摘要：下到洞穴内部，可见其高约3米，宽4至5米，部分区段骤然收窄，人员难以通行。此时，由北大计算机学院研发的机器狗成为关键“侦察兵”，稳健地执行人类无法轻易完成的测绘任务。

在黑龙江镜泊湖的一处熔岩洞穴中

冷寂无声，黑暗如墨

唯有手电光束划破沉寂

这里恒温、封闭、环境极端——

与月球地下空间惊人相似

这是我国高校首个

“类行星环境”系列教学实习基地

也是北京大学地球与空间科学学院

“地球物理野外实习”课程的

实景课堂

师生们以跨学科的智慧与前沿技术

在此为未来的月球探测“打前站”

01 地球上的“类月空间”

下到洞穴内部，可见其高约3米，宽4至5米，部分区段骤然收窄，人员难以通行。此时，由北大计算机学院研发的机器狗成为关键“侦察兵”，稳健地执行人类无法轻易完成的测绘任务。

“月球是地球的天然卫星，其表面环境极端恶劣，而月球地下空间则因环境相对稳定而兼具科研与战略价值。镜泊湖的火山熔岩管道是地球上最接近月球地下环境的地质构造之一。”教学实习基地负责人、北京大学地球与空间科学学院研究员、深地与矿产全国重点实验室骨干李嘉琪这样解释道。

这一比喻并非文学修辞，而是基于行星科学的严谨类比。地球与月球在地质演化史上均经历过大规模火山活动，熔岩洞的形成机制高度相似：火山喷发时，岩浆持续流动，表层因接触低温环境先冷凝成壳，内部岩浆流尽后便形成中空管道。“仔细观察洞壁，能看到清晰的平行痕迹，这正是岩浆流动冲刷留下的证据。”李嘉琪补充道。

熔岩管道内部景象

从月球影像数据可知，其表面分布着诸多疑似洞穴入口，研究者推测这些入口下方可能隐藏着类似地球熔岩管的地下通道。通过光影分析与模拟计算，月球熔岩洞深度或可达地下50米，其形态与月球重力场、温度场等因素密切相关。尽管月球熔岩洞在规模上与地球同类洞穴存在差异，但二者在地下空间结构、形成机制上的相似性，使其成为研究月球地下环境的“天然替身”。

月球上的疑似洞穴入口

熔岩洞成因示意图

深入洞穴，最直观的感受是“冷”。洞内几乎恒温于零度左右，与地表四季温差形成鲜明对比。

“这正是其对月球研究的核心价值之一。”李嘉琪进一步指出，“月球表面昼夜温差可达300℃以上，最低温度低至-183℃，设备极易损坏。而月球地下空间若能维持相对稳定的温度环境，将为未来探测器部署、甚至载人基地建设提供重要保障。镜泊湖熔岩洞的恒温特性，恰好为这类技术验证提供了理想场景。”

02 为这门课，造了一只机器狗

当深入洞穴深处，人的行进受阻，如何才能准确探知内部构造？

针对这一难题，北京大学计算机学院研究员、北京智源人工智能研究院具身智能团队负责人仉尚航，为探测任务“量身研发”了两款特种机器狗。它搭载激光雷达，能够自主行走、避障建图，并记录洞内高精度三维结构，为科研提供可靠的空间数据支撑。

探测第一视角画面

根据探测数据绘制的三维结构图

仉尚航介绍：“我们研发了两款探测机器人原型机：一款是‘食蚁兽’可移动柔性臂机器人，采用了柔性机械臂与刚性移动平台结合的独特创新结构设计，侧重于在复杂环境中自主探索与多功能操作；另一款是‘蝾螈’可变形软体轮足机器人，善于在复杂地形中灵活移动与环境勘查。我们希望可以借助‘类月球熔岩管环境’实地测试两款原型机的性能表现，为深空探测中的具身智能技术发展提供关键实验支撑。”

学科交叉是贯穿整个项目的灵魂。“行星探测需要科学研究与工程技术的深度融合，缺一不可。”李嘉琪强调，“北大成立工学部、推进‘新工科’建设，正是为了发挥‘小而精、特而强’的工科优势，让基础研究与技术创新形成闭环。我们的最终目标，是打造北大人自主研发的深空探测机器人，未来能真正奔赴月球、火星等天体执行探测任务。”

项目还汇聚了多所高校的专长：浙江大学的地下结构成像、南方科技大学的重力研究、吉林大学的无人机支持等，多支力量共同构建起一套完整的探测支持体系。

03 实景课堂，学什么？

在“地球物理野外实习”课程中，同学们不仅要学习熔岩洞地质演化、行星环境模拟等理论知识，更要亲手开展实地探测实验。

实习过程中，师生首先布设了由北京大学双创团队自主研发的节点式地震仪，利用地震波CT成像技术构建熔岩管道三维模型；随后操控柔性多形态机器人深入洞穴，进行激光点云扫描与成像建模。

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学生开展科学探测

为“看清”未知的地下洞体，他们现场实践“拍西瓜式”探测：用铁锤敲击地面（模拟震源），通过布置在周围的地震仪接收地层反射的“回声”，这些轻重虚实的振动信号会转化为数字化数据。数据采集完毕后，计算机学院的同学编写代码分析，生成了一张地下结构“剖面B超图”，其中地下5米左右的空洞清晰可见。

“我们通过这种非侵入式方法，成功探测出洞穴的延伸方向与内部结构，验证了该技术在‘类行星环境’中的可行性。”李嘉琪说，“后续还会将探测结果与实地勘察情况逐一比对，进一步优化数据处理模型，分析台站布置密度、震源定位精度等因素对探测结果的影响。目前图中一些细微的结构异常区仍待探索，未来实习中可能通过钻孔取样的方式进行验证。”

