这是最终能在火星上找到生命的机器吗？

当我们追上机器人时，它正以一种颠簸不已、相当迷茫的方式穿过阿塔卡马沙漠，这片沙漠覆盖了智利北部的大部分地区。阿塔卡马沙漠据说是地球上最干旱的地方，降雨量以毫米每十年计算。对于人类或机器人来说，这都是一个艰苦的地方，高原和页岩山麓组成的黄褐色迷宫，阳光明媚，天空蔚蓝。因此，一群来自卡内基梅隆大学的工程师来到这里测试他们的发明，一个六英尺半长、440 磅重的机器人，用于在看似毫无生命的环境中探测生命。该机器人配备了一种识别有机分子的尖端系统，但它看起来并不高科技，更像是用备用自行车零件组装起来的机器人露台桌。尽管它的多节轮子可以以人类轻快的步行速度吸收平坦的地形，但现在它遇到了麻烦。

“啊，这就是拒绝的角度，”卡内基梅隆大学的机器人专家戴维·韦特格林说。这个机器人名叫 Zo，希腊语中意为“生命”。它一直在爬上陡峭的山脊，但突然间它的导航软件要求它完全停下来。Zo 被困在无法通行的岩石和沙土斜坡上。在 100 码外，两名年轻的工程师正坐在他们的 4×4 驾驶室里，敲打着戴尔笔记本电脑，通过共享无线网络访问 Zo 的传感软件。在他们的屏幕上，他们和机器人一样看到了世界，一片黑、白、灰的田野；地形越白、越陡、越高——最好避开。那里有很多白色。

Wettergreen 将一根电缆插入机器人，暂时切换到手动控制。电缆末端有一个操纵杆状的杠杆，他用它操纵机器人绕过最陡峭的地段——从外表看，就像一个男人在遛他的大狗。卡内基梅隆大学的机械工程师 Chris Williams 和 Wettergreen 一起在 Zo 旁边跋涉，他分享了机器人——
处理职责。“如果她从什么东西上摔下来，我的工作时间就会白白浪费，”他说。

难怪韦特格林的团队害怕毁掉他们花了 18 个月时间组装的这台机器。但 Zo 的自主导航能力只是这项任务的一半。该项目的承销商 NASA 想看看 Zo 能否为一个地质学家和生物学家团队执行科学任务，该团队正在 4,900 英里外的匹兹堡远程管理它。一项寻找火星生命的任务计划于 2016 年左右进行。如果这次试运行一切顺利，Zo 的一名技术后裔将登上飞船。

但这个十月的下午，在地球上，在地形与火星极为相似的环境中，程序员们却露出了沮丧的表情。今天早上，当他们输入 Zo 的每日任务计划时，他们心存疑虑。现在，他们近距离观察了 Zo 应该经过的山丘和排水沟，他们确信了。匹兹堡的科学家们告诉 Zo 应该去哪里，他们已经失去了集体理智。

从小绿人到小绿虫

20 世纪 70 年代和 80 年代初是外星生命的鼎盛时期——想想著名天文学家卡尔·萨根的书籍和《今夜秀》节目，斯皮尔伯格的电影《第三类接触》和《外星人》中充满青春期的渴望，想要与……外星生命建立联系。但是，尽管射电天文学家花费了无数的时间试图拦截来自某个超级智慧星际文明的电磁频率，但迄今为止的收获却为零。流行文化转向了其他痴迷。

但 NASA 及其独立承包商 SETI（搜寻地外文明）研究所并没有放弃搜寻，他们只是重新调整了搜寻重点。新的口号是“天体生物学”：寻找其他星球上的微生物。寻找小绿人的工作已经让位于寻找小绿虫的工作。

如果细菌缺乏外星身份，至少在火星上找到它们的可能性不大。火星是距离我们第二近的行星邻居，在许多方面与地球最相似。“如果生命确实在我们的太阳系中独立地开始了两次，”NASA 高级研究员 Chris McKay 说，“那就说明生命在宇宙中很容易开始。如果是这样，为什么它不能在其他地方发展出智慧？”绿色小虫子的发现可以被认为是生物学上哥白尼革命的等价物，当时人类意识到宇宙并不围绕着它们旋转。如果我们并不孤独呢？

最有可能回答这个问题的设备是外表滑稽的 Zo。由于火星上的生命就像大海捞针，我们需要一个能够将大海缩小到可控大小的检测系统。Zo 是正在开发的领先技术，它将灵活的机器人平台与检测微观生命的科学仪器相结合。无需收集和分析土壤样本，只需瞄准、射击并继续前进，速度大约是目前在火星上行驶的勇气号和机遇号探测器的 20 倍。Zo 以狗的方式标记其搜索区域，在地面上喷洒特殊染料使有机分子发出荧光，然后尝试用相机捕捉它们。

