工程師們在一個競賽池中測試了一個雄心勃勃的任務概念的機器人原型–一群水下探險者正在尋找外星海洋世界的生命跡象。 NASA 即將對木衛二執行的任務將部署先進的機器人來探測其冰冷海洋中的生命。 這些機器人是SWIM計畫的一部分，已經在地球上和透過模擬進行了嚴格的測試，以應對地外條件。

在”獨立微型游泳者感測（SWIM）”概念中（如圖所示），數十個小型機器人將透過一個低溫機器人（如左圖所示）穿過遙遠月球的冰殼，到達下面的海洋。 該項目獲得了美國宇航局創新先進概念計劃的資助。 資料來源：NASA/JPL-Caltech

探索木衛二：NASA 雄心勃勃的任務

當NASA的”歐羅巴快船號”於2030年抵達木星的衛星木衛二時，它將利用一套功能強大的科學儀器進行49次飛越，尋找木衛二冰殼下的海洋可能孕育生命的證據。 該航天器於10月14日發射，配備了迄今為止送往外太陽系的最先進的科學技術。 然而，就在它開始執行任務的同時，美國國家航空暨太空總署的團隊已經在設計下一代機器人探測器，以便更深入地探索歐羅巴隱密的海洋及其他地方，推動科學發現的發展。

其中一個創新概念名為SWIM，是”獨立微型游泳者感測”的簡稱。 該計畫設想部署一群微型自走式機器人，每個機器人只有手機大小。 這些機器人將由冰融低溫機器人送到海洋表層下。 一旦被釋放，它們就會分散開來進行探索，尋找可能指向生命存在的化學和溫度訊號。

在這幅插圖中，美國國家航空暨太空總署（NASA）一個名為”利用放射性同位素進行冰月探測”（PRIME）的太空探索概念被描繪成從一個著陸器部署在一個海洋世界的冰凍表面上。 這個核動力探測器也被稱為低溫機器人，在地表下的海洋中閃爍著紅光，同時透過通訊繫繩與冰殼上數英里高的著陸器相連。 楔形、手機大小的機器人–另一個概念，稱為”獨立微型游泳者感測”（Sensing With Independent Micro-Swimmers，簡稱SWIM）–在水下旅行，在探測器的熱量之外進行科學研究。 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

“人們可能會問，NASA 為什麼要開發用於太空探索的水下機器人？這是因為我們想去太陽系的某些地方尋找生命，而我們認為生命需要水。” 位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室的SWIM首席研究員伊森-沙勒（Ethan Schaler）說：”因此，我們需要能夠在離家數億英里的地方自主探索這些環境的機器人。”

在噴射推進實驗室的開發過程中，SWIM概念的一系列原型最近在帕薩迪納加州理工學院的一個25碼（23公尺）比賽游泳池中進行了測試。 測試結果令人鼓舞。

9月，在加州理工學院進行的一次泳池測試中，一個旨在探索冰衛星地下海洋的機器人原型倒映在水面上。 該測試由美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室（NASA’s Jet Propulsion Laboratory）進行，測試顯示了微型游泳機器人群任務概念的可行性。 圖片來源：NASA/JPL-CaltechSWIM 實踐

SWIM 團隊的最新迭代產品是一個3D 列印塑膠原型，它依賴低成本的商用馬達和電子設備。 在兩個螺旋槳和四個襟翼的推動下，該原型機展示了可控的機動性、保持和修正航向的能力，以及來回”割草機”式的探索模式。 所有這些都是自主完成的，無需團隊的直接幹預。 機器人甚至能拼出”JPL”。

為了以防萬一，機器人被拴在一條魚線上，每次測試時，都有一名工程師拿著釣竿在水池邊小跑步。 在旁邊，一位同事用筆記型電腦查看機器人的動作和感測器數據。 團隊在游泳池和JPL 的兩個水箱中完成了20 多輪各種原型測試。

沙勒說：『從零開始製造一個機器人，並看到它在相關環境中成功運行，這真是太棒了。一般來說，水下機器人是非常困難的，這只是我們為準備前往海洋世界而進行的一系列設計中的第一個。

右邊是最終設想的SWIM機器人模型，旁邊還有一個裝有海洋成分感測器的太空艙。 該感測器於2023 年7 月在阿拉斯加冰川上進行了測試，測試是透過JPL 領導的一個名為ORCAA（海洋世界勘測和天體生物學特徵模擬）的計畫進行的。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

邁向自主海洋探索

大多數水池測試中使用的楔形原型機器人長約16.5 英吋（42 公分），重量為5 磅（2.3 公斤）。 按照太空飛行的設想，這種機器人的尺寸將縮小約三倍–與現有的遙控和自主水下科學飛行器相比微不足道。 這些手掌大小的游泳機器人將採用微型化的專用零件，並採用新型無線水下聲學通訊系統來傳輸資料和三角定位。

這些小機器人的數位版本也得到了自己的測試，但不是在游泳池裡，而是在電腦模擬中。 在與木衛二上可能遇到的壓力和重力相同的環境中，5英寸長（12厘米長）的虛擬機器人群反覆尋找潛在的生命跡象。 電腦模擬有助於確定機器人在未知環境中收集科學數據的能力極限，並有助於開發演算法，使機器人群能夠更有效地進行探索。

9月，在加州理工學院進行的一次泳池測試中，一個用於探索冰衛星地下海洋的機器人原型倒映在水面上。 該測試由美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室（NASA’s Jet Propulsion Laboratory）進行，測試顯示了微型游泳機器人群任務概念的可行性。 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

模擬也幫助研究團隊更了解如何在考慮電池壽命（最長兩小時）、游泳者可探索的水體體積（約300萬立方英尺，或8.6萬立方公尺）和單一蜂群中的機器人數量（十幾個，分四到五個波次發送）之間的權衡的同時，最大限度地提高科學回報。

此外，亞特蘭大佐治亞理工學院的合作團隊還製造並測試了一種海洋成分感測器，使每個機器人都能同時測量溫度、壓力、酸鹼度、電導率和化學成分。 該晶片只有幾毫米見方，是首個將所有這些感測器整合在一個微型封裝中的晶片。

當然，這樣先進的概念還需要幾年的努力，才能為未來可能的冰月飛行任務做好準備。 同時，Schaler 設想，SWIM 機器人有可能被進一步開發，用於在國內開展科學工作：支持海洋學研究或進行極地冰層下的關鍵測量。

以獨立微型游泳機器人感知SWIM 的圖示。 資料來源：Ethan Schaler

關於SWIM 的更多信息

SWIM是美國國家航空暨太空總署（NASA）的創新項目，由加州理工學院噴射推進實驗室（JPL）管理，並由NASA的創新先進概念（NIAC）計劃資助。 該計畫設想了一群小型自主游泳機器人，用於探索木衛二等冰衛星的地表下海洋，尋找生命跡象。 這些手機大小的機器人由冰雪融化低溫機器人運送，它們將分散開來探測化學和溫度訊號，這些訊號可能預示著宜居性或生命。

在美國國家航空暨太空總署太空技術任務局NIAC第一和第二階段資金的支持下，SWIM是一項評估能夠改變未來任務的尖端技術的計畫的一部分。 我們鼓勵來自美國政府、工業界和學術界的研究人員為該計劃提交建議，推動航空航天和太空探索的發展。編譯自/ 

ScitechDaily