一位技术人员用他的手，平稳地从一颗人造卫星上卸下了一块损坏的太阳能电池，并将新电池安装在原来的位置上，连接上电线，最后把电池固定住。此时，这位技术员并没有漂浮在太空中，而是坐在德国航空航天中心（简称DLR，坐落于慕尼黑附近）的控制中心里。他头上戴着面罩，手上戴着数字化手套。真正执行实际工作的是一个，这个的双手可以非常精确地模拟技术员的动作。

　　技术员所配戴的面罩，实际上是一个安装在头部的显示器，他的头部动作由一个特殊的设备追踪记录，并传递给机器人。这个机器人的头部动作会和地面技术员同步。借助于安装在眼部的两台摄像机，机器人可以不断拍摄影像，传回地面，最终在技术员面前的微型显示器上显示出来。这样，地面技术员就获得了和机器人一样的视觉印象，就好像真的漂浮在太空中一样。

　　这里用到的技术叫做“远距临场”（telepresence），也是远程机器人技术最直接的一种形式。利用这种技术，科学家可以通过远程操作，让机器人前往人类难以接近的区域或偏僻地区作业，而操控机器人的科学家也有身临其境之感。这种技术的优点是显而易见的。有了人造手臂及手腕，太空作业就变得更加经济。即使机器人在大气层中烧毁，也只有经济上的损失。相比之下，如果由人类来完成太空作业，则需要把人送到太空，维持他在太空中的生存，最后还要保证，他可以安全返回地面，所有这些开销将远远超过机器人作业。

　　不过，如果“远距临场”技术要更加高效，不仅得让地面的技术人员看到作业场地中的零件，还得通过触觉反馈，感受到这个零件的存在：为了能够让技术人员把零件放到正确的位置上，必须要让他在地面上就可以感受，并克服来自遥远某处的机械阻力，让他感觉零件好像真的在手里一样。这种反馈机制被认为是机电一体化（mechatronics）领域里有待解决的难题之一。机电一体化是一种全新的机制，可通过机械制造技术（包括摄像及显示技术）、电子技术、信息技术及软件开发技术，创造出“智能机械”。

　　未来，可能会出现很多复杂的机电一体化系统，例如汽车，它可以利用自身携带的传感器及动力设备，主动避免行车事故；还有无人驾驶的飞行系统，它可以实现自行起飞、着陆，主动避免和其他飞行器相撞；机器人还会在人类征服太空的过程中、在工厂的生产过程中、在监护和陪伴人类的过程中，以及在精确的外科手术中得到越来越广泛的使用。目前，德国航空航天中心的机器人技术及机电一体化中心（RMC）正在对这些技术进行研究。

　　太空机器人

　　从“远距临场”的实现机制来看，这种技术一方面要把机器人传来的感应信号（包括拍摄和触觉反馈等信息）传递给操作人员，另一方面还要通过无线电波，把操作人员发出的指令传递给机器人。由于地面和卫星之间距离遥远，通讯信号的传输时间就成了至关重要的因素。

　　地球同步卫星的轨道高度为35790千米，从地面上的固定观测点来看，它们就好像悬浮在天空中一样，这么远的距离将使通讯信号的来回传输时间达到0.3秒。虽然近地卫星距离地面较近，但只有当通讯信号以直线传播时，才会比较节约时间，而近地卫星在围绕地球运行时，绝大部分时间都要以非直线传播的方式与地面保持通讯。

　　如果借助地球同步中继站卫星的信号转播，通讯信号的来回传输时间将增加至0.6秒。在需要触觉反馈信号的操作过程中，在这样慢速的通讯条件下，操作人员只能进行非常缓慢的操作。不过，科学家可以通过复杂的算法，来弥补这种由延时带来的不便。通过快速的互连技术，可以使通讯信号的传输时间减少到0.5秒以内，这样在地面上的每个点，都可以通过“远距临场”技术来遥控机器人。

　　时至今日，科学家都还只是以所谓的“短线”方式来使用太空机器人：宇航员坐在空间站内部，控制位于空间站外壳上的机器人——机器人用缆绳将航天飞机固定住，卸下所运载的货物，并完成太阳能电池的维修工作。理论上，机器人也可以用于空间站的内部维护，也可以协助空间站内的科学实验。我们可以事先为机器人编写好程序，规定它们该如何执行日常事务等。尽管在这样的环境下，机器人一定没有人类那么灵巧，但可以大大降低成本。而在空间站外部，宇航员必须要穿上厚重的防护装置并带上手套，才可以在外部作业，他们的灵巧程度想必很快就会被机器人超越。