在真正的火星任务中，科学家不会派出一大群工程师到现场检查发动机内部情况，因此智利实地团队和匹兹堡科学团队之间的交流被控制在最低限度。尽管如此，他们仍必须密切合作。由于地理距离的增加，工程师和生命科学家之间的天然鸿沟很有可能进一步扩大。

匹兹堡的科学家们随口说出了“神秘”和“涅槃”等字眼，他们往往关注这项任务的深远影响。法国出生的 SETI 行星地质学家、42 岁的 Nathalie Cabrol 是科学团队的负责人，她梦想着有一天自己能够住在火星的空间站里，一连几年从事行星科学研究——尽管人类首次登陆火星的最乐观估计日期是 2025 年。

相比之下，地面工程师则非常务实。对他们来说，智利沙漠是一个不寻常的、非常酷的机器人研发地点，除此之外什么都没有。“对科学家来说，沙漠就像是火星的超原始模拟，土壤中有着迷人的小细菌，”威廉姆斯沉思道。“对他们来说，火星车只是一个工具。而对我们来说，这是我们每周工作 50 小时所得到的。”Zo 必须穿越这种智力鸿沟。

极端微生物科学

位于匹兹堡卡内基梅隆大学办公楼四楼的远程任务控制室里，教室椅子和笔记本电脑乱七八糟，但看起来却没什么特别的，这正是问题的关键所在。在人力所能及的范围内，在这里工作的大约 20 名生物学家、地质学家和仪器专家团队应该生活在 Zo 的头脑中。他们通常在下午 1 点到达，查看前一天晚上的数据并处理零碎事宜。然后，当新的一天结束时的数据流在晚餐时间左右到达时——匹兹堡和阿塔卡马处于同一时区——他们就会全速运转。

每个工作日结束时，Zo 都会拍摄照片，然后将它们拼接成全景图。匹兹堡的科学家们仔细研究这幅图像，就像研究神圣的符文一样。根据照片中可见的地标，他们必须确定机器人的准确位置。这个地点将成为第二天旅行的起点，匹兹堡的科学家们将规划好行程，然后上传到服务器。他们的计划描述了 Zo 第二天应该采取的路线，以到达生物学上最有利的地点（在天气好的时候，机器人可以行驶七英里）。Zo 会找到自己的路，或者在尝试中倒下，它可以选择自己的路线。工程师只会在紧急情况下进行干预。

为了制定每天的行程，匹兹堡团队仔细研究了仪器数据和 Zo 荧光相机拍摄的照片。到了凌晨 1 点，有时是 2 点，他们就收工了。大多数科学家都是从其他机构借调过来的，比如加利福尼亚州的 NASA 艾姆斯研究中心，所以他们一起步行五个街区到假日酒店，在各自的电视屏幕前放松身心，希望这一次他们的生物钟能让他们睡个懒觉。“这是感官剥夺，”NASA 和加州大学伯克利分校的生物学家 Kim Warren-Rhodes 高兴地说。

这些例行工作听起来可能有些无趣，但匹兹堡的科学家们却觉得自己陷入了一场伟大的侦探故事中，寻找生命，其运作方式可以概括为“跟着水走”。

我们所知道的生命的公式是碳+水+能源。科学家认为，38 亿年前火星上可能存在这三种物质。火星上曾经（现在仍然）有大量二氧化碳，几乎肯定有水（著名的火星峡谷和水道被认为是由流水冲刷而成），有证据（但尚未证明）表明极地冰盖可能捕获了地热，而地热是生命诞生的源泉。“关键是，火星是一颗地质活跃的行星，水资源丰富……你明白我的意思吗？”科学团队中身材魁梧、兴奋的地质学家詹姆斯·多姆说。“这非常诱人，以至于晚上很难入睡。”

大约 35 亿年前，火星的气候变得不再适宜居住，但天体生物学家推测，原始生命可能已经适应了这种日益恶化的环境，它们以孢子的形式藏身于火星表面下，或在地下水洞中嬉戏，人们怀疑这些水洞的存在，但尚未得到证实。

最近，在地球上最不可能的地方发现了细菌——海底、溶解了铁的橙色河流——这支持了这样的观点：如果生命能在那里生存，它就能在任何地方生存。这些几乎顽强的细菌的专业术语是“极端微生物”。

