火星与数字孪生体

5月15日，天问一号火星着陆器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆成功！中国成为第3个触摸这颗红色星球的国家！带着如此喜悦的心情，来跟大家聊一聊火星与数字孪生的话题。

人类发送探测器去火星是火星探索和改造的第1步。我们能够获取火星表面的大气的化学成分、火星上天气的变化、沙尘暴的规律、找到水源、分析火星土壤（火壤）的成分等等。

在这个阶段的火星探索，首先是建立运载火箭、探测器、火星车的数字孪生，包括探测器的构思设计、生产制造、发射监控、绕落巡以及探测器、火星车的全生命周期数字孪生。

当然我们也需要根据各种探测手段获取的火星数据建立火星的数字孪生。在此阶段建立火星数字孪生的第一要务是保证火星探测器能够成功在火星表面着陆，火星车在火星表面行驶，甚至在火星表面起飞无人机。这些都需要我们建立火星地面环境的数字孪生。

图：火星数字孪生实践：谷歌火星

在火星上起飞一个无人机能成功吗？如何保证火星上的无人机能够起飞成功？当我们有了火星的数字孪生，包括大气环境的数字孪生，有了无人机的数字孪生，我们当然可以预先知道火星上的无人机是否能够起飞，或者说如何设计出能够在火星上起飞的无人机。

当然企业家们也可以尝试把他们的产品送到火星上，当然目前是通过数字孪生的手段让人们体验。比如BMW，让人们体验在火星上开着BMW的感觉。

人类探索和改造火星的第2个步骤是发射载人飞船到火星登陆的火星表面进行探测并返回地球。甚至在火星建立永久或半永久基地。

图：由Mars City Design设计的火星基地（3DEXPERIENCE）

由于已经拥有火星表面土壤（火壤）的化学成分和物理属性，我们就可以通过数字孪生的手段建立基地，并采用3D打印建筑的方式建立使用火星土壤作为材料建立火星基地。

图：受神经合成启发的城市设计概念（火星城市设计大赛）

火星探矿和采矿。随着在地球上矿山开采的不断进行，地球的矿山中矿物的品位不断下降，由于材料的不可缺失性，人类在火星和小行星上采矿将逐步提到日程中来。

通过建立火星矿物和矿山的数字孪生，我们可以预先对火星探矿和采矿进行提前规划，实现火星采矿的可持续发展。避免在地球上引起的生态破坏再次发生在火星上。

由于火星表面无法种植植物，在第2阶段的时候，要持续不断的从地球运送食品等物资。除非能够种植出在火星表面能够生存的植物。

第3阶段，建立火星生态圈。在此阶段，人类可以利用数字孪生的手段，通过对DNA的改造，设计出可以在火星表面土壤中生存的植物，能够适应火星表面非常低的大气压力，以及氧气稀薄的环境。

通过对多种地球植物的改造，设计并培养火星植物生态圈。并逐步设计出火星微生物、适应火星环境的动物，最终形成完整的火星生态圈。当然人类的基因也可以通过改造来适应火星表面低压低氧的环境，或者通过火星生物圈多年的改造，将火星表面将火星大气改变为与地球大气环境类似的环境。

显然改造火星环境比起设计适应火星环境的生态圈更加困难。第一步考虑的仍然可能是建立火星的生态圈。人类培植的火星生态圈上面的生物，包括植物、微生物和动物将与地球表面生存的生态圈有非常大的区别。届时，我们太阳系中将有一颗生机勃勃的，却拥有与地球完全不同生态圈的星球。

如果我们将来有这样的选择，你是希望把火星建设成为像地球环境一模一样的星球，还是根据火星的特点设计出的跟地球完全迥异的生态星球呢？

或许现在距离建立人类火星表面的定居点还有些距离，但我们可以利用数字孪生的手段，尝试设计不同的方案，进行验证优化，不断的进行迭代，定义出更多人认可的火星未来。