太陽系中，以木衛二和土衛二為代表的冰天體具有突出的生命潛力，可能在21世紀解答人類關于地外生命的終極問題。然而，當前的所有空間探測器均無法進入水中探測。Exo-AUV能在冰殼中、冰水交界和海底等潛力區域執行生命探測任務，被多國航天機構寄予厚望。而具體在哪、基于何方法、開發何種Exo-AUV裝備和技術、達到什么目標，是未來冰天體生命探測任務重要議題。

哈爾濱工程大學船舶工程學院智能海洋航行器全國重點實驗室王斌和秦洪德以木衛二為假想目標，探討了冰天體生命探測任務的科學目標、可探測對象、潛力區域和生源性分析，提出了一種基于Exo-AUV的冰天體生命探測方法；解析了Exo-AUV在不同作業場景下的關鍵條件，提出了艇體、載荷和自主三方面基本技術要求；介紹了Exo-AUV的研究背景、研究現狀和存在問題，提出了一套Exo-AUV概念開發技術路線和一種多Exo-AUV系統作業概念(ConOps for MEAS)。該系統將幫助行星科學家和天體生物學家探索冰天體、尋找強生源信號，甚至活體生命和前生命化學系統。

該研究是船舶與海洋工程學中海洋機器人方向與行星科學和天體生物學的交叉，相關成果發表在《中國科學：地球科學》2024年第11期。木衛二和土衛二等冰天體具備微生物生存的基本條件。對冰天體的冰中、冰水交界和海底等生命潛力較高的區域開展生命探測，很可能發現強生源信號、活體生命，甚至解答生命誕生的問題。然而，當前的所有空間探測器均無法進入水中探測。地外自主潛航器(Extraterrestrial Autonomous Underwater Vehicle，Exo-AUV)可自主、高效地實現原位、多對象、多尺度、多維度的探測，將是行星科學家和天體生物學家探索冰天體、尋找地外生命的關鍵裝備。

該研究以木衛二為例，提出以生命潛力作為冰天體生命探測的科學目標，因為生命潛力既符合探測任務的假設內涵，又避免了二元性結論，可用于發現生命信號、活體生命和前生命化學系統。推測、評價和驗證生命潛力需要依據大量可感知的環境變量和參量，其中一些可能作為生命證據的被稱為生命信號。即使在地球，也存在生命繁盛和生命稀少的地區，探測木衛二的生命潛力應優先選擇那些生命潛力和生命信號潛力較高的區域。基于相似環境假設和生態學理論，該研究提出了潛力區域的推論，并認為冰中、冰水交界和海底等區域的生命潛力和生命信號潛力最突出。然而，當下主流的探測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。在寡營養系統中，生命的分布是稀疏且異質的。即使在冰下或海底這些理論上生命潛力較高的區域，如果僅采集到弱生源信號，那么無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果。

值得強調的是，該研究認為一個完整的探測任務至少應包含：假設、采樣、分析和驗證4個環節。而Exo-AUV及其穿冰載具幾乎可以抵達冰表以下任何潛力區域，并通過搭載多種科學載荷實現原位、多對象、多尺度、多維度的數據采集和分析。該研究基于生態位的思想，提出了一種全新的冰天體生命探測方法(圖1)。運用該方法，Exo-AUV可自主、高效地推測生命潛力最突出的局部微區，采集到更多相互正交的強生源信號甚至活體生命；此外，還能利用冰天體上的實測數據驗證、證偽或修正地球上建立的數據模型。該方法發揮了Exo-AUV在水下探測的優勢，避免了僅依賴被動采集的數據進行生源性分析的不足，將假設、采集、分析和驗證4個環節整合，形成了完整、閉環、可自主演化的冰天體生命探測方法。該方法將幫助Exo-AUV在有限的能源儲備、物料供應和人為干預下，在木衛二上百公里厚、覆蓋全球、寡營養的冰水層中發現強生源信號甚至活體生命和前生命化學反應，最終驗證生命潛力。

圖1 一種冰天體生命探測方法

該研究還以木衛二為例，將穿冰探測、冰水交界探測、海底探測3個典型作業場景解析為：作業環境、被測對象、關鍵操作和探測器本體4類場景條件，結合火箭發射、行星際飛行、進入木衛二軌道、冰表著陸等前序環節中的相關條件，提出了Exo-AUV及其穿冰載具的主要技術要求。

木衛二的冰殼和冰下海洋都是全球性的，冰殼可厚達數十公里，海底最深處靜水壓力甚至會達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堆(Small Modular Reactor，SMR)或放射性同位素熱電機(Radioisotope Thermal Generator，RTG)電源和熱源，采用熱鉆混合穿冰法和節能艇型，利用聲吶或合成孔徑雷達輔助導航，使用側向噴嘴或輔熱協助轉向和避障，穿透冰殼，將Exo-AUV布放入水中，并作為水下基站為其提供導航、通訊、數據交換和充電服務。Exo-AUV可采用耐壓艇體材料，搭載RTG電源和高性能的導航、通訊模塊，在海中不同深度、大范圍、長時間定深、定速、定向航行，通過變浮力設計實現滑翔，對生命潛力較高的局部微區抵近、懸停，必要時在冰下頂棲、海底底棲，覆蓋從大到小不同尺度的海域空間。