匹兹堡团队的领队娜塔莉·卡布罗尔 (Nathalie Cabrol) 浑身散发着探险登山者的坚韧，她似乎是人类版的他们。Zo 任务将于 10 月中旬结束，届时她将告别假日酒店，并再次在美国宇航局的支持下，第四次攀登阿塔卡马东部 19,731 英尺高的林坎卡布尔火山。“我不是一个胆大包天的人，”她用带有口音的英语告诉我，“但我在 20,000 英尺高的湖泊中自由潜水，所以你知道我来自哪里。”在这个高度，大多数人的直立能力都会受到考验，她打算潜入山顶附近的火山口湖，用各种仪器测量生命会坚持多久才能存活下来。“我去过几次这个街区，最极端的街区，但我还没有找到一个没有生命的地方，”她说。 “无论你在哪里遇到障碍，你都会找到绕过它的方法。”

Zo 和男孩们

风速稳定在每小时 25 英里，温度也温和，尽管太阳把我们愚蠢的帽檐晒得通红。今天阿塔卡马沙漠的天气对人类来说相当不错，但对机器人来说就不是了。“我认为计划是拍摄这些山丘之间的空隙，”韦特格林告诉一位新来者，“但科学小组的方向有点偏。他们说有平地，但这里没有，所以当机器人遇到它无法处理的事情时，我们就会收工。”

Zo 的桅杆上部约三分之二处装有两台立体摄像头，视野为 60 度。它们就像人眼一样，提供深度感知。由于桅杆与前轴一起旋转，因此无论 Zo 朝哪个方向行驶，它都能“看到”前方七米的距离，并且大约每秒拍摄五张地形照片。三台车载计算机中的一台会评估这七米的距离，并相应地调整方向和速度，然后在五分之一秒后，再看到接下来的七米距离，并做出一系列全新的决策。

数千年来，风和水塑造了阿塔卡马沙漠的轮廓。如今，Zo 一直勇敢地穿越排水沟的边缘。但按照匹兹堡科学家的计划，它现在被要求爬上大约 10 英尺高的河岸。它的轮子扎进土壤，像山羊一样向上移动了几英尺，然后失去牵引力并滑落。机器人以略微不同的攻击角度再次尝试，一次又一次。这就像看着一个糟糕但坚定的司机试图平行停车。正如韦特格林所说，“Zo 非常执着，尽管它的知识有限。”

特雷·史密斯 (Trey Smith) 和多米尼克·乔纳克 (Dominic Jonak) 是四驱车上的 20 多岁的程序员，他们考虑修改 Zo 的导航算法，以便更好地应对意外地形。或者，他们可以在笔记本电脑上重写匹兹堡科学家计划的这一部分，并将其下载到 Zo。但根据游戏规则，除非绝对必要，否则他们不能凌驾于科学团队之上。如果一切都失败了，总有操纵杆可以帮上忙。“好吧，我们不会再学其他东西了，”韦特格林喊道。“让我们把事情扭转过来。”

好的一面是，机器人没有对自己造成任何伤害，没有翻滚或与中间的大石头相撞。“这曾经是你无休止地努力解决的问题，”韦特格林说，“让机器人不撞到东西。”

然而，正如这次事件所表明的那样，Zo 的自主导航并非万无一失。问题在于长距离视觉：它没有。云台摄像机单元与导航系统的集成仍在待办事项清单上。因此，大局决策——爬哪个坡、如何最好地穿过排水区——超出了机器人的能力范围。

“我们对这个机器人的每个系统都进行了非常严格的测试，因此故障在所难免，”韦特格林告诉我。“我希望 80% 的部件都能正常工作。如果超过这个数字，我们就没有尽全力。”

聚光灯下的生活

Zo 的自动驾驶能力是多年机器人自主研究的成果。相比之下，它的生命感应系统（从底盘沿垂直轨道下降以捕捉荧光图像的摄像头）是由卡内基梅隆大学成像专家艾伦·瓦格纳最近开发的。

在适当的条件下，有机分子会以特定的方式发出荧光，而这些荧光可以被摄影捕捉到。在过去的二十年里，荧光显微镜帮助破译了人类基因组，并为我们提供了快速可靠的艾滋病毒检测。但这种技术是在黑暗的实验室条件下进行的，而 Zo 是太阳能供电的，不喜欢在晚上工作。瓦格纳的解决方案是：他为 Zo 配备了一个高功率闪光灯，可以照射地面，定时为相机 1/50,000 秒的曝光时间。在那一刻，闪光灯传递的能量足以激发有机分子叶绿素，使其发出荧光，同时消除环境阳光对图像的任何干扰影响。