亲手操作设备、分析真实数据、将理论知识转化为实践成果——这种学以致用的模式，正是这门课程最吸引人之处。更特别的是，参与实习的学生不仅来自地空学院，还有计算机学院、医学部、考古与文博学院等多个院系的同学。在实习过程中，医学部同学关注到密闭空间心理对课题的影响，考古与文博学院的同学则分享了地下探测技术的应用经验……跨学科背景在实景中激发出更多的创新可能。

学子感悟

本次地球物理实习，是一次从课堂走向旷野的深刻蜕变。通过亲手布设台站、铺设光缆、挥动重锤激发地震波，我们不仅系统掌握了地震勘探的野外核心技能，更在实践中深刻领悟了地球物理理论的物理本质、数据采集的严谨要求以及团队协作的关键价值。通过轮番锤击金属板来制造人工震源，切身感受到每一次锤击力度和角度对数据质量的决定性影响，时刻提醒我：优秀的物探成果，始于野外每一处精准的布设、每一次有力的锤击和每一份追求卓越的责任心。

——董杨阳（地球与空间科学学院）

在课程中了解到地震仪通过分析声波在不同介质中的传播速度差异来判断地下结构特性，这启发我思考这项物理探测技术在考古领域的应用前景。如果能将地震勘探方法引入考古调查，通过精确测量声波在墓葬、城址等遗迹中的传播特征，或许能为地下遗址的无损探测提供新的技术手段。

——张雨轩（考古文博学院）

未来的探月工程中，宇航员将面临重力变化、辐射暴露、生物节律紊乱、封闭环境心理压力等多重挑战。如何使用医学技术帮助宇航员更好地适应其中的特殊环境，并保持健康，是一个十分具有医学挑战性的新课题。这次活动无疑拓宽了我们对于医学知识应用的理解并增加了未来研究方向的选择。

——石以同、林亚晴（北京大学医学部基础医学专业）

04 从地下洞穴，到太空探索

“类行星环境”教学实习基地本身，就是一门动态发展的“大课”。课程团队坚持“每年一新”的原则，不断拓展实习场景。

2024年，北京大学联合西北大学、香港大学、中南大学等高校，在辽宁省鞍山市岫岩满族自治县的陨石坑，建立了“陨石坑比较行星学”教学实习基地。

陨石坑是另一种地月共有的典型地形。据统计，目前全球已确认的陨石坑约200个，中国已发现并确认的有2处，分别位于黑龙江依兰和辽宁岫岩。“从国土面积看，应不止这些，这也反映出国内行星科学这一学科仍处于快速发展阶段，”李嘉琪说，“我们始终在地球上寻找更多’类行星环境’，而认知也在探测中不断更新。”

岫岩陨石坑教学实习基地（2024年）

今年6月26日至6月29日，完成镜泊湖熔岩洞实践的同学们，又马不停蹄来到辽宁岫岩陨石坑开展实践。在岫岩陨石坑实践教学的主要目标是填补对中国境内已证实的陨石坑的地球物理观测的空白。实习中，同学们通过重力、电磁、地震、遥感、地质、地球化学等多学科交叉，从不同学科的角度对撞击坑的地下结构、成坑过程、后期改造进行深入研究和思考。

岫岩陨石坑实习

未来，课程发展将更加注重文理交叉。实习团队计划开展山东“后羿射日”神话地质考证，并引入马克思主义学院、国际关系学院等人文社科力量，共同探讨太空资源开发中的法律与外交议题，让“行星科学”不仅有技术深度，更有人文广度。

“类行星环境”系列教学实习基地的建设，标志着我国行星科学教育迈入新阶段。这些基地不仅为行星科学教学与科研提供了平台，更以“地球版月宫”为切入点，向“太空采矿”等月面资源原位利用技术迈出坚实步伐。目前，实习基地与北大-龙软科技智慧能源和公共安全研究中心联合，已初步建成了类行星环境的熔岩管数字孪生系统。

“我们计划围绕三大核心课题展开攻关：熔岩管探测与数字孪生建模、行星资源探测与开发技术、机器人集群自主协同仿真训练。”北京大学能源研究院助理研究员、北大-龙软团队骨干周彤介绍，“这些研究将为我国载人登月任务、嫦娥工程四期月球国际科研站建设提供重要的验证场景与技术储备。”

数字孪生月球地下空间仿真系统

中国国际电视台-俄文频道报道

美国知名深空探测网站报道

为响应国家深空探测战略，北大已建立地外样品中心，统筹12个学院的力量参与月壤研究，覆盖量子测量、太空种植、材料科学等多个方向。如同镜泊湖熔岩洞探测任务需要地质、机器人、数据建模等多学科协同作战，月球乃至更深空的探索，从来无法依靠单一学科独立完成。这种多学科交叉融合的研究模式，正是北京大学作为综合性大学的独特优势。

这门实习课程的核心价值，或许也正体现在此处：它将人类对宇宙的向往，转化为可实践、可操作的科研训练。不再是遥不可及的畅想，而是化作了每一次地震台站的精准布设、每一组地质数据的严谨采集、每一个跨学科协作中迸发的创新思路。这些扎实落地的探索，逐步构筑起连接地球与深空的技术桥梁。而北大基于自身学科体系，持续深耕行星科学领域，正是对“探索未知”最为务实、也最为坚定的回应。

来源 | 北京大学融媒体中心、北京大学地球与空间科学学院

采写 | 马诗尧、束韵哲、王梓寒

图片 | 受访者提供

排版 |曹畅笛

责编 | 王梓寒

来源：北京大学