在黑龍江鏡泊湖的一處熔巖洞穴中
冷寂無聲，黑暗如墨
唯有手電光束劃破沉寂
這里恒溫、封閉、環(huán)境極端——
與月球地下空間驚人相似
這是我國高校首個
“類行星環(huán)境”系列教學(xué)實習(xí)基地
也是北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院
“地球物理野外實習(xí)”課程的
實景課堂
師生們以跨學(xué)科的智慧與前沿技術(shù)
在此為未來的月球探測“打前站”
01
地球上的“類月空間”
下到洞穴內(nèi)部，可見其高約3米，寬4至5米，部分區(qū)段驟然收窄，人員難以通行。此時，由北大計算機學(xué)院研發(fā)的機器狗成為關(guān)鍵“偵察兵”，穩(wěn)健地執(zhí)行人類無法輕易完成的測繪任務(wù)。
“月球是地球的天然衛(wèi)星，其表面環(huán)境極端惡劣，而月球地下空間則因環(huán)境相對穩(wěn)定而兼具科研與戰(zhàn)略價值。鏡泊湖的火山熔巖管道是地球上最接近月球地下環(huán)境的地質(zhì)構(gòu)造之一?！苯虒W(xué)實習(xí)基地負責(zé)人、北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院研究員、深地與礦產(chǎn)全國重點實驗室骨干李嘉琪這樣解釋道。
這一比喻并非文學(xué)修辭，而是基于行星科學(xué)的嚴謹類比。地球與月球在地質(zhì)演化史上均經(jīng)歷過大規(guī)模火山活動，熔巖洞的形成機制高度相似：火山噴發(fā)時，巖漿持續(xù)流動，表層因接觸低溫環(huán)境先冷凝成殼，內(nèi)部巖漿流盡后便形成中空管道?！白屑氂^察洞壁，能看到清晰的平行痕跡，這正是巖漿流動沖刷留下的證據(jù)?！崩罴午餮a充道。
熔巖管道內(nèi)部景象
從月球影像數(shù)據(jù)可知，其表面分布著諸多疑似洞穴入口，研究者推測這些入口下方可能隱藏著類似地球熔巖管的地下通道。通過光影分析與模擬計算，月球熔巖洞深度或可達地下50米，其形態(tài)與月球重力場、溫度場等因素密切相關(guān)。盡管月球熔巖洞在規(guī)模上與地球同類洞穴存在差異，但二者在地下空間結(jié)構(gòu)、形成機制上的相似性，使其成為研究月球地下環(huán)境的“天然替身”。
月球上的疑似洞穴入口
熔巖洞成因示意圖
深入洞穴，最直觀的感受是“冷”。洞內(nèi)幾乎恒溫于零度左右，與地表四季溫差形成鮮明對比。
“這正是其對月球研究的核心價值之一?！崩罴午鬟M一步指出，“月球表面晝夜溫差可達300℃以上，最低溫度低至-183℃，設(shè)備極易損壞。而月球地下空間若能維持相對穩(wěn)定的溫度環(huán)境，將為未來探測器部署、甚至載人基地建設(shè)提供重要保障。鏡泊湖熔巖洞的恒溫特性，恰好為這類技術(shù)驗證提供了理想場景。”
02
為這門課，造了一只機器狗
當深入洞穴深處，人的行進受阻，如何才能準確探知內(nèi)部構(gòu)造？
針對這一難題，北京大學(xué)計算機學(xué)院研究員、北京智源人工智能研究院具身智能團隊負責(zé)人仉尚航，為探測任務(wù)“量身研發(fā)”了兩款特種機器狗。它搭載激光雷達，能夠自主行走、避障建圖，并記錄洞內(nèi)高精度三維結(jié)構(gòu)，為科研提供可靠的空間數(shù)據(jù)支撐。
探測第一視角畫面
根據(jù)探測數(shù)據(jù)繪制的三維結(jié)構(gòu)圖
仉尚航介紹：“我們研發(fā)了兩款探測機器人原型機：一款是‘食蟻獸’可移動柔性臂機器人，采用了柔性機械臂與剛性移動平臺結(jié)合的獨特創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，側(cè)重于在復(fù)雜環(huán)境中自主探索與多功能操作；另一款是‘蠑螈’可變形軟體輪足機器人，善于在復(fù)雜地形中靈活移動與環(huán)境勘查。我們希望可以借助‘類月球熔巖管環(huán)境’實地測試兩款原型機的性能表現(xiàn)，為深空探測中的具身智能技術(shù)發(fā)展提供關(guān)鍵實驗支撐。”
學(xué)科交叉是貫穿整個項目的靈魂。“行星探測需要科學(xué)研究與工程技術(shù)的深度融合，缺一不可?！崩罴午鲝娬{(diào)，“北大成立工學(xué)部、推進‘新工科’建設(shè)，正是為了發(fā)揮‘小而精、特而強’的工科優(yōu)勢，讓基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新形成閉環(huán)。我們的最終目標，是打造北大人自主研發(fā)的深空探測機器人，未來能真正奔赴月球、火星等天體執(zhí)行探測任務(wù)。”
