映。在電影里面，人類乘坐“普羅米修斯”號(hào)飛船于2093年抵達(dá)LV-223星球，開(kāi)始探索“造物者”們留下的地下洞穴。進(jìn)到未知而黑暗的洞穴后，兩顆小球從一位飛船組員的手中一躍而起，開(kāi)始自動(dòng)為整個(gè)洞穴建立3D模型。

  科幻電影里的這一幕時(shí)隔僅僅6年就在地球上成為了現(xiàn)實(shí)。

  2019年3月19日，美國(guó)加州硅谷山景城。SETI協(xié)會(huì)（尋找地外文明協(xié)會(huì)，The Search for Extra-terrestrial Intelligence Institute）和天械科技公司（Astrobotic Technology, Inc.）聯(lián)合發(fā)表聲明，宣布搭載了LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)的無(wú)人機(jī)成功為冰島的一個(gè)熔巖洞進(jìn)行了全自動(dòng)3D建模。

  這次建模的對(duì)象是冰島北部米湖區(qū)域的Lofthellir熔巖管冰洞，研究團(tuán)隊(duì)用無(wú)人機(jī)成功記錄了此熔巖洞的形狀、大小、巖石掉落歷史和冰柱的形成。Lofthellir翻譯成中文是空氣洞，形成于3500年前的一次火山噴發(fā)，常年溫度低于冰點(diǎn)的它有著永不融化的天然冰雕和壯麗的熔巖地形，吸引很多游客前來(lái)觀賞。

視頻截圖：位于冰島北部的米湖區(qū)域。這里的地質(zhì)環(huán)境和月球/火星相近，所以曾經(jīng)被拿來(lái)測(cè)試月球/火星探索技術(shù)。“阿波羅計(jì)劃”的宇航員們50年前曾在同一個(gè)區(qū)域進(jìn)行過(guò)地質(zhì)實(shí)地訓(xùn)練。Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Lee et al. 2019

  本次研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，SETI協(xié)會(huì)的行星科學(xué)家——李天龍博士(Dr. Pascal Lee)說(shuō)：“我們這次選擇去冰島的這個(gè)熔巖管冰洞，是因?yàn)樗倪@種多冰環(huán)境讓危險(xiǎn)和機(jī)遇并存。它可以使我們?yōu)閷?lái)探索月球/火星上的熔巖洞做好準(zhǔn)備。而目前我們很看好的一種探索方法就是使用無(wú)人機(jī)?！?

無(wú)人機(jī)用LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)掃描洞穴生成的3D模型，圖中顯示了模型中位于Lofthellir熔巖洞“天窗”(Skylight)入口附近的部分。（上：此區(qū)域的鳥(niǎo)瞰圖；下：熔巖洞入口附近的3D模型；中：鳥(niǎo)瞰圖和3D模型的合成圖）Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Lee et al. 2019

  月球和火星的表面環(huán)境非常極端，時(shí)刻接受著強(qiáng)烈的宇宙輻射、巨大的日夜溫差、和來(lái)自微隕石的撞擊洗禮。幸運(yùn)的是，它們的表面都有不少天然洞穴開(kāi)口，這讓我們可以接觸到被保護(hù)起來(lái)的地下環(huán)境。將來(lái)這些洞穴也可以當(dāng)作天然保護(hù)罩，用來(lái)儲(chǔ)存物資或?yàn)樘剿髡邆兲峁┒唐?長(zhǎng)期居住。

  其中，在月球北極附近或火星巨型火山側(cè)邊發(fā)現(xiàn)的洞穴還有可能藏有珍貴的、沒(méi)有被表面極端環(huán)境洗禮過(guò)的冰，它們是科學(xué)家研究月球和火星水歷史的關(guān)鍵。這些洞穴所在的位置足夠寒冷，使它們可以通過(guò)一種叫“冷阱”(cold-trapping)的過(guò)程留存住冰?；鹦堑乃畾v史可以為我們尋找火星生命提供重要線索。如果方便獲取的話，這些冰同時(shí)也會(huì)為人類探索者提供寶貴的水資源。水不僅可以用來(lái)提供生命支持，還可以被分解成氫和氧作為火箭燃料使用。

  這些月球和火星上的洞穴開(kāi)口多數(shù)都是在火山地形，或是被隕石/彗星撞擊過(guò)的地區(qū)發(fā)現(xiàn)的?；鹕交顒?dòng)或者猛烈撞擊時(shí)產(chǎn)生的高溫熔化了巖石，形成了這些洞穴。而這次科學(xué)家測(cè)試無(wú)人機(jī)洞穴掃描技術(shù)的地球洞穴屬于熔巖管地形，和月球/火星上的洞穴相似。熔巖管是當(dāng)巖漿表面冷卻硬化，內(nèi)部卻繼續(xù)流動(dòng)時(shí)形成的。顧名思義，它是一種管狀的地下洞穴結(jié)構(gòu)。

照片左下角是由天械科技公司研發(fā)的無(wú)人機(jī)，它搭載了LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)。照片中它正停在冰面上，等待開(kāi)始它的洞穴掃描任務(wù)。Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Dubai Future Foundation/Lee et al. 2019

