解锁地外生命的“钥匙”！冰天体生命如何探测？

太阳系中，以木卫二和土卫二为代表的冰天体具有突出的生命潜力，可能在21世纪解答人类关于地外生命的终极问题。然而，当前的所有空间探测器均无法进入水中探测。Exo-AUV能在冰壳中、冰水交界和海底等潜力区域执行生命探测任务，被多国航天机构寄予厚望。而具体在哪、基于何方法、开发何种Exo-AUV装备和技术、达到什么目标，是未来冰天体生命探测任务重要议题。

哈尔滨工程大学船舶工程学院智能海洋航行器全国重点实验室王斌和秦洪德以木卫二为假想目标，探讨了冰天体生命探测任务的科学目标、可探测对象、潜力区域和生源性分析，提出了一种基于Exo-AUV的冰天体生命探测方法；解析了Exo-AUV在不同作业场景下的关键条件，提出了艇体、载荷和自主三方面基本技术要求；介绍了Exo-AUV的研究背景、研究现状和存在问题，提出了一套Exo-AUV概念开发技术路线和一种多Exo-AUV系统作业概念(ConOps for MEAS)。该系统将帮助行星科学家和天体生物学家探索冰天体、寻找强生源信号，甚至活体生命和前生命化学系统。

该研究是船舶与海洋工程学中海洋机器人方向与行星科学和天体生物学的交叉，相关成果发表在《中国科学：地球科学》2024年第11期。木卫二和土卫二等冰天体具备微生物生存的基本条件。对冰天体的冰中、冰水交界和海底等生命潜力较高的区域开展生命探测，很可能发现强生源信号、活体生命，甚至解答生命诞生的问题。然而，当前的所有空间探测器均无法进入水中探测。地外自主潜航器(Extraterrestrial Autonomous Underwater Vehicle，Exo-AUV)可自主、高效地实现原位、多对象、多尺度、多维度的探测，将是行星科学家和天体生物学家探索冰天体、寻找地外生命的关键装备。

该研究以木卫二为例，提出以生命潜力作为冰天体生命探测的科学目标，因为生命潜力既符合探测任务的假设内涵，又避免了二元性结论，可用于发现生命信号、活体生命和前生命化学系统。推测、评价和验证生命潜力需要依据大量可感知的环境变量和参量，其中一些可能作为生命证据的被称为生命信号。即使在地球，也存在生命繁盛和生命稀少的地区，探测木卫二的生命潜力应优先选择那些生命潜力和生命信号潜力较高的区域。基于相似环境假设和生态学理论，该研究提出了潜力区域的推论，并认为冰中、冰水交界和海底等区域的生命潜力和生命信号潜力最突出。然而，当下主流的探测方法都普遍重视生源性分析，而忽略了如何采集到高生源性信号。在寡营养系统中，生命的分布是稀疏且异质的。即使在冰下或海底这些理论上生命潜力较高的区域，如果仅采集到弱生源信号，那么无论二元诊断框架还是贝叶斯方法都难以得出高可信的分析结果。

值得强调的是，该研究认为一个完整的探测任务至少应包含：假设、采样、分析和验证4个环节。而Exo-AUV及其穿冰载具几乎可以抵达冰表以下任何潜力区域，并通过搭载多种科学载荷实现原位、多对象、多尺度、多维度的数据采集和分析。该研究基于生态位的思想，提出了一种全新的冰天体生命探测方法(图1)。运用该方法，Exo-AUV可自主、高效地推测生命潜力最突出的局部微区，采集到更多相互正交的强生源信号甚至活体生命；此外，还能利用冰天体上的实测数据验证、证伪或修正地球上建立的数据模型。该方法发挥了Exo-AUV在水下探测的优势，避免了仅依赖被动采集的数据进行生源性分析的不足，将假设、采集、分析和验证4个环节整合，形成了完整、闭环、可自主演化的冰天体生命探测方法。该方法将帮助Exo-AUV在有限的能源储备、物料供应和人为干预下，在木卫二上百公里厚、覆盖全球、寡营养的冰水层中发现强生源信号甚至活体生命和前生命化学反应，最终验证生命潜力。

图1 一种冰天体生命探测方法

该研究还以木卫二为例，将穿冰探测、冰水交界探测、海底探测3个典型作业场景解析为：作业环境、被测对象、关键操作和探测器本体4类场景条件，结合火箭发射、行星际飞行、进入木卫二轨道、冰表着陆等前序环节中的相关条件，提出了Exo-AUV及其穿冰载具的主要技术要求。

木卫二的冰壳和冰下海洋都是全球性的，冰壳可厚达数十公里，海底最深处静水压力甚至会达到马里亚纳海沟底部的2倍。穿冰载具可搭载小型模块化核裂变反应堆(Small Modular Reactor，SMR)或放射性同位素热电机(Radioisotope Thermal Generator，RTG)电源和热源，采用热钻混合穿冰法和节能艇型，利用声呐或合成孔径雷达辅助导航，使用侧向喷嘴或辅热协助转向和避障，穿透冰壳，将Exo-AUV布放入水中，并作为水下基站为其提供导航、通讯、数据交换和充电服务。Exo-AUV可采用耐压艇体材料，搭载RTG电源和高性能的导航、通讯模块，在海中不同深度、大范围、长时间定深、定速、定向航行，通过变浮力设计实现滑翔，对生命潜力较高的局部微区抵近、悬停，必要时在冰下顶栖、海底底栖，覆盖从大到小不同尺度的海域空间。

