我们的现代社会越来越依赖太空资产进行通信、导航、天气预报、科学数据收集和国家安全。截至 2025 年 1 月，全球监控网络正在跟踪地球轨道上 ~30,000 个人造物体（图 1A），包括用过的运载火箭上级、爆炸的卫星、丢弃的任务相关物体和凝固的燃料块等物品，以及功能性和非功能性卫星。全球监测网络只能跟踪近地轨道 （LEO） 大于 10 cm 的物体，而地球静止轨道 （GEO） 大于 1 m 的物体（图 1B）;因此，估计轨道上的天体总数要高得多。许多废弃的天体都处于稳定的轨道上，大气阻力可以忽略不计。每颗正常运行的卫星最终都会达到其寿命的终点，届时它也将成为太空碎片。
图1 .地球轨道有许多需要维修或离轨的天体。
（A） 此图表显示了截至 2025 年 1 月 9 日由美国太空监视网络正式编目的地球轨道上所有天体的摘要，按天体类型划分。“碎片碎片”包括卫星解体碎片和异常事件碎片。“与任务相关的碎片”包括作为计划任务的一部分分发、分离或释放的所有对象。说明信息由 NASA 轨道碎片计划办公室提供。（B） 按比例显示的环绕地球轨道的高度。插图提供了地球附近轨道的放大视图，按比例显示。插图还描绘了机器人航天器（黄色），未按比例显示，（C） 使用柔软的触手抓住不合作的卫星，并使用 （D） 羽流撞击和 （E） 磁感应使废弃的运载火箭上级翻滚。
图片来源：（A） NASA 轨道碎片计划办公室
随着时间的推移，碎片的积累，与正常运行的卫星或航天器相撞的风险呈指数级增长。最坏的情况是凯斯勒综合症：一种连锁反应，其中碰撞产生新的碎片，导致更多的碰撞和更多的碎片，最终导致 LEO 变得无法使用，这将是一场世界性的灾难。这种连锁反应可能会在很长的时间尺度上发生，许多人认为它已经开始了。碎片增加事件不仅仅是理论上的;已经发生了许多意外碰撞。物体也会自行爆炸或解体，例如中国火箭最近将计划中的 14,000 颗卫星（旨在与 SpaceX Starlink 竞争）中的前 18 颗卫星发射到 LEO;当它的上级解体时，它创建了 300 多个新的可跟踪对象。人们还担心反卫星导弹会产生碎片。2021 年俄罗斯的一次导弹试验导致国际空间站的机组人员躲在逃生舱中。这就是 2013 年电影《地心引力》开场片段中描绘的场景，展示了此类事件对轨道上的人和物体的危险性。
多国人士普遍认为，我们必须修复现有的碎片并转向更可持续的太空经济，这需要机器人航天器进行在轨维修以及碎片捕获和清除。我们必须进行在轨服务，为卫星加油、修理或升级 。我们还必须从 LEO 中捕获并移除废弃的物体，要么将它们减慢到较低的处置轨道，在那里它们将在 5 年内自然脱离轨道，要么将它们加速到 GEO 之外的墓地轨道（图 1B），这两者都可以通过使用机器人航天器连接改变物体速度的辅助技术或用机器人航天器牵引物体来实现。在捕获和移除的情况下，对物体的损坏本身并不是一个问题，但应注意避免产生新的碎片。各种形式的作都面临挑战，许多对象都很脆弱，许多对象不是为作而设计的，而且许多对象正在失控。
翻滚和抓住脆弱、不合作的物体是机器人技术的问题。一种潜在的解决方案包括使用传统的刚性连接机器人机械手将机器人航天器的运动与物体的运动同步，以便以最小的相对速度发生接触事件，然后使组合系统翻滚。为了降低与刚性对刚性接触相关的风险，已经提出了触手和其他软机器人方法（图 1C）。受 Gecko 启发的胶粘剂提供了一种粘附在非设计用来抓握的物体上的方法。软机器人方法的一个挑战是，许多常用的材料在恶劣的太空环境中可能表现不佳。还有一些很有前途的非接触式作方法：机器人航天器上的冷气体推进器可以向物体施加力，这被称为羽流撞击（图 1D）;动态磁场可用于在物体的金属体中感应出涡流，进而感应出力和扭矩（图 1E）;或者可以使用电子束在物体上施加负静电荷，从而产生相对于带正电的机器人航天器的力和扭矩。非接触式方法可能具有挑战性，因为涉及复杂的物理场、较小的力和扭矩，以及由此产生的长时间才能完成翻滚和其他作任务。如果目标只是捕获和移除，鱼叉和系留网是很有前途的解决方案。
地面通信的延迟和带宽限制需要高度的机器人自主性。大多数设想的翻转和在轨服务交互将严重依赖视觉伺服，并且需要估计对象的姿态、角速度和惯性属性。空间的特性带来了许多具有挑战性的计算机视觉问题，其中照明条件包括极暗和极亮，许多物体具有反光金属表面，并且许多物体并非经过精心设计即可跟踪。尽管我们知道轨道上许多最关键的物体，但与独一无二的物体的自主交互可能需要某种形式的机器学习。
多年来，人们对太空碎片构成的威胁的认识不断提高。传统上，关于该主题的大部分研究都是由对制导、导航和控制感兴趣的航空航天界进行和传播的。然而，考虑到在轨维修和碎片捕获和清除从根本上说是机器人问题，涉及作、计算机视觉、自主性和机器学习，机器人社区在为这些关键问题创建解决方案方面可以提供很多帮助。鉴于地球轨道的丧失会颠覆我们所知道的生命，我们这些能够为太空碎片问题做出贡献的人应该优先考虑这样做。