項目還匯聚了多所高校的專長：浙江大學(xué)的地下結(jié)構(gòu)成像、南方科技大學(xué)的重力研究、吉林大學(xué)的無人機支持等，多支力量共同構(gòu)建起一套完整的探測支持體系。
03
實景課堂，學(xué)什么？
在“地球物理野外實習(xí)”課程中，同學(xué)們不僅要學(xué)習(xí)熔巖洞地質(zhì)演化、行星環(huán)境模擬等理論知識，更要親手開展實地探測實驗。
實習(xí)過程中，師生首先布設(shè)了由北京大學(xué)雙創(chuàng)團隊自主研發(fā)的節(jié)點式地震儀，利用地震波CT成像技術(shù)構(gòu)建熔巖管道三維模型；隨后操控柔性多形態(tài)機器人深入洞穴，進行激光點云掃描與成像建模。
左右滑動查看更多
學(xué)生開展科學(xué)探測
為“看清”未知的地下洞體，他們現(xiàn)場實踐“拍西瓜式”探測：用鐵錘敲擊地面（模擬震源），通過布置在周圍的地震儀接收地層反射的“回聲”，這些輕重虛實的振動信號會轉(zhuǎn)化為數(shù)字化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完畢后，計算機學(xué)院的同學(xué)編寫代碼分析，生成了一張地下結(jié)構(gòu)“剖面B超圖”，其中地下5米左右的空洞清晰可見。
“我們通過這種非侵入式方法，成功探測出洞穴的延伸方向與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，驗證了該技術(shù)在‘類行星環(huán)境’中的可行性。”李嘉琪說，“后續(xù)還會將探測結(jié)果與實地勘察情況逐一比對，進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)處理模型，分析臺站布置密度、震源定位精度等因素對探測結(jié)果的影響。目前圖中一些細微的結(jié)構(gòu)異常區(qū)仍待探索，未來實習(xí)中可能通過鉆孔取樣的方式進行驗證。”
親手操作設(shè)備、分析真實數(shù)據(jù)、將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐成果——這種學(xué)以致用的模式，正是這門課程最吸引人之處。更特別的是，參與實習(xí)的學(xué)生不僅來自地空學(xué)院，還有計算機學(xué)院、醫(yī)學(xué)部、考古與文博學(xué)院等多個院系的同學(xué)。在實習(xí)過程中，醫(yī)學(xué)部同學(xué)關(guān)注到密閉空間心理對課題的影響，考古與文博學(xué)院的同學(xué)則分享了地下探測技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗……跨學(xué)科背景在實景中激發(fā)出更多的創(chuàng)新可能。
學(xué)子感悟
本次地球物理實習(xí)，是一次從課堂走向曠野的深刻蛻變。通過親手布設(shè)臺站、鋪設(shè)光纜、揮動重錘激發(fā)地震波，我們不僅系統(tǒng)掌握了地震勘探的野外核心技能，更在實踐中深刻領(lǐng)悟了地球物理理論的物理本質(zhì)、數(shù)據(jù)采集的嚴謹要求以及團隊協(xié)作的關(guān)鍵價值。通過輪番錘擊金屬板來制造人工震源，切身感受到每一次錘擊力度和角度對數(shù)據(jù)質(zhì)量的決定性影響，時刻提醒我：優(yōu)秀的物探成果，始于野外每一處精準的布設(shè)、每一次有力的錘擊和每一份追求卓越的責(zé)任心。
——董楊陽（地球與空間科學(xué)學(xué)院）
在課程中了解到地震儀通過分析聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度差異來判斷地下結(jié)構(gòu)特性，這啟發(fā)我思考這項物理探測技術(shù)在考古領(lǐng)域的應(yīng)用前景。如果能將地震勘探方法引入考古調(diào)查，通過精確測量聲波在墓葬、城址等遺跡中的傳播特征，或許能為地下遺址的無損探測提供新的技術(shù)手段。
——張雨軒（考古文博學(xué)院）
未來的探月工程中，宇航員將面臨重力變化、輻射暴露、生物節(jié)律紊亂、封閉環(huán)境心理壓力等多重挑戰(zhàn)。如何使用醫(yī)學(xué)技術(shù)幫助宇航員更好地適應(yīng)其中的特殊環(huán)境，并保持健康，是一個十分具有醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn)性的新課題。這次活動無疑拓寬了我們對于醫(yī)學(xué)知識應(yīng)用的理解并增加了未來研究方向的選擇。
