首页 > 文化 > 科技 > 正文

太空机器人:人造的先驱者

2005-12-01 10:48 作者:吴戈 2005年第43期
到2018年,将有成百的机器人在月球表面活动。

到2018年,将有成百的机器人在月球表面活动。

遥远的新大陆

“神舟六号”将载人航天的影响力推到了又一个高峰。两年后“神七”将进行出舱活动,无人的“神九”则将和“神十”完成对接,组成载人的空间实验室。11月7日上海航天局成功进行了首次空间交会对接技术缓冲试验,11月3日,探月工程首席科学家欧阳自远提出:我国完成探月工程前三步之后,可望在2017年前后择机载人登月,并与有关国家共建月球基地。航天专家周旭东甚至设想了我国2014~2033年间实现无人火星探测,2040~2060年实现载人火星探测的前景。

布什在宣布新航天计划时,载人登月和登陆火星同样是更能激发公众兴奋的话题,似乎航天活动已经无人不成戏,甚至有人提出应考虑在飞往火星的至少30个月漫长旅途中的性爱问题。

就在“哥伦比亚号”航天飞机失事后不久,NASA当时的局长奥基夫宁愿让价值连城的“哈勃”太空望远镜报废,也不愿安排航天飞机进行在轨维修,因为安全营救没有保障。在太空这种高风险环境中,人的活动只能是谨小慎微,一次灾难便足以重挫航天事业。虽然载人航天的价值不容忽视,但从成本和效率上来说,人并非在轨组装、太空维修等任务的最佳途径。同时,虽然宇航员长期太空居留已达一年以上,但对月球和火星的探测还存在大量未知和风险,如果载人探测器像“猎兔犬Ⅱ号”那样一去无踪,人类将作何感想?事实上,截至1976年,除了6艘“阿波罗”飞船载人登月,人类还向月球发射了53个无人探测器。

在90年代开始的新一轮探月热潮中,各国已经发射了4个无人探测器,还有5个正在准备。它们将为宇航员长期停留提供必需的条件。为了完成每次历时数天到数月的月球南极地区找冰任务,美国雷森公司将从2006年底开始试验一种能利用火箭发动机在月面跳跃1~3公里的“企鹅”月球探测概念车,以便为最早定于2010年实现的探月任务研制一种机器人。日本宇宙航空研究开发机构原定今年11月4日使“猎鹰号”探测器首次靠近“系川”小行星,在600米距离向“系川”的表面发射一台“密涅瓦”土壤取样机器人,2007年7月返回地球,但这次人类首次小行星采样行动目前已临时推迟。

10月12日,第二届RoboNexus机器人大展在美国加州举行,这次北美地区机器人领域最大的会议吸引了约2000名机器人专家和爱好者。NASA约翰逊航天中心机器人部主任罗布·安布罗斯表示:机器人将在美国新太空计划中发挥重要作用。在今后15年内,NASA将向太空发射众多新型机器人,它们将帮助在2010年完成国际空间站的建设,在行星际飞船内外完成修理等任务,帮助到2020年将月球建成飞往其他行星的“发射点”。

从基础课开始

在美国马里兰州立大学航天系统实验室的一栋红砖建筑内,一台称为“巡逻兵”(Ranger)的太空机器人正被吊入一个367000加仑的圆柱形玻璃纤维水池中。在水池上方的控制室内是几位穿着T恤、短裤的研究生,桌上还堆着快餐,一台没有前盖的计算机拉出一根电缆,一直连接到水池里,这就是“巡逻兵”的大脑。在5台水下摄像机和电视监视器的帮助下,操纵员通过操纵杆和键盘,就能使这个金属家伙在7.6米深的池底前后晃动手臂,转动腰部,旋转手腕,打开钳子。这个水池称为“中性浮力研究设施”,宇航员也是在这样的水池中练习接近失重条件下的太空活动。

突然,这台908公斤的机器人向后猛地一退,正穿着潜水服为它拍照的副教授戴夫·埃金猝不及防,原来“巡逻兵”的一个关节卡住了。在三小时的试验中,“巡逻兵”至少有两次扭曲成像做瑜珈一样,有时还会突然抽动。浮出水面的埃金说:“考虑到有的动作是它第一次尝试,我已经很满意了。”

