無人機洞穴掃描技術：科幻照進現實_風聞

原創：牧夫天文

編譯：郭皓存

校對：王婧彧 王茸

編排：崔鬱

無人機洞穴掃描技術

科幻照進現實

電影《普羅米修斯》中的“普羅米修斯”號飛船。

Credit: 20th Century Fox 

六年前，2012年9月2日，開學前的最後一個週日，科幻電影《普羅米修斯》在中國的各大影院上映。在電影裏面，人類乘坐“普羅米修斯”號飛船於2093年抵達LV-223星球，開始探索“造物者”們留下的地下洞穴。進到未知而黑暗的洞穴後，兩顆小球從一位飛船組員的手中一躍而起，開始自動為整個洞穴建立3D模型。

《普羅米修斯》電影片段。

Credit: 20th Century Fox

科幻電影裏的這一幕時隔僅僅6年就在地球上成為了現實。

2019年3月19日，美國加州硅谷山景城。SETI協會（尋找地外文明協會，The Search for Extra-terrestrial Intelligence Institute）和天械科技公司（Astrobotic Technology, Inc.）聯合發表聲明，宣佈搭載了LiDAR激光雷達技術的無人機成功為冰島的一個熔岩洞進行了全自動3D建模。

這次建模的對象是冰島北部米湖區域的Lofthellir熔岩管冰洞，研究團隊用無人機成功記錄了此熔岩洞的形狀、大小、岩石掉落歷史和冰柱的形成。Lofthellir翻譯成中文是空氣洞，形成於3500年前的一次火山噴發，常年温度低於冰點的它有着永不融化的天然冰雕和壯麗的熔岩地形，吸引很多遊客前來觀賞。

視頻截圖：位於冰島北部的米湖區域。這裏的地質環境和月球/火星相近，所以曾經被拿來測試月球/火星探索技術。“阿波羅計劃”的宇航員們50年前曾在同一個區域進行過地質實地訓練。

Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Lee et al. 2019

本次研究團隊的負責人，SETI協會的行星科學家——李天龍博士(Dr. Pascal Lee)説：“我們這次選擇去冰島的這個熔岩管冰洞，是因為它的這種多冰環境讓危險和機遇並存。它可以使我們為將來探索月球/火星上的熔岩洞做好準備。而目前我們很看好的一種探索方法就是使用無人機。”

無人機用LiDAR激光雷達技術掃描洞穴生成的3D模型，圖中顯示了模型中位於Lofthellir熔岩洞“天窗”(Skylight)入口附近的部分。（上：此區域的鳥瞰圖；下：熔岩洞入口附近的3D模型；中：鳥瞰圖和3D模型的合成圖）

Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Lee et al. 2019

月球和火星的表面環境非常極端，時刻接受着強烈的宇宙輻射、巨大的日夜温差、和來自微隕石的撞擊洗禮。幸運的是，它們的表面都有不少天然洞穴開口，這讓我們可以接觸到被保護起來的地下環境。將來這些洞穴也可以當作天然保護罩，用來儲存物資或為探索者們提供短期/長期居住。

其中，在月球北極附近或火星巨型火山側邊發現的洞穴還有可能藏有珍貴的、沒有被表面極端環境洗禮過的冰，它們是科學家研究月球和火星水歷史的關鍵。這些洞穴所在的位置足夠寒冷，使它們可以通過一種叫**“冷阱”**(cold-trapping)的過程留存住冰。火星的水歷史可以為我們尋找火星生命提供重要線索。如果方便獲取的話，這些冰同時也會為人類探索者提供寶貴的水資源。水不僅可以用來提供生命支持，還可以被分解成氫和氧作為火箭燃料使用。

這些月球和火星上的洞穴開口多數都是在火山地形，或是被隕石/彗星撞擊過的地區發現的。火山活動或者猛烈撞擊時產生的高温熔化了岩石，形成了這些洞穴。而這次科學家測試無人機洞穴掃描技術的地球洞穴屬於熔岩管地形，和月球/火星上的洞穴相似。熔岩管是當岩漿表面冷卻硬化，內部卻繼續流動時形成的。顧名思義，它是一種管狀的地下洞穴結構。

照片左下角是由天械科技公司研發的無人機，它搭載了LiDAR激光雷達技術。照片中它正停在冰面上，等待開始它的洞穴掃描任務。

Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Dubai Future Foundation/Lee et al. 2019