　　在地球同步卫星所在的轨道上，至今都不曾有宇航员作业。在这个轨道上，可以说机器人是完全没有竞争对手的，科学家也一直在充分使用它们：太空中有数量庞大的通讯卫星，每一颗通讯卫星都被分配到一个固定的地点，理论上它们是不会偏离自己所在点的。当然，少数卫星偶尔也会发生一些偏移，此时，这些卫星就要通过位置调节喷口，向外喷射气体，从而调整自身位置。如果卫星存储的燃料快要耗尽，它们就应该用剩余的燃料，把自己推向太空里暂时无人使用的空间，为它们的后继者腾出位置。不过，这种方法并不是每次都能奏效。

　　对此，机器人系统能以“服务卫星”的形式提供援助。这样的机器人系统可以利用自身携带的俘获工具，与故障卫星远地端的发动机喷口对接。然后，机器人系统启动由太阳能供能的离子发动机，调整故障卫星的位置，从而延长卫星的寿命，或者直接将故障卫星送到“卫星墓地”。

　　在近地空间中，大约有数千吨的太空垃圾悬浮在距地面300～1 000千米高度的近地轨道之间，其中包括大量失控的卫星、发射过程中废弃的火箭助推器，以及撞击碎片等。在不久的将来，这些太空垃圾会使碰撞的危险逐渐变高，载人航天会因此变得困难重重，甚至无法实施。通过远程控制的机器人，可以捕获这些垃圾，将它们清理出卫星专用的通道。多数情况下，给这些太空垃圾安装一个小型的制动伞就可以解决问题——这样，大气所产生的阻力足以使垃圾碎片失去动能，最终坠毁或烧毁。

　　在使用远程控制技术来遥控位于近地轨道的机器人方面，德国航空航天中心已有多年的经验。在1993年的D2-任务中（即STS-55，“哥伦比亚号”航天飞机的第14次太空飞行，也是德国宇航员参与的第二次太空飞行，所以在德国被冠名为D2-任务），就使用了一个名为ROTEX的机械手臂，这个机械手臂上安装了大量的传感器，以及两部微型摄像机。由于当时的信号传输速度极其缓慢，所以科学家预先赋予了这个机械臂一定的自主能力。通过地面计算机的引导，科学家可让机械手臂自动捕获浮动的物体，但整个过程的信号传输需耗时6秒。

　　年，日本发射了一对名为ETS-VII的实验卫星，计划在太空中完成对接实验。在这次对接实验中，再次使用了ROTEX机械手臂。随着ROTEX上集成的技术越来越先进，安装了ROTEX的卫星可以用“泳状运动”的方式，在太空中实现预期的运动。日本同行已经可以用这条机械手臂，抓住有特殊标识的另一颗卫星。当然，要完成这个任务，需要满足一个不太现实的理想条件：相对于安装了机械手臂的卫星，另一颗卫星的运动速率必须足够小。

　　在国际空间站（ISS）的外壳上，连接了一条名为ROKVISS（在国际轨道空间站上使用的机器人实验组件）的机械手臂，这条机械手臂具有两个活动关节。从2005年至2012年，科学家针对这条机械手臂做了不少实验，结果表明，建立在图像信息和力反馈基础上的远距临场技术是可以实现的。力反馈机制是通过一个可以产生反作用力的操纵杆来实现的，这种操纵杆类似于在电脑游戏中广泛使用的游戏手柄。

　　在一定程度上，当年的ETS-VII只是一个实验项目：卫星可以借助自身携带的抓臂，将目标物体捕捉过来，而这个目标物体的外形以及运动特性都是事先知道的。相比之下，德国DEOS项目（德国轨道服务任务）将测试机械手臂在紧急情况下的反应。携带机械手臂的卫星有一个重要任务，即通过观测目标物体的外观及摆动幅度，实施简单的修理和维护工作，在紧急状况下甚至可以让目标物体坠毁在太平洋或大西洋中部地区，从而避免对居民区造成不必要的危害。为了达到这一目的，我们开发了一个拥有7个关节的机械抓臂，同时也开发了与之相关的软件，用以实现不同的抓取策略，这其中还包括了实时的图像处理功能。

　　自主火星车

　　在近地轨道上的修理及清理工作（近地轨道服务）是非常有用的，对技术的要求也非常高，不过更令人激动的还是对太阳系的探索。同样，采用比人力更高效、廉价的机器人，可以使太阳系的探索更容易一些。