  “小型的全方向航天器是探索地球、月球、火星熔巖管的理想工具。它不需要和熔巖管崎嶇不平的巖壁做直接接觸，所以行動(dòng)上自然不受到巖壁形狀的限制。靈活的無(wú)人機(jī)可以在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入、掃描、離開(kāi)洞穴，把數(shù)據(jù)發(fā)回地球并同時(shí)充電或補(bǔ)充燃料。它們還可以被用來(lái)采集樣本。”安德魯?霍希勒(Andrew Horchler)博士說(shuō)道。他是天械科技公司的未來(lái)任務(wù)與技術(shù)總監(jiān)，天械科技公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)此次任務(wù)用到的無(wú)人機(jī)LiDAR洞穴掃描技術(shù)。

  地球上的無(wú)人機(jī)都是用螺旋槳提供動(dòng)力移動(dòng)和飛行。但由于月球上沒(méi)有大氣，而火星高海拔洞穴空氣稀薄，未來(lái)探索時(shí)的無(wú)人機(jī)需要使用噴射式推進(jìn)器提供動(dòng)力，這會(huì)是科學(xué)家將來(lái)需要考慮的問(wèn)題。而這次任務(wù)主要著重于驗(yàn)證無(wú)人機(jī)在無(wú)光、無(wú)GPS、無(wú)事先輸入地圖的情況下自主掃描含冰巖洞的可行性。

  這次任務(wù)使用的軟件系統(tǒng)——AstroNav，是天械科技公司和NASA簽訂的研究合同的一部分。它使得無(wú)人機(jī)可以全自動(dòng)地探索地下環(huán)境。AstroNav兼容立體視覺(jué)技術(shù)和LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)，讓無(wú)人機(jī)可以實(shí)時(shí)地在無(wú)GPS的陌生環(huán)境下快速移動(dòng)。

  這種整合多個(gè)/多種傳感器的技術(shù)在探索復(fù)雜地形時(shí)是非常必要的。LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)適合在地底黑暗環(huán)境中使用，而基于光學(xué)相機(jī)的立體視覺(jué)則更適用于光線充足的開(kāi)放式區(qū)域。假如無(wú)人機(jī)可以在飛行途中自由地在兩種技術(shù)中切換，那它就可以不依靠人類從而自行進(jìn)出洞穴進(jìn)行探索。

  “天械科技公司的無(wú)人機(jī)和LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)在本次任務(wù)中表現(xiàn)良好，讓我們可以在短短幾分鐘內(nèi)獲取到Lofthellir熔巖管冰洞的3D地圖。從它的形狀、大小，到巖石瀑布、冰柱、微冰川的分布，我們現(xiàn)在可以說(shuō)是對(duì)它了如指掌?！崩畈┦空f(shuō)道。

由搭載了LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)的無(wú)人機(jī)掃描洞穴制作而成的Lofthellir熔巖管冰洞主腔室3D地圖。圖中顏色為標(biāo)高（指該位置與平均海平面之間的垂直距離），從低到高依次為紫藍(lán)綠黃紅。圖中文字為知名的天然冰雕或天然石雕。Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Lee et al. 2019

  這是人類第一次用無(wú)人機(jī)結(jié)合LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)掃描冰洞或熔巖洞?；粝＠詹┦勘硎荆骸拔覀冞€有很長(zhǎng)的一條路要走才能開(kāi)發(fā)出一套可以在月球或火星上運(yùn)行的系統(tǒng)，但這次探索含冰熔巖管是非常重要的第一步?！保ㄐ【幾ⅲ罕敬稳蝿?wù)的數(shù)據(jù)采集實(shí)際上發(fā)生在2018年10月11日。早在 2017年12月澳洲的一家名為Emesent的公司已經(jīng)成功在干燥的礦洞里用無(wú)人機(jī)結(jié)合LiDAR技術(shù)進(jìn)行探勘。但礦洞屬于人造洞穴，較為平整，而本次任務(wù)是天然洞穴且為含冰環(huán)境，勘探難度較高，用到的技術(shù)也不一樣。）

  在月球和火星上的洞穴毫無(wú)置疑是未來(lái)人類或機(jī)器人探索任務(wù)的目標(biāo)。而Lofthellir熔巖管冰洞毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)在其中起到很重要的作用，因?yàn)?0年前“阿波羅計(jì)劃”的宇航員正是在它所在的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)實(shí)地訓(xùn)練的。“Lofthellir熔巖管冰洞當(dāng)時(shí)還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，但隨著我們?yōu)橹胤翟虑蚝吞ど匣鹦亲鰷?zhǔn)備，新一代的宇航員完全可以回來(lái)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行訓(xùn)練。我個(gè)人絕對(duì)推薦把Lofthellir放入他們的課表里?！崩畈┦看蛉さ?。

  這次研究的結(jié)果發(fā)表于第50屆月球和行星科學(xué)會(huì)議（2019年3月18日至22日在德克薩斯州休斯頓召開(kāi)。

左：月球靜海上一個(gè)直徑80米的坑洞。Credit: NASA/LRO；右：藝術(shù)概念圖，噴射式飛行器探索月球上的一個(gè)坑洞。Credit: Pascal Lee

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