解鎖地外生命的“鑰匙”！冰天體生命如何探測(cè)？

太陽(yáng)系中，以木衛(wèi)二和土衛(wèi)二為代表的冰天體具有突出的生命潛力，可能在21世紀(jì)解答人類(lèi)關(guān)于地外生命的終極問(wèn)題。然而，當(dāng)前的所有空間探測(cè)器均無(wú)法進(jìn)入水中探測(cè)。Exo-AUV能在冰殼中、冰水交界和海底等潛力區(qū)域執(zhí)行生命探測(cè)任務(wù)，被多國(guó)航天機(jī)構(gòu)寄予厚望。而具體在哪、基于何方法、開(kāi)發(fā)何種Exo-AUV裝備和技術(shù)、達(dá)到什么目標(biāo)，是未來(lái)冰天體生命探測(cè)任務(wù)重要議題。

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院智能海洋航行器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王斌和秦洪德以木衛(wèi)二為假想目標(biāo)，探討了冰天體生命探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)、可探測(cè)對(duì)象、潛力區(qū)域和生源性分析，提出了一種基于Exo-AUV的冰天體生命探測(cè)方法；解析了Exo-AUV在不同作業(yè)場(chǎng)景下的關(guān)鍵條件，提出了艇體、載荷和自主三方面基本技術(shù)要求；介紹了Exo-AUV的研究背景、研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，提出了一套Exo-AUV概念開(kāi)發(fā)技術(shù)路線和一種多Exo-AUV系統(tǒng)作業(yè)概念(ConOps for MEAS)。該系統(tǒng)將幫助行星科學(xué)家和天體生物學(xué)家探索冰天體、尋找強(qiáng)生源信號(hào)，甚至活體生命和前生命化學(xué)系統(tǒng)。

該研究是船舶與海洋工程學(xué)中海洋機(jī)器人方向與行星科學(xué)和天體生物學(xué)的交叉，相關(guān)成果發(fā)表在《中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)》2024年第11期。木衛(wèi)二和土衛(wèi)二等冰天體具備微生物生存的基本條件。對(duì)冰天體的冰中、冰水交界和海底等生命潛力較高的區(qū)域開(kāi)展生命探測(cè)，很可能發(fā)現(xiàn)強(qiáng)生源信號(hào)、活體生命，甚至解答生命誕生的問(wèn)題。然而，當(dāng)前的所有空間探測(cè)器均無(wú)法進(jìn)入水中探測(cè)。地外自主潛航器(Extraterrestrial Autonomous Underwater Vehicle，Exo-AUV)可自主、高效地實(shí)現(xiàn)原位、多對(duì)象、多尺度、多維度的探測(cè)，將是行星科學(xué)家和天體生物學(xué)家探索冰天體、尋找地外生命的關(guān)鍵裝備。

該研究以木衛(wèi)二為例，提出以生命潛力作為冰天體生命探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)，因?yàn)樯鼭摿确咸綔y(cè)任務(wù)的假設(shè)內(nèi)涵，又避免了二元性結(jié)論，可用于發(fā)現(xiàn)生命信號(hào)、活體生命和前生命化學(xué)系統(tǒng)。推測(cè)、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證生命潛力需要依據(jù)大量可感知的環(huán)境變量和參量，其中一些可能作為生命證據(jù)的被稱為生命信號(hào)。即使在地球，也存在生命繁盛和生命稀少的地區(qū)，探測(cè)木衛(wèi)二的生命潛力應(yīng)優(yōu)先選擇那些生命潛力和生命信號(hào)潛力較高的區(qū)域?；谙嗨骗h(huán)境假設(shè)和生態(tài)學(xué)理論，該研究提出了潛力區(qū)域的推論，并認(rèn)為冰中、冰水交界和海底等區(qū)域的生命潛力和生命信號(hào)潛力最突出。然而，當(dāng)下主流的探測(cè)方法都普遍重視生源性分析，而忽略了如何采集到高生源性信號(hào)。在寡營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)中，生命的分布是稀疏且異質(zhì)的。即使在冰下或海底這些理論上生命潛力較高的區(qū)域，如果僅采集到弱生源信號(hào)，那么無(wú)論二元診斷框架還是貝葉斯方法都難以得出高可信的分析結(jié)果。

