一群水下探险机器人正准备寻找外星海洋世界的生命迹象

在"独立微型游泳者传感（SWIM）"概念中（如图所示），数十个小型机器人将通过一个低温机器人（如左图所示）穿过遥远月球的冰壳，到达下面的海洋。 该项目获得了美国宇航局创新先进概念计划的资助。 资料来源：NASA/JPL-Caltech

探索木卫二：NASA 雄心勃勃的任务

当NASA的"欧罗巴快船号"于2030年抵达木星的卫星木卫二时，它将利用一套功能强大的科学仪器进行49次飞越，寻找木卫二冰壳下的海洋可能孕育生命的证据。 该航天器于10月14日发射，配备了迄今为止送往外太阳系的最先进的科学技术。 然而，就在它开始执行任务的同时，美国国家航空航天局的团队已经在设计下一代机器人探测器，以便更深入地探索欧罗巴隐秘的海洋及其他地方，推动科学发现的发展。

其中一个创新概念名为SWIM，是"独立微型游泳者传感"的简称。 该项目设想部署一群微型自走式机器人，每个机器人只有手机大小。 这些机器人将由一个冰融低温机器人送到海洋表层下。 一旦被释放，它们就会分散开来进行探索，寻找可能指向生命存在的化学和温度信号。

在这幅插图中，美国国家航空航天局（NASA）一个名为"利用放射性同位素进行冰月探测"（PRIME）的太空探索概念被描绘成从一个着陆器部署在一个海洋世界的冰冻表面上。 这个核动力探测器也被称为低温机器人，在地表下的海洋中闪烁着红光，同时通过通信系绳与冰壳上数英里高的着陆器相连。 楔形、手机大小的机器人--另一个概念，称为"独立微型游泳者传感"（Sensing With Independent Micro-Swimmers，简称SWIM）--在水下旅行，在探测器的热量之外进行科学研究。 图片来源：NASA/JPL-Caltech

"人们可能会问，NASA 为什么要开发用于太空探索的水下机器人？ 这是因为我们想去太阳系的某些地方寻找生命，而我们认为生命需要水。 "位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的SWIM首席研究员伊桑-沙勒（Ethan Schaler）说："因此，我们需要能够在离家数亿英里的地方自主探索这些环境的机器人。"

在喷气推进实验室的开发过程中，SWIM概念的一系列原型最近在帕萨迪纳加州理工学院的一个25码（23米）比赛游泳池中进行了测试。 测试结果令人鼓舞。

9月，在加州理工学院进行的一次泳池测试中，一个旨在探索冰卫星地下海洋的机器人原型倒映在水面上。 该测试由美国国家航空航天局喷气推进实验室（NASA's Jet Propulsion Laboratory）进行，测试表明了微型游泳机器人群任务概念的可行性。 图片来源：NASA/JPL-CaltechSWIM 实践

SWIM 团队的最新迭代产品是一个 3D 打印塑料原型，它依赖于低成本的商用电机和电子设备。 在两个螺旋桨和四个襟翼的推动下，该原型机展示了可控的机动性、保持和修正航向的能力，以及来回"割草机"式的探索模式。 所有这些都是自主完成的，无需团队的直接干预。 机器人甚至能拼出"J-P-L"。

为了以防万一，机器人被拴在一根鱼线上，每次测试时，都有一名工程师拿着鱼竿在水池边小跑。 在旁边，一位同事用笔记本电脑查看机器人的动作和传感器数据。 团队在游泳池和 JPL 的两个水箱中完成了 20 多轮各种原型测试。

沙勒说："从零开始制造一个机器人，并看到它在相关环境中成功运行，这真是太棒了。一般来说，水下机器人是非常困难的，这只是我们为准备前往海洋世界而进行的一系列设计中的第一个。 但这证明，我们可以制造出具备必要能力的这些机器人，并开始了解它们在执行水下任务时会面临哪些挑战。"

右边是最终设想的SWIM机器人模型，旁边是一个装有海洋成分传感器的太空舱。 该传感器于 2023 年 7 月在阿拉斯加冰川上进行了测试，测试是通过 JPL 领导的一个名为 ORCAA（海洋世界勘测和天体生物学特征模拟）的项目进行的。 资料来源：美国国家航空航天局

迈向自主海洋探索

大多数水池测试中使用的楔形原型机器人长约 16.5 英寸（42 厘米），重 5 磅（2.3 千克）。 按照太空飞行的设想，这种机器人的尺寸将缩小约三倍--与现有的遥控和自主水下科学飞行器相比微不足道。 这些手掌大小的游泳机器人将采用微型化的专用部件，并采用新型无线水下声学通信系统来传输数据和三角定位。

这些小机器人的数字版本也得到了自己的测试，但不是在游泳池里，而是在计算机模拟中。 在与木卫二上可能遇到的压力和重力相同的环境中，5英寸长（12厘米长）的虚拟机器人群反复寻找潜在的生命迹象。 计算机模拟有助于确定机器人在未知环境中收集科学数据的能力极限，并有助于开发算法，使机器人群能够更有效地进行探索。

9月，在加州理工学院进行的一次泳池测试中，一个用于探索冰卫星地下海洋的机器人原型倒映在水面上。 该测试由美国国家航空航天局喷气推进实验室（NASA's Jet Propulsion Laboratory）进行，测试表明了微型游泳机器人群任务概念的可行性。 图片来源：NASA/JPL-Caltech

模拟还帮助研究小组更好地理解了如何在考虑电池寿命（最长两小时）、游泳者可探索的水体体积（约300万立方英尺，或8.6万立方米）和单个蜂群中的机器人数量（十几个，分四到五个波次发送）之间的权衡的同时，最大限度地提高科学回报。

此外，亚特兰大佐治亚理工学院的合作团队还制造并测试了一种海洋成分传感器，使每个机器人都能同时测量温度、压力、酸碱度、电导率和化学成分。 该芯片只有几毫米见方，是首个将所有这些传感器集成在一个微型封装中的芯片。

当然，这样一个先进的概念还需要几年的努力，才能为未来可能的冰月飞行任务做好准备。 与此同时，Schaler 设想，SWIM 机器人有可能被进一步开发，用于在国内开展科学工作：支持海洋学研究或进行极地冰层下的关键测量。

用独立微型游泳机器人感知 SWIM 的图示。 资料来源：Ethan Schaler

关于 SWIM 的更多信息

SWIM是美国国家航空航天局（NASA）的一个创新项目，由加州理工学院喷气推进实验室（JPL）管理，并由NASA的创新先进概念（NIAC）计划资助。 该项目设想了一群小型自主游泳机器人，用于探索木卫二等冰卫星的地表下海洋，寻找生命迹象。 这些手机大小的机器人由冰雪融化低温机器人运送，它们将分散开来探测化学和温度信号，这些信号可能预示着宜居性或生命。

在美国国家航空航天局空间技术任务局NIAC第一和第二阶段资金的支持下，SWIM是一项评估能够改变未来任务的尖端技术的计划的一部分。 我们鼓励来自美国政府、工业界和学术界的研究人员为该计划提交建议，推动航空航天和太空探索的发展。