實現「零漂移」自主導航能力！數位孿生拯救了 NASA 機器人
在地球上理所當然的技術，到了外太空往往失靈。最經典的例子之一，是一般原子筆在無重力環境下根本寫不出字，對於太空機器人而言，最致命的問題則是方向感消失。
《Popular Science》報導，長年以來，部署在國際太空站的自主飛行機器人，經常因為導航誤差累積而「迷路」，最終得由太空人出手介入校正。直到最近，NASA 與光州科學技術學院（GIST）的研究團隊合作，透過導入「數位孿生」（Digital Twin）技術，終於為此難題找到了解方。
失去重力參照，機器人成迷途羔羊
在地面環境中，多數機器人仰賴慣性量測單元（IMU），利用「重力方向」作為定位與姿態判斷的參考基準。然而，在太空站這樣的微重力環境中，上下左右不再有絕對定義，即便是高精度感測器，微小誤差也會隨時間持續累積，最終導致姿態完全偏移。
這正是 NASA 自主飛行機器人 Astrobee 面臨的困境。Astrobee 原本設計用於接手盤點、拍攝、運送等例行工作，讓太空人能專注於科研任務；但導航不穩定，反而成為新的負擔。
為了克服這一點，研究團隊最初嘗試了「基於視覺的導航」（VBN）技術，希望機器人能透過攝影機觀察周圍環境來推斷自身方位。然而，國際太空站內部環境極為混亂，充斥著各種纜線、實驗設備和漂浮的物件，這種高度不可預測的視覺干擾，會讓導航系統失效。
數位孿生充當「視覺濾鏡」，過濾雜訊精準定位
轉捩點來自數位孿生技術。研究團隊根據 NASA 的設計藍圖，建立了一個不包含雜物的 ISS 三維數位模型，作為「理想狀態」的參考世界。
實際運作時，Astrobee 會將即時攝影畫面，與數位孿生生成的乾淨影像進行比對，藉此過濾掉漂浮物與臨時遮擋造成的視覺雜訊，只保留真正屬於太空站結構的線條與平面。
這些幾何特徵，再結合所謂的「曼哈頓世界假設」（Manhattan World Assumption），也就是，人造環境多由互相垂直的牆面、地板與天花板構成，讓機器人即使只憑極少量的視覺線索，也能精準校準自身方向。
誤差大幅降低，實現「無漂移」自主運行
這項技術成果顯著。應用新演算法後，機器人的平均絕對旋轉誤差被降低到了 1.43 度左右，且這個誤差不會隨時間累積，實現了真正的「無漂移」導航能力。這代表 Astrobee 機器人終於可以長時間獨立執行庫存盤點、記錄實驗等任務，而無需太空人隨時待命救援。
這項突破不僅對太空探索意義重大，對地球上的應用也充滿潛力。Pyojin Kim 教授指出，這項技術同樣適用於 GPS 訊號無法到達、結構明確的室內環境，例如大型建築、地下空間、工廠與倉儲。
當無人機、服務型機器人與自主移動設備越來越多，「如何在複雜環境中保持長時間穩定定位」正成為關鍵瓶頸。NASA 這次的經驗，提供了一條可能解法：與其讓 AI 在混亂世界中硬撐，不如先替它打造一個足夠可靠的「數位現實」作為錨點。
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＊本文開放合作夥伴轉載，資料來源：《Popular Science》、NASA、〈Drift-Free Visual Compass Leveraging Digital Twins for Cluttered Environments〉，首圖來源：NASA