在太空探索领域,机器人的概念并不限于人形,暂时也还不能要求它具有太高的智能。从80年代起NASA研制的多种能在轨道上配合宇航员工作的自动装置,都可以称作机器人。比如月球探测器、“勇气号”和“机遇号”火星漫游车、航天飞机上安装的RMS(遥控操纵系统)和用于国际空间站的SSRMS(空间站遥控操纵系统)。从1993年起对“哈勃”先后进行的4次太空维修中,都是由宇航员站在RMS上完成的。随着微处理技术、无线技术、图像处理、语音识别、运动探测等技术的发展,直接由机器人完成此类任务的前景也初露端倪。

从2004年夏天起,NASA就在考虑用机器人代替宇航员,完成为“哈勃”太空望远镜更换电池、安装推进模块等任务,最有希望的方案是加拿大MDRobotics公司的Dextre遥控双臂机器人,这种远距离操纵获得的经验也是未来半独立太空维修作业的基础。NASA戈达德太空飞行中心规划主管普瑞斯顿·伯奇说:“机器人的修理工作要比宇航员慢10倍左右,但这是明确可行的。”然而NASA委托的小组评估后认为:机器人技术不可能及时拯救“哈勃”。据咨询机构宇航公司的估计:机器人完成延长“哈勃”寿命任务的成功率只有58%,如果要完成设备更换,成功率仅30%,而载人航天飞机的成功率是63%。机器人修理需要的20亿美元费用也不比航天飞机低,而且要到2010年机器人技术才能胜任此类任务。

在MDRobotics公司1600平方米的洁净室,重1600公斤的Dextre机器人被悬吊着,在实际大小的“哈勃”望远镜复制品上试验维修。伯奇解释说:无人维修的首要技术难题是机器人所有的功能都要在失重、巨大温差和真空环境里完成,首先是必须在没有任何协助的情况下同高速飞行的“哈勃”自动会合和软对接。这一难度可以从MDRobotics公司正在研制的机器人对接器上看到。当118公斤的机器人对接器被空气垫托起,向681公斤的卫星复制品缓缓靠近时,只要两个物体一碰到,卫星便摆向一侧,直到有人轻轻一推才大功告成。对不熟练的操纵人员,碰撞更是家常便饭。美国2005年夏天发射的DART卫星在验证航天器自主交会和对接时就与目标相撞。今后飞向月球和火星的飞船如果要实现在轨组装,必须有待于自动对接技术的成熟。

曾于1993年完成首次“哈勃”维修任务的前航天飞机女宇航员凯西·桑顿指出:“‘哈勃’上的多数盖板、插销和连接器是为人设计的,对机器人当然要困难一些,有些连接器很难更换,机械手的工具头在失重状态下不是每个都能抓住东西的,弄不好会损坏设备。”最终,NASA既没有航天飞机可供冒险,也没有机器人能及时出发,只能放弃对“哈勃”的拯救。

机器人的耐心

进入太空时代以来,很多太空建设、维护和抢救任务都设计成由舱外活动的宇航员完成。尽管如此,同水下作业一样,人在太空的舱外活动无时不需要生命保障,还要考虑饮食和返回日程,长时间作业的能力受到明显局限。人穿上航天服后,灵活性和表现也都会降低。太空机器人可以从容不迫地工作,甚至长达数周。NASA戈达德中心管理“哈勃”维护任务的拉德·莫表示:“太空中的人需要完善的工具,其中当然包括机器人。在另一些情况下,机器人还能在人不敢或不能到达的地方活动。”MDRobotics的机器人技术主任丹·金也断言:“未来的太空任务处处都需要机器人。”就算是等待大显身手的时机,太空机器人也有得是耐心。