下一个问题：沙漠生物在白天最热的时候会停止产生能量，而此时 Zo 最活跃。Waggoner 的解决方案是：在拍摄完一组初始图像后，Zo 会放下一组喷水的塑料喷嘴，鼓励任何微生物在下一组图像中苏醒并绽放。

如果 Zo 探测到叶绿素（在阿塔卡马沙漠，可能是地衣），它就会开始 Cabrol 自豪地称之为“飞行科学”的工作。机器人“决定”该区域是否值得花更多时间，并进入密集成像模式，寻找难以检测的细菌。它通过喷射诊断染料来准备地面，每种染料都与生命四种基本大分子之一（蛋白质、脂质、碳水化合物或 DNA）结合。一旦附着在染料上，这些有机分子在闪光灯下会发出荧光，并在发送到匹兹堡的黑白图像上显示为亮斑。

当 Zo 密集喷洒、染色、过滤和拍摄的生动图像传到匹兹堡办公室时，美国国家航空航天局和加州大学伯克利分校的生物学家沃伦-罗德斯惊呼道：“它像圣诞树一样亮了起来。”每当收获的成果中出现细菌时，房间里的兴奋之情便显而易见，因为与地衣不同，细菌是肉眼看不见的。在这些时刻，科学家们可以通过 Zo 远程了解有关阿塔卡马沙漠的更多信息，而不是亲自拿着石锤和桶去那里。

一天晚上，在匹兹堡，沃伦-罗德斯正在研究笔记本电脑屏幕上的一系列荧光图像，就像放射科医生担心有问题的 MRI 一样：那是脂质还是背景荧光？卡布罗尔无法回答——她的专业是行星地质学，而不是陆地生物学——但她提醒沃伦-罗德斯寻找总体模式。“这里有可预测性吗？”卡布罗尔问道。“我们如何将其转变为 Zo 可以学习如何进行的自主过程？”我问沃伦-罗德斯，她和 Zo 哪个是更好的阿塔卡马生物学家。“我更优秀，”她毫不犹豫地说道。“我在极端沙漠中度过了这么多时间。”几年后呢？“哦，就像卡斯帕罗夫玩 IBM 的深蓝一样。到第 6 局，我就不在这里了！”

平行宇宙

当 Zo 的太阳能电池板吸收了最后一丝暮色后，工程师们撤退到工地营地，那是智利金矿公司留下的一堆没有暖气的木屋。（房间在晚上很冷，厕所也一个接一个地坏了，但对于 40 岁的 Wettergreen 来说，他已经完全适应了野外生活，与以前在工地上搭帐篷或睡在星空下相比，这种生活简直是太舒适了。）

10 月 7 日星期五，当团队在公共通讯室将数据上传到匹兹堡时，卡内基梅隆大学的年轻工程师多米尼克·乔纳克难以置信地抬起头看着电子邮件：“他们问我们从哪个山谷来。比如我们过去几天去哪儿了。”建造了 Zo 大部分建筑的机械工程师威廉姆斯笑着说：“我们是在地图的这一半还是另一半？我们被一支迷路的科学团队指挥着！”

现在，过去几天发生的所有混乱突然都说得通了。匹兹堡的科学家们没有把 Zo 送入残酷的地形，因为他们已经
马虎或漫不经心。他们本想让机器人沿着最容易通行的路线前进，但他们却生活在一个平行宇宙中。他们以为 Zo 位于一个可以向西畅通无阻的山谷中，但实际上它位于九英里外的另一个山谷中。当匹兹堡团队命令它向西行驶时，它却撞上了两个山谷之间的山麓。

年轻的技术员往往不会特别宽容别人的错误。但随着理解的深入，他们也意识到了科学团队的困境。“当你身处像我们一样的圆形山丘中时，”史密斯说，“一座山峰看起来就像另一座山峰一样。”

当晚晚些时候，当匹兹堡队的结果揭晓时，风险更高了，更衣室里随意的氛围明显消失了。

远程大脑，沙漠身体

匹兹堡团队一直意识到，它就像一个罐子里的大脑，只能向某个实体发出指令，而它只能推断出该实体的位置。Zo 的野外作业季节包括三个小型任务，从沙漠中的不同“着陆点”开始。正如 NASA 的科学家只能大致知道他们的航天器将在火星上着陆的位置一样，当 Zo 被转移到阿塔卡马沙漠的一个新地点时，匹兹堡团队并不知道它的具体位置。他们只知道机器人位于地图上画的一个红色圆圈内的某个地方。

