
欧洲航空局研发的罗萨琳德·富兰克林火星车的艺术概念图。图片来源:ESA/ATG medialab
美国航空航天局(NASA)开始探索如何让远程车载计算机主导搜寻其他行星上的生命踪迹。来自 NASA 戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的科学家已经公布了第一批新型智能系统成果,这些系统将被安装在太空探测器上,它们能够鉴别出岩石样本中生命的地质化学特征。允许这些智能系统选择分析对象,以及向地球上的我们报告什么内容,将有助于克服向地球远距离传递信息的局限,更好地在遥远行星上搜寻生命踪迹。这些系统将会在 2022/23 ExoMars火星任务中首次亮相,然后更加全面地应用到太阳系更遥远天体的探测任务中。
首席研究员维多利亚·达·珀安(Victoria Da Poian)在国际地球化学年会(Goldschmidt Geochemistry conference)上展示了这项成果,她说:“这是太空探索中富有远见的一步。这意味着随着时间的推移,我们将放弃让人类参与到太空任务的每一步的观念,而是考虑使用装备智能系统的计算机,它们接受训练,自行做出决策,能够优先将最有意思,或者时间上最关键的信息传送回地球。”
埃里克·莱尼斯(Eric Lyness)是 NASA 戈达德太空飞行中心行星环境实验室(Planetary Environments Lab)的软件工程主管,他强调,行星探索需要智能仪器:“将数据传送回地球要花费很长的时间,开销也很大,这意味着科学家们不能凭自己的意愿决定要做多少实验,或者要分析多少数据。仪器收集样本之后,使用人工智能(AI)来执行第一轮数据分析,再传送回地球,NASA 能够优化我们接收到的数据,这将会极大提升太空任务的科学价值。”
维多利亚·达·珀安和埃里克·莱尼斯(两位都在NASA戈达德太空飞行中心工作)已经训练了一批人工智能系统,让它们分析数百份岩石样本,以及数千份来自火星有机分子分析仪(MOMA)的实验光谱。MOMA将会装载在EXOMars的罗莎琳德·富兰克林火星车(Rosalind Franklin Rover)上,于2023年一起登陆火星。MOMA 是基于质谱仪的最先进设备,能够分析并且识别岩石样本中的有机分子。它将会通过分析岩石样本,寻找过去或现在存在于火星地表以及地下的生命踪迹。送往火星的系统仍然会将大部分数据传送回地球,但是之后送往太阳系外的智能系统则被赋予自主权,决定发送哪些信息回地球。

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第一批结果显示,当系统的神经网络算法处理未知化合物光谱时,结果的准确率可以高达94%,与过去见过样本匹配的准确率则有87%。研究人员还会进一步完善系统,直到完全适合2023任务。
维多利亚·达·珀安继续说:“我们从无人(航天)任务中获得的就是数据,大量的数据。对数亿公里之外的地方发送数据,这在不同环境下非常具有挑战性,而且价格极其昂贵,带宽也是有限的。我们需要确定发送回地球的数据的优先级,但还需要保证这么做的同时不会丢失重要信息。这引导我们开始研发智能算法,现在能够帮助科学家分析他们的样本并制定后续操作决策,而我们更长远的目标则是让算法自行分析数据,调节仪器展开后续操作,无须地面反馈回路的参与,最终只将最有意思的数据传送回来。”
团队使用基于地球的MOMA仪器探测到的最初实验测试原始数据,训练计算机来识别出熟悉的模式。当接收到新的原始数据之后,软件会告诉科学家先前遇到的哪些样本与新数据匹配。
埃里克·莱尼斯说:“这一任务将会面临严格的时间限制。当我们在火星上进行操作时,样本在火星车上最多只保留几周的时间,然后火星车会丢掉样本,前去新的地方挖掘。所以,如果我们需要重新检测样本,就需要快速完成,有时候要在24小时内完成。在未来,当我们去探索木星卫星,比如欧罗巴(Europa),或者土星卫星,比如土卫二恩塞勒达斯(Enceladus)和土卫六泰坦(Titan)时,我们将需要当场做出实时决策。对于这些卫星,需要花5到7小时的时间让发送自地球的信号抵达仪器设备,所以,这就不像控制无人机那样是一种即时响应。我们需要给仪器自主权,让它们自行快速决定,以实现对我们有利的科学目标。”

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以上内容详情参见NASA计划中的土卫六“蜻蜓号”任务(Dragonfly mission)。这是NASA“新前沿”项目(New Frontiers)的一部分。
埃里克·莱尼斯评论说:“MOMA的生命搜索仪器产生的数据一开始会很难解读。它不会像人一样大声喊出‘我在这里找到生命啦’,但却会给我们提供需要分析的可能性。这些结果在很大程度上将会告诉我们仪器发现的地质化学情况。我们的目标是这个系统能够给科学家指明方向,比如,我们的系统可能会报告说:‘有91%的置信度宣布这一样本与真实世界的样本相符合,有87%的概率肯定这是磷脂,类似于2018年7月24日检测到的样本,数据结果如下所示……’。我们仍然需要人类来解读发现的内容,但是第一步的过滤工作会由AI系统完成。”
研究人员指出,从火星传回数据成本相当高昂,随着探测器离地球越来越远,开销会越来越大。“来自火星车的数据成本可能是你手机信息成本的 10 万倍,所以我们需要的数据要包含尽可能多的科学价值。”埃里克·莱尼斯补充道。
来自伦敦自然历史博物馆(Natural History Museum)的行星地质学博士后研究员乔尔·戴维斯博士(Joel Davis)评论说:“行星探索任务的一个主要挑战就是让数据传回地球,这一过程既费时又费钱。在火星上,信号传输的延迟大概在20分钟,而你在太阳系中飞得越远,延迟也会越厉害。考虑到探测器有限的寿命,科学家们就必须精挑细选要发送回来的数据。当然,这些成果看上去的确鼓舞人心,宇宙飞船拥有更大的自主权是保证传回有用信息的一个方法。”戴维斯博士没有参与这项研究。
翻译:阿金
审校:戚译引
引进来源:Goldschmidt Conference

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