值得強(qiáng)調(diào)的是，該研究認(rèn)為一個(gè)完整的探測(cè)任務(wù)至少應(yīng)包含：假設(shè)、采樣、分析和驗(yàn)證4個(gè)環(huán)節(jié)。而Exo-AUV及其穿冰載具幾乎可以抵達(dá)冰表以下任何潛力區(qū)域，并通過(guò)搭載多種科學(xué)載荷實(shí)現(xiàn)原位、多對(duì)象、多尺度、多維度的數(shù)據(jù)采集和分析。該研究基于生態(tài)位的思想，提出了一種全新的冰天體生命探測(cè)方法(圖1)。運(yùn)用該方法，Exo-AUV可自主、高效地推測(cè)生命潛力最突出的局部微區(qū)，采集到更多相互正交的強(qiáng)生源信號(hào)甚至活體生命；此外，還能利用冰天體上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證、證偽或修正地球上建立的數(shù)據(jù)模型。該方法發(fā)揮了Exo-AUV在水下探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，避免了僅依賴被動(dòng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行生源性分析的不足，將假設(shè)、采集、分析和驗(yàn)證4個(gè)環(huán)節(jié)整合，形成了完整、閉環(huán)、可自主演化的冰天體生命探測(cè)方法。該方法將幫助Exo-AUV在有限的能源儲(chǔ)備、物料供應(yīng)和人為干預(yù)下，在木衛(wèi)二上百公里厚、覆蓋全球、寡營(yíng)養(yǎng)的冰水層中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)生源信號(hào)甚至活體生命和前生命化學(xué)反應(yīng)，最終驗(yàn)證生命潛力。

圖1 一種冰天體生命探測(cè)方法

該研究還以木衛(wèi)二為例，將穿冰探測(cè)、冰水交界探測(cè)、海底探測(cè)3個(gè)典型作業(yè)場(chǎng)景解析為：作業(yè)環(huán)境、被測(cè)對(duì)象、關(guān)鍵操作和探測(cè)器本體4類(lèi)場(chǎng)景條件，結(jié)合火箭發(fā)射、行星際飛行、進(jìn)入木衛(wèi)二軌道、冰表著陸等前序環(huán)節(jié)中的相關(guān)條件，提出了Exo-AUV及其穿冰載具的主要技術(shù)要求。

木衛(wèi)二的冰殼和冰下海洋都是全球性的，冰殼可厚達(dá)數(shù)十公里，海底最深處?kù)o水壓力甚至?xí)_(dá)到馬里亞納海溝底部的2倍。穿冰載具可搭載小型模塊化核裂變反應(yīng)堆(Small Modular Reactor，SMR)或放射性同位素?zé)犭姍C(jī)(Radioisotope Thermal Generator，RTG)電源和熱源，采用熱鉆混合穿冰法和節(jié)能艇型，利用聲吶或合成孔徑雷達(dá)輔助導(dǎo)航，使用側(cè)向噴嘴或輔熱協(xié)助轉(zhuǎn)向和避障，穿透冰殼，將Exo-AUV布放入水中，并作為水下基站為其提供導(dǎo)航、通訊、數(shù)據(jù)交換和充電服務(wù)。Exo-AUV可采用耐壓艇體材料，搭載RTG電源和高性能的導(dǎo)航、通訊模塊，在海中不同深度、大范圍、長(zhǎng)時(shí)間定深、定速、定向航行，通過(guò)變浮力設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)滑翔，對(duì)生命潛力較高的局部微區(qū)抵近、懸停，必要時(shí)在冰下頂棲、海底底棲，覆蓋從大到小不同尺度的海域空間。