——石以同、林亞晴（北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)專業(yè)）
04
從地下洞穴，到太空探索
“類行星環(huán)境”教學(xué)實習(xí)基地本身，就是一門動態(tài)發(fā)展的“大課”。課程團隊堅持“每年一新”的原則，不斷拓展實習(xí)場景。
2024年，北京大學(xué)聯(lián)合西北大學(xué)、香港大學(xué)、中南大學(xué)等高校，在遼寧省鞍山市岫巖滿族自治縣的隕石坑，建立了“隕石坑比較行星學(xué)”教學(xué)實習(xí)基地。
隕石坑是另一種地月共有的典型地形。據(jù)統(tǒng)計，目前全球已確認的隕石坑約200個，中國已發(fā)現(xiàn)并確認的有2處，分別位于黑龍江依蘭和遼寧岫巖。“從國土面積看，應(yīng)不止這些，這也反映出國內(nèi)行星科學(xué)這一學(xué)科仍處于快速發(fā)展階段，”李嘉琪說，“我們始終在地球上尋找更多’類行星環(huán)境’，而認知也在探測中不斷更新。”
岫巖隕石坑教學(xué)實習(xí)基地（2024年）
今年6月26日至6月29日，完成鏡泊湖熔巖洞實踐的同學(xué)們，又馬不停蹄來到遼寧岫巖隕石坑開展實踐。在岫巖隕石坑實踐教學(xué)的主要目標是填補對中國境內(nèi)已證實的隕石坑的地球物理觀測的空白。實習(xí)中，同學(xué)們通過重力、電磁、地震、遙感、地質(zhì)、地球化學(xué)等多學(xué)科交叉，從不同學(xué)科的角度對撞擊坑的地下結(jié)構(gòu)、成坑過程、后期改造進行深入研究和思考。
岫巖隕石坑實習(xí)
未來，課程發(fā)展將更加注重文理交叉。實習(xí)團隊計劃開展山東“后羿射日”神話地質(zhì)考證，并引入馬克思主義學(xué)院、國際關(guān)系學(xué)院等人文社科力量，共同探討太空資源開發(fā)中的法律與外交議題，讓“行星科學(xué)”不僅有技術(shù)深度，更有人文廣度。
“類行星環(huán)境”系列教學(xué)實習(xí)基地的建設(shè)，標志著我國行星科學(xué)教育邁入新階段。這些基地不僅為行星科學(xué)教學(xué)與科研提供了平臺，更以“地球版月宮”為切入點，向“太空采礦”等月面資源原位利用技術(shù)邁出堅實步伐。目前，實習(xí)基地與北大-龍軟科技智慧能源和公共安全研究中心聯(lián)合，已初步建成了類行星環(huán)境的熔巖管數(shù)字孿生系統(tǒng)。
“我們計劃圍繞三大核心課題展開攻關(guān)：熔巖管探測與數(shù)字孿生建模、行星資源探測與開發(fā)技術(shù)、機器人集群自主協(xié)同仿真訓(xùn)練?！北本┐髮W(xué)能源研究院助理研究員、北大-龍軟團隊骨干周彤介紹，“這些研究將為我國載人登月任務(wù)、嫦娥工程四期月球國際科研站建設(shè)提供重要的驗證場景與技術(shù)儲備?！?/p>
數(shù)字孿生月球地下空間仿真系統(tǒng)
《人民日報》2025年8月23日刊發(fā)相關(guān)文章
中國國際電視臺-俄文頻道報道
美國知名深空探測網(wǎng)站報道
為響應(yīng)國家深空探測戰(zhàn)略，北大已建立地外樣品中心，統(tǒng)籌12個學(xué)院的力量參與月壤研究，覆蓋量子測量、太空種植、材料科學(xué)等多個方向。如同鏡泊湖熔巖洞探測任務(wù)需要地質(zhì)、機器人、數(shù)據(jù)建模等多學(xué)科協(xié)同作戰(zhàn)，月球乃至更深空的探索，從來無法依靠單一學(xué)科獨立完成。這種多學(xué)科交叉融合的研究模式，正是北京大學(xué)作為綜合性大學(xué)的獨特優(yōu)勢。
這門實習(xí)課程的核心價值，或許也正體現(xiàn)在此處：它將人類對宇宙的向往，轉(zhuǎn)化為可實踐、可操作的科研訓(xùn)練。不再是遙不可及的暢想，而是化作了每一次地震臺站的精準布設(shè)、每一組地質(zhì)數(shù)據(jù)的嚴謹采集、每一個跨學(xué)科協(xié)作中迸發(fā)的創(chuàng)新思路。這些扎實落地的探索，逐步構(gòu)筑起連接地球與深空的技術(shù)橋梁。而北大基于自身學(xué)科體系，持續(xù)深耕行星科學(xué)領(lǐng)域，正是對“探索未知”最為務(wù)實、也最為堅定的回應(yīng)。
來源 | 北京大學(xué)融媒體中心、北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院
采寫 | 馬詩堯、束韻哲、王梓寒
圖片 | 受訪者提供
排版 | 曹暢笛
責(zé)編 | 王梓寒
<<左右滑動查看欄目>>