“小型的全方向航天器是探索地球、月球、火星熔岩管的理想工具。它不需要和熔岩管崎嶇不平的巖壁做直接接觸，所以行動上自然不受到巖壁形狀的限制。靈活的無人機可以在很短的時間內進入、掃描、離開洞穴，把數據發回地球並同時充電或補充燃料。它們還可以被用來採集樣本。”安德魯•霍希勒(Andrew Horchler)博士説道。他是天械科技公司的未來任務與技術總監，天械科技公司負責開發此次任務用到的無人機LiDAR洞穴掃描技術。

地球上的無人機都是用螺旋槳提供動力移動和飛行。但由於月球上沒有大氣，而火星高海拔洞穴空氣稀薄，未來探索時的無人機需要使用噴射式推進器提供動力，這會是科學家將來需要考慮的問題。而這次任務主要着重於驗證無人機在無光、無GPS、無事先輸入地圖的情況下自主掃描含冰岩洞的可行性。

這次任務使用的軟件系統——AstroNav，是天械科技公司和NASA簽訂的研究合同的一部分。它使得無人機可以全自動地探索地下環境。AstroNav兼容立體視覺技術和LiDAR激光雷達技術，讓無人機可以實時地在無GPS的陌生環境下快速移動。

這種整合多個/多種傳感器的技術在探索複雜地形時是非常必要的。LiDAR激光雷達技術適合在地底黑暗環境中使用，而基於光學相機的立體視覺則更適用於光線充足的開放式區域。假如無人機可以在飛行途中自由地在兩種技術中切換，那它就可以不依靠人類從而自行進出洞穴進行探索。

“天械科技公司的無人機和LiDAR激光雷達技術在本次任務中表現良好，讓我們可以在短短几分鐘內獲取到Lofthellir熔岩管冰洞的3D地圖。從它的形狀、大小，到岩石瀑布、冰柱、微冰川的分佈，我們現在可以説是對它瞭如指掌。”李博士説道。

由搭載了LiDAR激光雷達技術的無人機掃描洞穴製作而成的Lofthellir熔岩管冰洞主腔室3D地圖。圖中顏色為標高（指該位置與平均海平面之間的垂直距離），從低到高依次為紫藍綠黃紅。圖中文字為知名的天然冰雕或天然石雕。

Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Lee et al. 2019

這是人類第一次用無人機結合LiDAR激光雷達技術掃描冰洞或熔岩洞。霍希勒博士表示：“我們還有很長的一條路要走才能開發出一套可以在月球或火星上運行的系統，但這次探索含冰熔岩管是非常重要的第一步。”（小編注：本次任務的數據採集實際上發生在2018年10月11日。早在

2017年12月澳洲的一家名為Emesent的公司已經成功在乾燥的礦洞裏用無人機結合LiDAR技術進行探勘。但礦洞屬於人造洞穴，較為平整，而本次任務是天然洞穴且為含冰環境，勘探難度較高，用到的技術也不一樣。）

在月球和火星上的洞穴毫無置疑是未來人類或機器人探索任務的目標。而Lofthellir熔岩管冰洞毫無疑問會在其中起到很重要的作用，因為50年前“阿波羅計劃”的宇航員正是在它所在的區域進行地質實地訓練的。“Lofthellir熔岩管冰洞當時還沒有被發現，但隨着我們為重返月球和踏上火星做準備，新一代的宇航員完全可以回來這個區域進行訓練。我個人絕對推薦把Lofthellir放入他們的課表裏。”李博士打趣道。

這次研究的結果發表於第50屆月球和行星科學會議（2019年3月18日至22日在德克薩斯州休斯頓召開)，你可以在這裏閲讀他們的英文原論文：https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2019/pdf/3118.pdf

左：月球靜海上一個直徑80米的坑洞。

Credit: NASA/LRO

右：藝術概念圖，噴射式飛行器探索月球上的一個坑洞。

Credit: Pascal Lee

來自SETI的演示視頻。1:07無人機起飛，1:53無人機降落於冰面。

Credit: Pascal Lee

資料來源

1.https://www.seti.org/press-release/drone-maps-icy-lava-tube-iceland-preparation-cave-exploration-moon-and-mars

2.https://techcrunch.com/2018/11/05/subterranean-drone-mapping-startup-emesent-raises-2-5m-to-autonomously-delve-the-deep/amp/

3.https://orbit.spacenation.org/iceland-apollo-astronauts/

4.https://guidetoiceland.is/travel-iceland/drive/lofthellir

『天文時刻』 牧夫出品

微信號：astronomycn

北天春季的銀河

影像來源:  Taha Ghouchkanlu (TWAN)