為了在巨大的冰?？臻g中發(fā)現(xiàn)稀疏、異質(zhì)分布的強(qiáng)生源信號(hào)和活體生命，Exo-AUV及其穿冰載具要搭載多種科學(xué)載荷，利用聲學(xué)、視覺(jué)、光譜、電化學(xué)、分析化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)儀器載荷，逐步聚焦從數(shù)公里到亞微米不同特征長(zhǎng)度的對(duì)象，原位采集形態(tài)、結(jié)構(gòu)、成分、運(yùn)動(dòng)、分布、理化等多維度信息，在線完成生態(tài)位和生源性分析。木衛(wèi)二距離地球遙遠(yuǎn)，運(yùn)載火箭的有效負(fù)載十分有限，冰表以上受到木星的強(qiáng)輻射，防護(hù)材料需求量較高，在保障探測(cè)能力的前提下，應(yīng)用微機(jī)電(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載荷的小型化和輕量化。

木衛(wèi)二與地球通訊延遲長(zhǎng)達(dá)0.5 h，通信帶寬和窗口期十分狹窄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻繁的人工干預(yù)和高通量的數(shù)據(jù)交換，復(fù)雜的生命探測(cè)任務(wù)將依賴探測(cè)器的自主性。首先，Exo-AUV及其穿冰載具應(yīng)基于聲學(xué)、光學(xué)等感知方法自主定位、導(dǎo)航、規(guī)劃路徑，操控推進(jìn)器、舵機(jī)和浮力調(diào)整航速和位姿。此外，基于該研究提出的探測(cè)方法，Exo-AUV還應(yīng)實(shí)現(xiàn)科學(xué)自主，能夠在不同尺度空間中自主推測(cè)、篩選潛力區(qū)域，規(guī)劃探測(cè)任務(wù)，自主調(diào)用多種科學(xué)載荷直接或通過(guò)機(jī)載試驗(yàn)完成數(shù)據(jù)采集和分析，自主驗(yàn)證生命潛力和生命信號(hào)潛力的假設(shè)，自主更新計(jì)算模型，自主對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、概括、排序和通訊。

該研究評(píng)述了國(guó)外開(kāi)發(fā)的Exo-AUV，認(rèn)為現(xiàn)有設(shè)計(jì)大多不具備處理復(fù)雜生命探測(cè)任務(wù)的能力，遠(yuǎn)未發(fā)揮出Exo-AUV平臺(tái)的潛力。為了避免未來(lái)的冰天體生命探測(cè)任務(wù)重蹈維京號(hào)(Viking 1 & 2)的覆轍，該研究提出了一套基于冰天體生命探測(cè)任務(wù)的Exo-AUV概念開(kāi)發(fā)技術(shù)路線。該路線包含了影響Exo-AUV概念的關(guān)鍵元素，幫助開(kāi)發(fā)者從科學(xué)目標(biāo)開(kāi)始研究Exo-AUV可探測(cè)的潛力區(qū)域和對(duì)象，設(shè)計(jì)探測(cè)方法，總結(jié)關(guān)鍵的場(chǎng)景條件，提煉所有的技術(shù)要求，從艇體、載荷和自主3個(gè)方面對(duì)概念進(jìn)行設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)(圖2)。