　　与月球实现通信，控制信号的来回传输时间是2.5秒，而对于火星，控制信号的来回传输时间则长达15分钟。因此，基于图像和力反馈的“远距临场”技术在火星探索上就不适用了。地面上的操作人员只能预先设定一些粗略的目标。让火星上的机器人独立完成一系列任务，比如向目的地行驶、识别物体、采样、钻孔等。

　　上述的这些理想，在时至今日的多项火星计划中都没能完全实现。尽管如此，在1997年的“火星探路者”计划中，一辆名为“索杰纳号”（Sojourne）的火星漫步车，在火星表面的独立行驶路程已经接近100米。基于这次成功，美国航空航天局（NASA）于2003年向火星发射了两辆具有相同结构的火星车，分别被命名为“勇气号”和“机遇号”。它们于2004年抵达火星表面，行驶了比预期更长的距离。“勇气号”直到5年后陷在沙地中才停止运行，至此它一共行驶了将近8千米的路程。和“勇气号”相比，“机遇号”大概行驶了35千米，并依旧保持活跃。两辆火星车都可以指挥自身携带的机械手臂，这个机械手臂具有5个自由度（机器手臂可以做出的独立运动数量），可以拿起工具并操作照相机。和“索杰纳号”火星漫步车相似，地面的操作人员也预先给这两辆火星车设定了一系列的路标，火星车可以沿着这一系列预定的路标行驶。

　　年登陆火星的“好奇号”，同样也装备了一条机械手臂，并携带了大量用于实验的设备。这辆火星车也不是完全自主运行的，它会把拍摄到的照片传给地面的控制人员，以确保它始终可以在无障碍的路面上行驶。

　　不过，根据预先设定的目的地，“好奇号”完全可以自行决定从它所在的地点如何继续向前行驶。它可以先用自带的摄像头拍摄一组立体照片，再利用这组照片，生成可以反映周围环境的地图，然后根据这个地图计算出一条没有障碍的路径，沿着这条路径，它至少可以比原先更接近预设的目标。

　　走出一步之后，“好奇号”会按照上面的方式再拍摄新的照片，生成并分析地图，找到新的路径，然后继续前进。借助自身携带的计算机，“好奇号”每分钟已经可以计算4张这样的图片。当然，美国航空航天局只会在意外情况下才会使用上述方案，因为这里的科学家至今都不太相信完全自主的导航技术。

　　“阿西莫夫号”（Asimov）月球车，代表了更快速和真正自主的星球车。这辆月球车是由我们所在的学院和“业余科学家”组织（PTS）合作完成的，这个“业余科学家”组织是一个由德国和奥地利的年轻工程师组成的团队，他们共同推动了这个私营的月球漫步计划。

　　德国航空航天中心多年的准备工作，为“阿西莫夫号”自主导航的成功研制奠定了基础。一个可转动的立体摄像头，每秒钟可以拍摄并处理14张图片，最后转化为可以描述周围环境的3D模型。其中运用的算法叫做“半球匹配”（SGM），目前已经成为现代摄影测量学的一个标准。

　　这辆月球车的4个轮子都是独立驱动，并且,可以自由转向。在完全自主模式下，路径规划和防撞功能启动后，“阿西莫夫号”的最高时速可以达到每小时10千米。

　　未来的火星机器人将会在火星表面完全自主地驾驶车辆，收集、分析岩石标本，为随后到来的机器或人类接班人建造基础设施和住宅，用目前还无法利用的未知波段，向地面发送实时的立体图片。未来的火星机器人将会拥有怎样的运动设备，目前还没有统一的方向，可能是4个轮子或者6个轮子，也可能是6个或8个类似昆虫足的装置，抑或是这二者的一种混合模式。

　　可以依靠机械足前进的机器人也受到军方的密切关注。美国陆军开发了一部4条腿的“机器载重驴”，在不久的将来，它应该能以30千米的时速穿越人类难以通过的地形，同时还可以为士兵承担200千克的负载（参见《环球科学》2010年第8期《遥控战争：机器人，上！》）。目前，德国只有一辆4腿机械车，这就是在德国最古老的大众剧场Further Drachenstich中出现的那条喷火巨龙，它同样也得到德国航空航天中心的资助。作为全球最大的爬行机器人，这条喷火巨龙已经入选了吉尼斯世界纪录。