服务、保障、合作：未来深空探索活动中的人机关系

1961年4月12日是世界载人航天史永远记住的日子。这一天，运载着人类第一名航天员尤里·加加林的东方一号(Vostok I)飞船于当地时间早上6点07分在原苏联拜科努尔航天发射场发射升空，成功进入近地轨道。绕地球飞行一圈后，东方一号于7点25分开始返回地球；7点55分，加加林弹射出舱；8点05分，降落伞落地。尽管在重返地球的时候，东方一号的服务舱和返回舱一时间没有按照原计划分离，依旧被几根电线连接在一起，导致飞船开始剧烈旋转并偏离轨道。幸运的是，电线后来被高温大气烧断，加加林也克服了返回舱旋转问题成功弹射，最终安全地返回地球。

载人飞行实践证明，航天员不仅能在恶劣的太空环境下生存，而且还能很好地发挥自己的作用。人可以替代自动系统完成机器无法完成的工作，起到优化系统设计的作用。

到目前为止，人类已完成了数百次长时间太空飞行，取得了耀眼的科学研究成果，有力地推动了科学技术向前发展。那么，未来航天员作用的发展方向将是怎样的呢？

最佳选择：人与机器密切合作

1956年，几位计算机科学家相聚在美国召开的达特茅斯(Dartmouth)会议，提出了“人工智能(AI)”的概念，内容包括专家系统、机器学习、进化计算、模糊逻辑、计算机视觉、自然语言处理、推荐系统等方面，这就是人工智能的开端。几十年来，关于人工智能的研究起起伏伏，有高潮也有低谷。

人工智能概念

近年来，随着技术的进步，人工智能取得很多突破性进展。例如，十年前的计算机视觉能力并不太好，识别简单图片中物体的能力也不高。但如今这个“盲人”已经“脱盲”，在物体识别方面的能力大大提高，能够观察并准确识别图片中的物体。具有自主学习能力的阿尔法狗战胜了人类最强的围棋手，震惊世界，人工智能再次成为世界研究热点。

从总体上讲，人工智能的本质是基于人类自身的智力基础，设计并创造机器来支持人类的认知和体力工作。基于这种考虑，NASA正在研发先进的人工智能设备和软件，帮助航天员在深空探测活动（如载人登陆火星）中更加有效地完成相关的计划任务。例如，2008年“凤凰号”探测器着陆火星时，其着陆区为厚冰层，着陆器的机械臂在火星的北极地带深挖，以期发现火星上有关水和微生物层的地质史线索，这里就有AI技术的重要作用。另外，在火星探险车活动中，通过运用AI技术，预计未来可减少航天员十分之一的工作时间。

利用人工智能发现类地行星

随着人工智能技术在载人航天领域的应用越来越深入，航天员与人工智能机器人间的定位也引起了人们的关注。汤姆·米歇尔（Tom Mitchell）教授认为：“机器的自动化和人工智能将在未来承担更多工作，但大多数受影响的工作将部分实现自动化而不是完全消失。”总结起来，人与AI间的最佳关系是人和机器共同合作，而不是取代。这是因为对于突发的、应急性问题的处置，无论AI如何模拟人，其效果是突破不了由人来完成时所带来的最好结果的。

因此，在未来的新一代载人航天器设计中，利用人工智能可以完成高度自动化任务的特点，将这些工作从其他任务中分离出来，让机器人可以做它们擅长的任务，而航天员可以被解放出来做更多机器学习不适合的工作，从而提高人-载人飞行器系统的整体工作效率。

水星号载人飞船及其航天员的签名

保障人的工作能力

为了更好地发挥人的作用，保障人在太空中工作能力的研究就成为了重中之重。目前，世界上的主要航天大国已投入大量人力、物力，开展了多项保障航天员在太空有良好工作能力的相关研究实验，取得了重要的进展。

保障航天员在空间活动中的工作能力或效率的主要措施包括：

充分考虑人在太空环境下的能力局限性，对飞行器涉及人机交互的部分实施工效学设计，使机器适合于人；同时，在飞行器内尽量创造与地面一样的生活环境，辅助航天员保持良好的生理状态。