圖2 Exo-AUV概念開(kāi)發(fā)技術(shù)路線簡(jiǎn)圖

基于該技術(shù)路線，該研究還提出了一種多Exo-AUV系統(tǒng)作業(yè)概念(Concept of Operations for Multiple Exo-AUV System，ConOps for MEAS)。一套最簡(jiǎn)單MEAS系統(tǒng)(圖3)包括一艘穿冰載具(Exo-AUV Carrier，EAC)、一艘搭載勘測(cè)模塊的Exo-AUV(Survey Module-equipped Exo-AUV，EAS)和一艘搭載觀測(cè)模塊的Exo-AUV(Observation Module-equipped Exo-AUV，EAO)。EAC搭載RTG或SMR電源及熱源，采用熱鉆混合法穿冰，EAS和EAO可置于EAC內(nèi)部，3者均可實(shí)現(xiàn)聲學(xué)通信，也可通過(guò)光纖接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。EAS可采用可折疊翼身艇體，搭載RTG電源，可長(zhǎng)時(shí)間、大范圍、定深、定速、定向航行，也可實(shí)現(xiàn)全海深滑翔，執(zhí)行冰水交界處和海底大尺度空間、大特征長(zhǎng)度對(duì)象的探測(cè)任務(wù)。EAO可采用圓盤(pán)型艇體，全驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，配備可充電電池，搭載多種MEMS科學(xué)載荷，適合局部微區(qū)小特征長(zhǎng)度對(duì)象的探測(cè)。EAS可以和EAO在水中機(jī)械連接后作業(yè)，也可兩者分別作業(yè)，EAS可作為EAO的運(yùn)載器，并為其提供充電和數(shù)據(jù)交換服務(wù)。由于木衛(wèi)二不同的潛力區(qū)域的場(chǎng)景條件區(qū)別較大；可探測(cè)對(duì)象較多，有的特征尺度超過(guò)1 km，有的小于1 μm；測(cè)量尺度也從全球性冰?？臻g跨越至局部微區(qū)。若要將眾多復(fù)雜的技術(shù)要求兼容到1艘Exo-AUV上，將造成不同場(chǎng)景下載荷的閑置，艇體空間、重量和能源的浪費(fèi)，對(duì)火箭有限的運(yùn)力和空間也將是挑戰(zhàn)。該研究提出的MEAS系統(tǒng)可以有效地解決上述問(wèn)題，能夠大大提升個(gè)體操縱性和魯棒性、系統(tǒng)生存力和作業(yè)效率。如果存在重大發(fā)現(xiàn)，還可通過(guò)多次發(fā)射任務(wù)、多點(diǎn)穿冰，基于多套MEAS系統(tǒng)搭建覆蓋全球冰?？臻g的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

圖3 一種多Exo-AUV系統(tǒng)作業(yè)概念

近年來(lái)，我國(guó)在各領(lǐng)域發(fā)展迅速，誕生了一系列耳熟能詳?shù)募舛搜b備和技術(shù)；然而，在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域仍鮮有重大發(fā)現(xiàn)。探測(cè)地外生命將高度依賴探測(cè)裝備和技術(shù)的重大科學(xué)研究和重大國(guó)家工程，具有極高的科學(xué)意義；其衍生價(jià)值也能融入社會(huì)生產(chǎn)和生活中，促生更多福澤民生、提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的顛覆性技術(shù)；符合我國(guó)的基本國(guó)情、長(zhǎng)久國(guó)策和國(guó)際地位。美國(guó)和歐洲在該領(lǐng)域起步雖早，但在Exo-AUV這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)并未建立絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)可在頂層建立管理地外生命探測(cè)工程的組織機(jī)構(gòu)，統(tǒng)籌相關(guān)基層單位提案、研討、決策、開(kāi)發(fā)和任務(wù)落實(shí)；培養(yǎng)多學(xué)科交叉的研究體系、團(tuán)隊(duì)和人才；論證目標(biāo)天體、科學(xué)目標(biāo)、工程實(shí)施和技術(shù)開(kāi)發(fā)路線；分階段、分層次、分領(lǐng)域地開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究和任務(wù)實(shí)施。當(dāng)下，以Exo-AUV為突破口逐步開(kāi)展冰天體生命探測(cè)任務(wù)的裝備與技術(shù)的開(kāi)發(fā)、開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)探測(cè)任務(wù)，對(duì)我國(guó)這樣肩負(fù)民族復(fù)興使命和人類(lèi)共同命運(yùn)的大國(guó)，具有極高的戰(zhàn)略意義。

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王斌, 秦洪德. 2024. 一種基于地外自主潛航器(Exo-AUV)的冰天體生命探測(cè)方法. 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 54(11): 3553–3573