在月球和火星下方，有熔岩管，可以免受辐射和极端温度变化的影响。
自主机器人越来越多地被用作研究这些空间的安全有效的方式，这些空间作为未来潜在的载人基地和生命探索的潜在场所而引起人们的关注。
在本文中，在西班牙兰萨罗特岛使用三种不同机器人进行的演示实验在此基础上，我们将阐述其技术成就、挑战以及未来太空探索和工业应用的可能性。
内容
月球和火星探索中备受关注的“熔岩洞”有哪些？
熔岩管是地球表面凝固且内部熔岩流走时形成的长形空腔。它们存在于地球上火山活动频繁的地区，如夏威夷和冰岛，其特点是独特的地形和稳定的内部环境。
近年来，卫星观测证实月球和火星上存在类似结构，使它们成为太空探索的重要目标。
该洞穴可以充当“天然庇护所”，免受地表恶劣环境的影响。除了防止辐射、极端温度变化和微陨石外，它还可能含有生命痕迹，例如微生物。
由于这些特点，世界各地的航天机构都将其视为未来载人基地和生命探索的有希望的候选地点。
熔岩管形成机制
当熔岩从火山中流出，在表面冷却并凝固，而热熔岩继续在下面流动时，就会形成熔岩管。最终，当熔岩供应停止时，内部变得空心，留下一条长长的隧道状地形。
这种结构的特点是不易受到外界影响，并且往往能保持稳定数千至数百万年。
在地球上，它们往往是旅游和研究的对象，但在月球和火星上，它们有潜力用于生命探索和基地建设，因此对其内部环境的详细调查尤为重要。
月球和火星的发现实例及其科学价值
NASA 和 JAXA 等卫星观测任务已证实月球和火星表面存在多个熔岩管。人们相信这些可以通过称为“天窗”的天坑进入。
它的科学价值在于，它可以让我们了解地质构造的历史和火山活动的痕迹，是一个适合保存生命痕迹的环境。
此外，在未来的载人探索中，这些洞穴还可以作为宇航员的居住空间和物资储存区。特别是在长时间执行任务时，外界屏蔽的有效性是决定生死的重要因素。
兰萨罗特岛示范实验概述
此次示范实验是在西班牙加那利群岛的兰萨罗特岛进行的。岛上有很多由火山活动形成的地貌，提供了与月球和火星熔岩洞穴非常相似的环境。
因此，过去它曾被多个国际项目用作太空探索的机器人测试场。
实验历时21天，分四个阶段，从外到内对洞穴进行逐步探索。目的是验证通过协调多个不同角色的机器人是否可以对未知地形进行自主探索和3D建图。
兰萨罗特岛实验地点地形特征
兰萨罗特岛的环境星罗棋布，有火山喷发造成的熔岩流、洞穴和陡峭的悬崖，据说与地球上月球和火星的表面环境特别相似。
干旱的气候和多样化的火山地形使其非常适合测试行星探测设备和机器人的环境耐受性。
洞穴内的湿度和地形复杂性也有助于模拟真实空间环境中面临的传感器干扰和导航挑战。
示范测试的目的和期限
该测试于2024年进行，分为四个任务阶段。每个阶段都会检查不同的技术元素以及机器人如何协同工作以重建从外部扫描到内部绘图的探索过程。
这种分步方法可以实现多方面的评估，例如机器人之间的通信、自主控制和传感器精度。一个特别重要的结果是，多个机器人同时发挥作用的“异构机器人协作控制”的有效性得到了证实。
3 个不同机器人的 4 阶段探索任务
在这个实验中，我们使用了三个不同功能的机器人，并进行了四个探索阶段。这种配置允许每个机器人发挥其特长，高效、安全地分工，从而可以探索单个机器人难以完成的环境。
下面，我们将逐步解释每个阶段以及机器人的作用。
第一阶段：开口周围的地形测绘
第一阶段包括对洞穴入口周围的地形进行高精度扫描。大型流动站和中型流动站协同工作，使用 LIDAR（激光测距）和高分辨率摄像机创建地形 3D 模型。
这种预先测绘可以提前验证后续绳降路线和设备放置的安全性。
这个过程在太空环境中尤其重要，因为人类很难进行预先检查。通过了解未知地形，您可以选择旅行路线并计划避开障碍物。