人和机器是保证载人飞行器成功飞行的两个重要因素。目前，为了简化飞行器的设计、保障系统的安全可靠性，如何实现对乘员的疲劳状态的监控以实现及时提醒、任务规划和人员选拔等目标也成为研究热点。NASA的AMES中心在2000年成立了空间疲劳对抗措施研究组，研究在国际空间站飞行过程中时差变化引发的疲劳及其对抗措施，以指导航天员训练和人员选拔。这种疲劳对抗措施有助于提高乘员的绩效和警觉力。研究的方法分为地面实验室模拟试验和航天飞机上的飞行试验。2013年该小组还与“火星探索漫游者操作”的研究人员合作，希望减轻未来人在火星表面工作时的疲劳问题。

总体上讲，在载人航天中的作业疲劳分析与评估研究主要针对工程应用，目前已出现的主要研究方法有：

(1) 通过力量的测试来监测体力疲劳状态，并进行恢复训练。在乘员工作疲劳的监测方面，NASA的约翰逊航天中心以上肢的施力特征分析为基础，研制了手施力测试仪(Hand posture analyzer，HPA)，主要用于测试在轨飞行过程中空间站乘员失重环境下在不同姿势时手和前臂肌肉的力量，研究力的大小、施力时间与疲劳的关系，其成果用于空间站上作业工具、任务以及在轨肌肉锻炼的设计。

NASA研制的手施力疲劳测试仪模块（HPA）

(2) 认知与疲劳测试系统(NeuroCATS)。该设备由美国航空航天管理局(NASA)下属的约翰逊航天中心负责研发，于2002年4月在国际空间站中投入使用。它用来测试与飞行相关的身体变化情况，例如微重力、睡眠缺失等对人体的疲劳状态与个人认知绩效的影响情况，进而给出疲劳程度，由一系列的测试软件构成，可根据飞行任务随时进行，主要测试项目有：心理运动能力、视觉目标学习、2-back记忆能力、抽象匹配任务、空间定向、矩阵推理、情感认知以及心理运动警觉等。

(3) 乘员生命卫士系统(LifeGuard System)。为了对空间站航天员的身体机能状态进行充分的分析与监测，美国NASA的Ames航天中心科研人员，基于心电、体温、呼吸率、O2饱和度、血压以及人体三轴加速度等指标，研制了包含作业疲劳在内的人体机能分析与评测系统——LifeGuard System。目前，已研发了LifeGuard-II代，通过KC-135失重飞行试验后，在国际空间站上得到了应用。

LifeGuard System-Ⅱ的外观

2016年以来，我国已相继发射天宫二号空间实验室、神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船。下一步，我国将建成一个60吨级、多舱段结构的空间站。由于空间站的发展要求乘员具有较长时间的连续在轨驻留能力，空间站运行过程中，存在诸如心血管功能紊乱、肌肉萎缩、骨质丢失、免疫功能下降等严重影响空间站乘员健康但又尚无有效防护对抗措施的医学问题，这些问题将会给发挥乘员在轨工作能力带来十分不利的影响，甚至有可能引发因为人疲劳原因而导致的故障，产生难以估量的损失。

国际空间站的舱内蔬菜种植

例如，在1967年的联盟1号飞船在轨飞行时，航天员科马罗夫操控飞船时出现精疲力尽的状况，不得不向地面中心请求睡眠，最终本次任务以失败告终。

截至2005年，国际空间站的48起事故统计中，由于航天员操作失误引发的就占9起，这里面也有因为乘员疲劳而造成的。总之，人工智技术与航天员间进行“人与机器合作”，是确保能空间站系统在轨飞行期间健康运行的有效技术手段。

所以，要充分利用先进的AI技术，将空间环境对人的影响降低到最小程度并准确监测乘员的机能状态，以便进行任务设计与优化和乘员训练。确保人在空间的持续、有效的工作能力，成为了航天医学工程的重要任务。

文/周前祥