人工智能如何改变 NASA 的火星探测器科学

人工智能正在帮助科学家识别毅力号火星车所研究的岩石中的矿物。

一些科学家梦想着用“智能”航天器探索行星，这些航天器确切地知道要寻找什么数据、在哪里找到数据以及如何分析数据。虽然实现这个梦想需要时间，但美国宇航局“毅力号”火星探测器的进步为这个方向迈出了有希望的一步。

近三年来，火星探测车一直在测试一种人工智能，用于在火星岩石中寻找矿物。这是人工智能首次在火星上使用，根据对岩石成分的实时分析做出自主决策。

该软件支持PIXL（行星 X 射线岩石化学仪），这是美国宇航局南加州喷气推进实验室开发的一款光谱仪。通过绘制岩石表面矿物的化学成分，PIXL 可让科学家确定岩石是否是在火星古代支持微生物生命的条件下形成的。

该软件被称为“自适应采样”，它会自动将仪器定位在岩石目标附近，然后查看 PIXL 对目标的扫描结果，以找到值得深入研究的矿物。这一切都是实时完成的，无需探测器与地球上的任务控制员通话。

“我们使用 PIXL 的人工智能来追踪关键科学，”该仪器的首席研究员、JPL 的 Abigail Allwood 说道。“如果没有它，你会在数据中看到一些有趣的东西，然后需要重新扫描岩石以进行进一步研究。这让 PIXL 无需人工检查数据就能得出结论。”

来自毅力号仪器（包括 PIXL）的数据可帮助科学家确定何时钻取岩芯并将其密封在钛金属管中，以便将其与其他高优先级样本一起带回地球进行进一步研究，作为 NASA火星样本返回活动的一部分。

自适应采样并不是人工智能在火星上的唯一应用。距离毅力号约2,300 英里（3,700 公里）处是美国宇航局的好奇号，它开创了一种人工智能，使火星车能够根据岩石的形状和颜色自动用激光击打岩石。研究每次激光击打后燃烧的气体可以揭示岩石的化学成分。毅力号具有相同的能力，以及一种更先进的人工智能，使其能够在没有地球特定方向的情况下导航。两辆火星车仍然依靠数十名工程师和科学家来规划每天的数百条单独命令，但这些数字智能有助于两项任务在更短的时间内完成更多任务。

“PIXL 自适应采样的理念是帮助科学家在海量数据中找到关键点，从而腾出时间和精力专注于其他事情，”彼得·劳森 (Peter Lawson) 表示，他在从 JPL 退休前领导了自适应采样的实施。“最终，它可以帮助我们更快地收集最佳科学数据。”

使用 AI 定位 PIXL

AI 以两种方式协助 PIXL。首先，一旦仪器靠近岩石目标，它就会将仪器定位到正确的位置。光谱仪位于毅力号机械臂的末端，安装在六条微型机械腿上，称为六足机器人。PIXL 的相机反复检查仪器与岩石目标之间的距离，以协助定位。

火星上的温度变化非常大，以至于毅力号的手臂会微微伸展或收缩，这可能会影响 PIXL 的瞄准。六足机器人会自动调整仪器，使其非常接近火星，而不会接触到岩石。

“我们必须在微米级上进行调整，才能达到我们所需的精度，”奥尔伍德说。“它离岩石足够近，足以让工程师后颈的汗毛竖起来。”

制作矿物图

一旦 PIXL 就位，另一个 AI 系统就有机会大放异彩。PIXL 扫描一块邮票大小的岩石，发射数千次 X 射线束，形成一个微观点网格。每个点都揭示了有关矿物化学成分的信息。

矿物质对于解答有关火星的关键问题至关重要。根据岩石的不同，科学家可能在寻找碳酸盐，因为碳酸盐中隐藏着水如何形成岩石的线索，或者他们可能在寻找磷酸盐，如果火星过去存在微生物的话，磷酸盐可能为微生物提供营养。

科学家无法提前知道数百次 X 射线中的哪一次会发现某种特定的矿物，但当仪器发现某些矿物时，它可以自动停止以收集更多数据——这一动作称为“长时间停留”。随着系统通过机器学习不断改进，PIXL 可以长时间关注的矿物名单正在不断增加。

“PIXL 就像一把瑞士军刀，可以根据科学家在特定时间寻找的内容进行配置，”参与开发该软件的 JPL 的 David Thompson 说道。“火星是测试人工智能的绝佳地点，因为我们每天都会进行定期通信，这让我们有机会在过程中进行调整。”

当未来的任务深入太阳系时，它们与外界失去联系的时间将比目前在火星上的任务更长。这就是为什么人们对在任务漫游和开展造福人类的科学研究时开发更多自主权有着浓厚的兴趣。

更多关于任务的信息

毅力号火星探测任务的一个主要目标是天体生物学，包括寻找古代微生物生命的迹象。该探测器将描述火星的地质和过去气候，为人类探索这颗红色星球铺平道路，并成为第一个收集和储存火星岩石和风化层（碎石和尘埃）的探测任务。

美国宇航局的后续任务将与欧洲航天局 (ESA) 合作，派遣航天器前往火星，从表面收集这些密封的样本，并返回地球进行深入分析。

火星2020毅力号任务是美国宇航局月球至火星探索计划的一部分，该计划还包括阿尔忒弥斯月球任务，这将有助于人类为探索这颗红色星球做好准备。

喷气推进实验室 (JPL) 由位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院为美国宇航局管理，负责建造并管理毅力号火星车的运行。