為了在巨大的冰海空間中發現稀疏、異質分布的強生源信號和活體生命，Exo-AUV及其穿冰載具要搭載多種科學載荷，利用聲學、視覺、光譜、電化學、分析化學、細胞生物學和分子生物學儀器載荷，逐步聚焦從數公里到亞微米不同特征長度的對象，原位采集形態、結構、成分、運動、分布、理化等多維度信息，在線完成生態位和生源性分析。木衛二距離地球遙遠，運載火箭的有效負載十分有限，冰表以上受到木星的強輻射，防護材料需求量較高，在保障探測能力的前提下，應用微機電(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術，實現載荷的小型化和輕量化。

木衛二與地球通訊延遲長達0.5 h，通信帶寬和窗口期十分狹窄，無法實現頻繁的人工干預和高通量的數據交換，復雜的生命探測任務將依賴探測器的自主性。首先，Exo-AUV及其穿冰載具應基于聲學、光學等感知方法自主定位、導航、規劃路徑，操控推進器、舵機和浮力調整航速和位姿。此外，基于該研究提出的探測方法，Exo-AUV還應實現科學自主，能夠在不同尺度空間中自主推測、篩選潛力區域，規劃探測任務，自主調用多種科學載荷直接或通過機載試驗完成數據采集和分析，自主驗證生命潛力和生命信號潛力的假設，自主更新計算模型，自主對重要數據進行篩選、概括、排序和通訊。

該研究評述了國外開發的Exo-AUV，認為現有設計大多不具備處理復雜生命探測任務的能力，遠未發揮出Exo-AUV平臺的潛力。為了避免未來的冰天體生命探測任務重蹈維京號(Viking 1 & 2)的覆轍，該研究提出了一套基于冰天體生命探測任務的Exo-AUV概念開發技術路線。該路線包含了影響Exo-AUV概念的關鍵元素，幫助開發者從科學目標開始研究Exo-AUV可探測的潛力區域和對象，設計探測方法，總結關鍵的場景條件，提煉所有的技術要求，從艇體、載荷和自主3個方面對概念進行設計或評價(圖2)。

圖2 Exo-AUV概念開發技術路線簡圖

基于該技術路線，該研究還提出了一種多Exo-AUV系統作業概念(Concept of Operations for Multiple Exo-AUV System，ConOps for MEAS)。一套最簡單MEAS系統(圖3)包括一艘穿冰載具(Exo-AUV Carrier，EAC)、一艘搭載勘測模塊的Exo-AUV(Survey Module-equipped Exo-AUV，EAS)和一艘搭載觀測模塊的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內部，3者均可實現聲學通信，也可通過光纖接口實現數據互聯。EAS可采用可折疊翼身艇體，搭載RTG電源，可長時間、大范圍、定深、定速、定向航行，也可實現全海深滑翔，執行冰水交界處和海底大尺度空間、大特征長度對象的探測任務。EAO可采用圓盤型艇體，全驅動設計，配備可充電電池，搭載多種MEMS科學載荷，適合局部微區小特征長度對象的探測。EAS可以和EAO在水中機械連接后作業，也可兩者分別作業，EAS可作為EAO的運載器，并為其提供充電和數據交換服務。由于木衛二不同的潛力區域的場景條件區別較大；可探測對象較多，有的特征尺度超過1 km，有的小于1 μm；測量尺度也從全球性冰海空間跨越至局部微區。若要將眾多復雜的技術要求兼容到1艘Exo-AUV上，將造成不同場景下載荷的閑置，艇體空間、重量和能源的浪費，對火箭有限的運力和空間也將是挑戰。該研究提出的MEAS系統可以有效地解決上述問題，能夠大大提升個體操縱性和魯棒性、系統生存力和作業效率。如果存在重大發現，還可通過多次發射任務、多點穿冰，基于多套MEAS系統搭建覆蓋全球冰海空間的探測網絡。

圖3 一種多Exo-AUV系統作業概念

近年來，我國在各領域發展迅速，誕生了一系列耳熟能詳的尖端裝備和技術；然而，在基礎科學領域仍鮮有重大發現。探測地外生命將高度依賴探測裝備和技術的重大科學研究和重大國家工程，具有極高的科學意義；其衍生價值也能融入社會生產和生活中，促生更多福澤民生、提升國家競爭力的顛覆性技術；符合我國的基本國情、長久國策和國際地位。美國和歐洲在該領域起步雖早，但在Exo-AUV這一關鍵環節并未建立絕對優勢。我國可在頂層建立管理地外生命探測工程的組織機構，統籌相關基層單位提案、研討、決策、開發和任務落實；培養多學科交叉的研究體系、團隊和人才；論證目標天體、科學目標、工程實施和技術開發路線；分階段、分層次、分領域地開展專項研究和任務實施。當下，以Exo-AUV為突破口逐步開展冰天體生命探測任務的裝備與技術的開發、開展專項探測任務，對我國這樣肩負民族復興使命和人類共同命運的大國，具有極高的戰略意義。

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

來源: 《中國科學》雜志社