你是否曾想过，为什么你的高端汽车在光线充足的车库里泊车都费劲，而一台远在1.4亿英里外的机器却能在没有任何人类帮助的情况下穿过巨石堆？这个问题正是“毅力号”（Perseverance）火星车最新里程碑的核心所在。当任务地球上的科技公司还在为车道保持软件和激光雷达（LIDAR）传感器争论不休时，一个六轮机器人正悄无声息地在一个没有道路、没有GPS、也没有修理厂的星球上刷新着行驶距离纪录。
毅力号于2021年2月降落在耶泽罗陨石坑（Jezero Crater）。从那时起，它已从一项科学实验转变为火星探测史上最丰产的旅行者。这台车辆即将跨越45.16公里的终点线。这个距离意义重大，因为它超越了机遇号（Opportunity）火星车保持的终身纪录。机遇号是一台传奇机器，存活了近15年。而毅力号仅用了大约三分之一的时间就达到了同样的里程碑。这种效率是我们对自主机器思考方式发生根本转变的结果。
为持续运动而打造的大脑
要理解为什么毅力号比其前任快得多，我们必须查看其引擎盖下的处理能力。史蒂文·李（Steven Lee）是美国宇航局（NASA）喷气推进实验室毅力号项目的经理。他指出，这一成功的核心驱动力是自动导航系统。在地球上，自动驾驶汽车依赖庞大的云端服务器和预装的高精度地图。毅力号则完全没有这些。它必须使用自己的车载硬件进行实时决策。
火星车配备了一套先进的摄像头来捕捉前方地形。随后，算法会处理这些图像，在尖锐岩石和软沙坑等障碍中寻找安全路径。这听起来很简单，但处理需求却是巨大的。火星车思考的每一秒，都是它停止移动的一秒。对于前几代火星车来说，这段思考时间是一个主要的瓶颈。毅力号通过使用专用的“视觉计算单元”（Vision Compute Element）解决了这个问题。这种硬件允许火星车在车轮转动的同时处理图像并规划路线。
通俗地说，早期的火星车就像一个每走十步就必须停下来看纸质地图的徒步者。毅力号则像一个可以在继续行走的同时查看手机的徒步者。这种边思考边移动的能力，使得火星车目前90%的总行驶里程都是自主完成的。它不再需要等待地球上的人类驾驶员为每一米的行驶发送具体的驾驶指令。
跨越九十年代的局限
从大局来看，性能的飞跃是摩尔定律最终影响到专业航天探测领域的经典案例。好奇号（Curiosity）火星车在尺寸和形状上基本上是毅力号的孪生兄弟。然而，好奇号要慢得多。它只有约10%的驾驶是自主完成的。造成这种差距的原因是其计算机的寿命。好奇号于2011年发射，其芯片组的根源可以追溯到20世纪90年代末。
航天级硬件因必须针对强辐射进行加固而闻名，这往往导致其速度缓慢。这种加固过程通常意味着使用更旧、更稳定的设计，而不是最新的消费级芯片。好奇号的计算机慢到无法同时驾驶和处理图像。它必须停下来，拍一张照片，花几分钟计算接下来的几米，然后再移动。这种循环使得长途旅行成为一个乏味的过程。在火星上的15年里，好奇号行驶了约38.6公里。毅力号在极短的时间内就超过了这个数字，因为其（稍显）现代的硬件终于快到足以跟上它的车轮。
即便拥有这样的速度，火星车也算不上赛车。它的最大轮速约为每小时150米。对于人类来说，这是非常缓慢的爬行。但对于另一个星球上的机器人来说，这种持续、稳定的进展对科学研究来说是颠覆性的。
为什么持续运动改变了科学研究
维维安·孙（Vivian Sun）是该任务的副项目科学家。她解释说，这种驾驶能力是他们研究的效能倍增器。当火星车能移动得更快时，科学家就能拥有更宏大的梦想。在之前的任务中，遥远的地质特征可能被认为无法触及，因为到达那里需要数月甚至数年。有了毅力号，那些遥远的目标现在都在合理的通勤范围内。
毅力号目前正在探索耶泽罗陨石坑。这个地点是地质学家的金矿，因为它包含了一些太阳系中最古老的岩石。这些岩石已有近40亿年的历史。它们可以追溯到内行星仍遭受小行星猛烈轰击的时代。在地球上，板块构造和天气几乎摧毁了那个时代的所有岩石。而在火星上，它们就静静地躺在表面。
科学家认为该区域曾经是一个带有河流三角洲的巨大湖泊。如果火星上曾经存在过生命，证据就在这里。火星车在不同地点之间巡航的能力，使团队能够亲身调查比以往任何任务都更多的地形。机器人经常提前到达新的研究地点。这给了团队更多时间来钻取岩芯样本并分析土壤的化学成分。
为马拉松重新设计轮子
如果车辆散架，速度和智能就毫无用处。火星车最常见的故障点之一就是车轮。火星表面布满了尖锐的火山岩，它们像小刀一样切割着薄薄的铝制车轮。在火星上行驶几年后，好奇号的车轮开始出现明显的孔洞和撕裂。这种损坏迫使操作员必须更加小心地驾驶，并避开某些类型的地形。
对于毅力号，工程师们回到了绘图板前。他们重新设计了胎面花纹并增加了铝材的厚度。到目前为止，结果非常出色。没有出现困扰前一代产品的磨损迹象。团队还在努力认证轮式执行器（转动车轮的电机），使其能够支持至少100公里的行驶。
火星车也是资源管理的专家。它依靠“多任务放射性同位素热电发生器”运行。该装置将钚衰变产生的热量转化为电能。它不依赖太阳能电池板，因此不必担心尘暴或季节更替。它没有可能耗尽的润滑剂或消耗品。它是一个自给自足的核动力侦察兵，旨在持续运行数十年。
这对地球上的驾驶者意味着什么
从实际角度来看，毅力号的成功为复杂环境下的自主运行提供了蓝图。我们在地球上开发的大多数自动驾驶技术都集中在高度结构化的环境中，如高速公路和城市街道。我们假设道路上会有清晰的标线，云端会有可靠的地图。毅力号证明了我们可以构建出在缺乏所有这些基础设施的情况下仍能工作的系统。
这项技术对采矿、农业和搜救等行业具有切实的利益。在坍塌的矿井或偏远的农场，没有高速互联网，地形每天都在变化。视觉计算单元所使用的逻辑——车辆在连续循环中感知并移动——正是这些行业所需要的。它使我们从对云端的依赖转向边缘计算，即机器足够聪明，可以处理自己的问题。
归根结底，毅力号打破纪录的征程不仅仅是电子表格上的一个距离数字。它是机器人哲学的一次转变。我们正在从受远程控制的傀儡机器转向成为探索中真正伙伴的机器。随着火星车继续攀爬耶泽罗陨石坑，它正在教会我们如何为自己的生活构建更具韧性、更独立且更有用的工具。
在执行器和视觉单元这些专业术语背后，教训很简单：导航这个混乱、不可预测的世界最可靠的方法，就是拥有能够随机应变的硬件。无论你是在火星表面还是在莫哈韦沙漠的建筑工地，目标都是一样的。成功在于当周围世界发生变化时，能够保持不断前进的能力。
资料来源
- NASA喷气推进实验室任务状态报告
- 火星2020任务毅力号火星车技术规格
- 项目经理Steven Lee和科学家Vivian Sun的采访
- 好奇号和机遇号火星车的历史性能数据