为了在巨大的冰海空间中发现稀疏、异质分布的强生源信号和活体生命，Exo-AUV及其穿冰载具要搭载多种科学载荷，利用声学、视觉、光谱、电化学、分析化学、细胞生物学和分子生物学仪器载荷，逐步聚焦从数公里到亚微米不同特征长度的对象，原位采集形态、结构、成分、运动、分布、理化等多维度信息，在线完成生态位和生源性分析。木卫二距离地球遥远，运载火箭的有效负载十分有限，冰表以上受到木星的强辐射，防护材料需求量较高，在保障探测能力的前提下，应用微机电(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术，实现载荷的小型化和轻量化。

木卫二与地球通讯延迟长达0.5 h，通信带宽和窗口期十分狭窄，无法实现频繁的人工干预和高通量的数据交换，复杂的生命探测任务将依赖探测器的自主性。首先，Exo-AUV及其穿冰载具应基于声学、光学等感知方法自主定位、导航、规划路径，操控推进器、舵机和浮力调整航速和位姿。此外，基于该研究提出的探测方法，Exo-AUV还应实现科学自主，能够在不同尺度空间中自主推测、筛选潜力区域，规划探测任务，自主调用多种科学载荷直接或通过机载试验完成数据采集和分析，自主验证生命潜力和生命信号潜力的假设，自主更新计算模型，自主对重要数据进行筛选、概括、排序和通讯。

该研究评述了国外开发的Exo-AUV，认为现有设计大多不具备处理复杂生命探测任务的能力，远未发挥出Exo-AUV平台的潜力。为了避免未来的冰天体生命探测任务重蹈维京号(Viking 1 & 2)的覆辙，该研究提出了一套基于冰天体生命探测任务的Exo-AUV概念开发技术路线。该路线包含了影响Exo-AUV概念的关键元素，帮助开发者从科学目标开始研究Exo-AUV可探测的潜力区域和对象，设计探测方法，总结关键的场景条件，提炼所有的技术要求，从艇体、载荷和自主3个方面对概念进行设计或评价(图2)。

图2 Exo-AUV概念开发技术路线简图

基于该技术路线，该研究还提出了一种多Exo-AUV系统作业概念(Concept of Operations for Multiple Exo-AUV System，ConOps for MEAS)。一套最简单MEAS系统(图3)包括一艘穿冰载具(Exo-AUV Carrier，EAC)、一艘搭载勘测模块的Exo-AUV(Survey Module-equipped Exo-AUV，EAS)和一艘搭载观测模块的Exo-AUV(Observation Module-equipped Exo-AUV，EAO)。EAC搭载RTG或SMR电源及热源，采用热钻混合法穿冰，EAS和EAO可置于EAC内部，3者均可实现声学通信，也可通过光纤接口实现数据互联。EAS可采用可折叠翼身艇体，搭载RTG电源，可长时间、大范围、定深、定速、定向航行，也可实现全海深滑翔，执行冰水交界处和海底大尺度空间、大特征长度对象的探测任务。EAO可采用圆盘型艇体，全驱动设计，配备可充电电池，搭载多种MEMS科学载荷，适合局部微区小特征长度对象的探测。EAS可以和EAO在水中机械连接后作业，也可两者分别作业，EAS可作为EAO的运载器，并为其提供充电和数据交换服务。由于木卫二不同的潜力区域的场景条件区别较大；可探测对象较多，有的特征尺度超过1 km，有的小于1 μm；测量尺度也从全球性冰海空间跨越至局部微区。若要将众多复杂的技术要求兼容到1艘Exo-AUV上，将造成不同场景下载荷的闲置，艇体空间、重量和能源的浪费，对火箭有限的运力和空间也将是挑战。该研究提出的MEAS系统可以有效地解决上述问题，能够大大提升个体操纵性和鲁棒性、系统生存力和作业效率。如果存在重大发现，还可通过多次发射任务、多点穿冰，基于多套MEAS系统搭建覆盖全球冰海空间的探测网络。

图3 一种多Exo-AUV系统作业概念

近年来，我国在各领域发展迅速，诞生了一系列耳熟能详的尖端装备和技术；然而，在基础科学领域仍鲜有重大发现。探测地外生命将高度依赖探测装备和技术的重大科学研究和重大国家工程，具有极高的科学意义；其衍生价值也能融入社会生产和生活中，促生更多福泽民生、提升国家竞争力的颠覆性技术；符合我国的基本国情、长久国策和国际地位。美国和欧洲在该领域起步虽早，但在Exo-AUV这一关键环节并未建立绝对优势。我国可在顶层建立管理地外生命探测工程的组织机构，统筹相关基层单位提案、研讨、决策、开发和任务落实；培养多学科交叉的研究体系、团队和人才；论证目标天体、科学目标、工程实施和技术开发路线；分阶段、分层次、分领域地开展专项研究和任务实施。当下，以Exo-AUV为突破口逐步开展冰天体生命探测任务的装备与技术的开发、开展专项探测任务，对我国这样肩负民族复兴使命和人类共同命运的大国，具有极高的战略意义。

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王斌, 秦洪德. 2024. 一种基于地外自主潜航器(Exo-AUV)的冰天体生命探测方法. 中国科学: 地球科学, 54(11): 3553–3573