地外天体探测是人类航天活动的重要方向，是空间科学与技术创新的关键途径。探测方式从掠飞、环绕到着陆、巡视和采样返回，其中巡视探测和采样返回能有效拓展探测的广度和深度。我国已实现对月球、火星等地外天体的采样或探测，未来将向小行星、木星及其卫星、海王星延伸，并进行更大范围、更大深度的采样。这些任务呈现出探测集中、目标广泛、距离更远、要求更高的趋势。

星壤内部富含能源和矿产资源，可能包括水冰，这对维持航天员生命及建造地外基地至关重要。然而，星表环境与地球差异显著，需针对不同星体特性创新技术。发展智能采样探测技术，解决星壤穿透、采集、转移和利用等难点，并研究任务规划方法，以满足实时性、鲁棒性和安全性的需求，是深空探测技术未来发展的重要方向。

欧西里斯-雷克斯号小行星探测任务

欧西里斯-雷克斯号（OSIRIS - REx）是美国首个从小行星带回样本的任务，目标是采集近地小行星贝努的样本以研究太阳系的起源。采用“一触即走”方式仅需5s完成采样，2020年执行并于2023年返回地球，携带约250g样品，是自“阿波罗”（Apollo）以来最多的太空样本量。一触即走样品采集机构（Touch - And - Go - Sample），使用铰接臂和气体激励法，在低重力环境中用氮气吹拂表面，收集风化层和小石子，样本通过聚酯薄膜挡板后进入收集隔间，完成采样任务。欧西里斯-雷克斯号探测器具备多项智能化功能，显著提升任务效率。其智能化系统涵盖以下几个方面：首先是数据采集与处理。在实时监测过程中，光谱仪和相机等设备协同工作，同步获取物质成分和表面图像信息，并通过数据融合技术准确分析物质分布。此外，探测器能自动预处理数据（如：滤波降噪），以提高数据质量并减少传输量。其次是采样操作的智能化控制。探测器利用地形和成分数据，自主选择最佳采样点，例如寻找物质丰富且地形平坦的区域。在采样过程中，反馈控制机制实时调整臂部动作，确保顺利完成任务，并能应对异常情况，如更换采样点。第三是通信管理。探测器采用高效压缩算法减少数据量，并根据通信链路状态调整传输优先级和速率，确保重要数据及时传输，同时实时监控并调整通信参数以维持稳定连接。最后是故障诊断与自主修复功能。探测器通过实时监测系统状态，利用历史数据分析预测潜在问题，并能尝试自主修复轻微故障，如调整异常部件的工作参数。这些智能化功能使得欧几里得号能够高效、可靠地执行任务，显著提升了探测效果和数据准确性。“一触即走”采样方式与样品收集容器如图1所示。

“火星科学实验室”探测任务

“火星科学实验室”由多国科研团队共同研发，总质量约900kg，主要任务是探索火星地质、寻找水和生命迹象。其核心仪器好奇号（Curiosity）火星车配备了长2m的机械臂、岩石研磨工具和钻孔设备以收集样本。好奇号具备智能化功能：自主导航系统利用激光测距仪和摄像头实时规划路径，避开障碍物；采样相机通过激光分析岩石化学成分，火星样品分析系统自动处理样本并检测有机物。数据系统压缩和筛选信息，优先传输关键数据，并能自诊断故障。能源管理模块让太阳能电池板自动调整角度，在沙尘天气时降低能量消耗。智能电池管理延长使用寿命并实时监测状态，确保了好奇号在复杂环境中的高效运行，为火星研究提供关键数据。“火星科学实验室”飞行系统结构如图2所示。

嫦娥五号任务是中国探月工程三步走的收官之作，主要任务是实现月球样品采集与返回（见图4）。该任务采用了“绕探测-着陆取样-返回”模式，由轨道器、着陆器和返回器组成，是国内第一次成功实施的地外天体采样返回任务。嫦娥五号的科学目标包括：研究月球表面形貌地质特征、探测内部结构、分析物质元素组成，以及对样品进行实验室分析。嫦娥五号搭载了多种设备，包括降落相机、全景相机、月球矿物光谱分析仪等设备，能够进行高精度、高智能化的探测与采样。例如：智能导航与控制采用顶视结合底视的导航系统，可实现月面定点着陆；自动避障功能确保安全着陆。复合式采样技术搭载深孔钻取式和铲挖式采样器，根据不同土层自动选择工具，并通过智能控制优化采样过程。智能交会对接技术在月球轨道上完成无人交会对接，采用双向通信设备实现信息传输。智能能源管理系统通过智能监控和故障诊断功能，确保能源高效利用和稳定供应。跳跃式再入技术返回器借助大气层两次减速，确保安全着陆。嫦娥五号的成功填补了中国在月球取样返回方面的技术空白，为深空探测奠定基础。