第 2 阶段：使用配备传感器的立方体进行孔径扫描
在下一阶段，中型漫游车将在洞穴开口中部署一个带有内置传感器的立方体探索模块。该模块在坠落过程中和着陆后扫描周围环境，高精度记录开口内的 3D 结构。
这使得我们能够在发射火星车之前了解内部障碍物和地形情况，大大降低任务风险。
第三阶段：漫游者双绳下降
最困难的阶段是将小型漫游车连接到较大的漫游车，并使用电缆从洞穴壁下降。即使在下降过程中也能进行姿势控制和位置测量，实现稳定的下降。假设在地球之外实际使用，它还将导致低重力环境下的稳定性验证。
该技术允许进入陡坡和接近垂直的地形，从而可以探索传统轮式漫游车无法到达的区域。
第四阶段：洞穴内自动驾驶和 3D 测绘
小型漫游车下降到洞穴中，断开与电缆的连接，并过渡到自动驾驶。 3D 测绘是在内部行驶约 235 米时进行的，收集地形、坡度和空间结构的数据。
黑暗、封闭空间的自主探索是在通信难以到达的环境下对算法性能的重要考验。这一成果可视为未来实现月球和火星全自主探索的一步。
示范实验的成果与问题
兰萨罗特岛的这次示范实验揭示了许多技术成就以及未来的挑战。下面，我们将对其进行整理和比较。
成功的技术要点
- 不同类型机器人之间有效协同控制，通过角色划分实现高效探索。
- 成功实现从开口周围到内部的连续 3D 映射
- 演示使用绳降技术进入陡坡和垂直地形
- 确认黑暗环境下自动驾驶算法的有效性
尚存的技术问题及改进方向
- 洞穴内的湿度降低了探地雷达的精度。
- 某些传感器出现干扰，降低数据质量
- 有必要提高假设地外环境下长期全自主运行的可靠性。
- 提高机器人间通信和重传控制的稳定性
这些问题需要通过未来的空间探测器开发和地球上的应用测试来改善。
对太空探索和工业应用的影响
这一示范成果不仅可能对太空探索产生连锁反应，而且可能对地球各个领域产生连锁反应。特别是，它有望用于危险和难以进入的地点，例如地下结构的安全评估和灾害期间的搜索作业。
此外，在勘探前进行详细的 3D 测绘的方法直接提高了预先规划的准确性并降低了风险。这可以提高载人任务和大型外星项目的成功率。
为载人探索和生命探索做出贡献的可能性
像熔岩管这样的地下空间可以作为宇航员的天然庇护所。除了防辐射、防陨石外，由于内部温度波动小，也适合长期停留。
此外，这些空间被认为是容易保存微生物等生命痕迹的环境，使其成为生命探索任务的优先目标。该机器人探索技术还可用于生命探索的初步调查和样本采集。
地球上的应用（防灾、基础设施检查、矿山勘探等）
这种探索技术还可以应用于探索地球上危险和难以进入的区域。具体示例包括检查火山喷发后的熔岩洞、有崩塌风险的矿井以及灾害现场建筑物内部的安全性。
它还有望用于商业和公共基础设施管理领域，例如地铁和老化隧道的检查以及地下基础设施的维护工作。这使您既可以确保人员安全，又可以降低成本。
对日本太空探索战略的影响
这项研究具有重要意义，因为它证明了利用不同机器人之间协作的探索方法的有效性。特别是多机协同控制和分步勘探阶段设计是可以应用于日本勘探计划的要素。
这些技术的引入将成为提高日本宇宙航空研究开发机构和日本私营航天公司正在推进的月球和火星探索项目竞争力的关键。例如，在月球建设基地或开采资源的任务中，精确的地下勘探对于提前选择安全的候选地点至关重要。
未来，我们需要积极参与国际联合任务，加强利用人工智能的自主导航技术和通信稳定技术。对于日本来说，要展示自己在这一领域的存在，重要的是要从早期阶段展示技术并制定实际应用的路线图。
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