由于火星缺乏 GPS 工作所需的卫星，匹兹堡团队只能用老式方法定位 Zo，即利用可识别的地标对它的位置进行三角测量。为此，团队不断比较投影在房间前面的屏幕上的两幅图像：Zo 最新的一天结束时的全景照片，以及包含当前“着陆”点的阿塔卡马沙漠部分的卫星图像。他们在全景图像上确定三个突出点，然后在轨道图上定位这些点。如果他们在轨道图上为 Zo 选择的位置相对于三个选定的地图点的几何形状与 Zo 相对于三个全景照片点的几何形状相同，那么机器人就在现实世界中被发现了。或者，如果他们不小心，就会在现实世界中迷失。

詹姆斯·多姆是该团队的首席三角测量员。在野外作业期间，他日夜伏在笔记本电脑前，将地质“单元”绘制到阿塔卡马的卫星图像上——他曾花费无数时间制作了五张已发布的火星地图，这又是一次重演。“我熬了很多个通宵，”他说。

过去三周，多姆的准确度一直很好，但自从 Zo 在十月初到达最终地点后，他就再也没有像往常一样自信了。10 月 7 日，就在乔纳克和他在阿塔卡马的同事们意识到两支队伍步调不一的同时，来自爱荷华大学匹兹堡办公室的一名观察员也发现了令人吃惊的九英里差距。很快，匹兹堡和沙漠之间就开始互发电子邮件。当工程师们在寒冷的通讯室里咯咯笑着时，韦特格林和卡布罗尔达成了共识：过去四天里，他们一直在不同的现实中旅行。卡布罗尔没有从椅子上站起来。“你们来错了山谷，”她平静地告诉她的团队，引得大家倒吸一口凉气，紧张地大笑起来，然后大家松了一口气。 “感觉就像身处另一个世界，这个世界如此相似，如此合理，你无法摆脱它，”沃伦-罗德斯后来说道。“但你脑子里总是有这样的想法：‘有些事情不对劲。’”

事后，爱荷华州观察员盖布·托马斯 (Geb Thomas) 指出，着陆点圆圈位于地图边缘附近，匹兹堡的科学家从未要求查看相邻的地图。“他们试图用眼前的碎片来解决难题，却没有人想到要把架子上的另一块拼图拿下来。”

概念验证

这是 NASA 为 Zo 项目提供的为期三年、总额为 400 万美元的资助的最后一年。如果 NASA 对结果感到满意，Wettergreen 和 Cabrol 希望该机构能够批准一项新的资助提案，以进一步开发和测试。他们可能在 2007 年重返沙漠。

至于 Zo 在智利沙漠中迷失方向奔跑的日子，这是一个有用的教训，但并不是什么大问题：在真正的火星任务中，NASA 专家将拥有更多可用于追踪机器人的工具，包括更复杂的无线电数据和下降图像。

然而，仍有许多技术问题需要解决。Zo 的生命探测技术尚不成熟，无法捕捉到所有生命迹象。此外，喷水系统虽然能很好地恢复阿塔卡马沙漠的活力，但在火星上却毫无用处，因为火星的气压很低，水只能以冰或蒸汽的形式存在。Zo 目前的构造会将喷嘴冻住。

Cabrol 并不担心。“我觉得我们正在一扇扇门一扇地推开，”她说。“这更像是一个概念验证。”Zo 取得了长足的进步。去年，相机盒的复杂程度远远不够，以至于每次机器人停下来进行荧光成像时，64 岁的 Waggoner 都必须跪下来，用普通的花园喷雾器喷水和染料（当时只有两种）。

10 月 9 日是我与 Zo 相处的最后一天，机器人正要去上班，团队的三辆四轮驱动车跟在后面，这时我们遇到了一辆载着矿场保安人员的卡车。他们不但不觉得机器人队伍很困惑，反而认为 Zo 是当地的名人。“在智利测试机器人对人类来说是一件大事，”司机用西班牙语说道。“我现在正在拍照，等这个机器人去火星时，我可以给我的朋友们看。”智利人离开后，克里斯·威廉姆斯摇了摇头。

“我说过很多次了。这个机器人不会去火星，”他说。“但技术可能会。”这就是机器人原型的命运，也是工程师“给我看看”实用主义的基调。然而，回到匹兹堡，娜塔莉·卡布罗尔以更宏大的眼光看待 Zo 的初出茅庐的努力：“数千代人一直在思考其他地方是否存在生命。他们是否因得不到回应而感到失望？答案是，他们一直在问这个问题。不同的是，我们这一代可能拥有找到它的技术能力。”

PopSci 特约编辑约瑟夫·胡珀 (Joseph Hooper) 经常撰写有关机器人技术的文章。