因此,马里兰大学的“巡逻兵”仍然在不厌其烦地沉入水池,埃金已经与NASA的天体生物科技试验计划合作,研制能采集行星样本的机器人,未来的工作地点可能是木星的卫星“欧罗巴”。2004年12月,德国航天局(DLR)机器人和机械电子研究所的ROKVISS(“国际空间站机器人部件验证”的缩写)被俄罗斯货运飞船送上国际空间站,安装在俄罗斯服务舱的外壁。2005年3月,这个长约0.6米,有两个关节的遥控机械臂完成了首轮试验,证明它的扭矩控制关节能像人的肌肉一样调节用力的大小,这是在完成拧螺丝这类简单工作时机器人必须向人学习的地方之一。如果为期一年的试验完全成功,德国将立即制造一个七自由度的自由飞行机器人,最终开发出能完成在轨卫星维护的机器人。

太空机器人中间最像人的是NASA约翰逊航天中心与美国国防部先进研究计划局从1996年开始联合研制的“机器宇航员”(Robonaut)。这台人形机器人于2000年成形,外表酷似电影《星球大战》里的机器人R2D2。NASA要求它的灵活性可与戴着手套的舱外活动宇航员媲美,而且身体比体操运动员还柔韧,运动范围更大。

“机器宇航员”的头部装有立体摄像机和照明用的发光二极管,还有相当于中枢神经系统的内置CPU,能对语音指令或手势作出反应。它的每只手臂装有超过150个传感器,分别测量热量、位置、触觉、力和力矩,约翰逊航天中心的安布罗斯说:“它的手令人惊叹,模仿人的运动可以达到非常细微的程度,它的手指能抚摸钻机把手,找到开关,还能感觉钻机的振动,保持适当的压力。它甚至可以点燃我孩子生日蛋糕上的蜡烛。”

“机器宇航员”穿着一层胀鼓鼓的白色“宇航服”,但设计得如此像人并不是为了作秀,而是为了使操纵人员更加直观地遥控,也是为了使用与宇航员同样的工具。在“全沉浸远程呈现”控制舱内,在地球或空间站上的操纵者能从虚拟研究头盔上看到机器人周围不同角度的立体环境,空间跟踪器和虚拟手套分别探测他的头部、臂部和手部运动,旋转椅子也与机器人同步运动,通过以太网将各部分的数据协调处理后,操纵者的每一个动作都会被机器人在太空同步重复,在一定程度上他可以觉得自己就是那个机器人。

在腰部以下,“机器宇航员”就不再模仿人,因为单足在零重力条件下更容易保持平衡,它的脚跟也就是与飞船连接的插座。为了满足月球开发的要求,后续的“机器宇航员B”还将躯干直接装在类似“速可达”滑板车的四轮或六轮机动平台上,能自主掌握平衡,在崎岖的月球地形上爬行。从现在起18个月后,正在研制的第三种型号“机器宇航员C”将安装在航天飞机上。今后它将作为宇航员的助手,在国际空间站上和未来的行星探索任务中完成危险而繁琐的操作和维修任务。

10月3日,在NASA阿姆斯研究中心位于加州硅谷的“火星园”里,最新型的太空探索机器人Gromit和K-9已经开始为十余年后的月球和火星之旅演练。阿姆斯中心的计算机科学家大卫·E·史密斯说:“如果我们要载人登月或登上火星,显然首先需要更先进的机器人系统,它们必须是依靠自身智能的自主机器人。”到2018年,将有成百的机器人在月球表面活动。

桶状的Gromit涂成红色,根据计算机专家安德鲁·林的语音命令,它能以每秒5厘米的速度忠实地驶向模拟的月球岩石。K-9有六个带棱的轮子和细长的桅杆,它不需要人发出详细指令,能依靠自身的智能绕开障碍,速度要快一倍,还可以对石块拍照,半分钟就能分析出它的成分。打扮得像宇航员一样的安德鲁身上带着一台笔记本电脑,能将语音命令转换成机器人用的程序。这些机器人能用15分钟完成现有机器人3天才能完成的工作,包括采集标本、收集信息和图像,将数据实时地送回地球。

目前仍在火星上活动的“勇气号”与“机遇号”很可能至少有一个能继续工作两年,在此期间开发出的新型“火星漫游者”能更加自主地工作,需要从地球传递的指令将更少。在12年后的登月任务之前,机器人还将具备足够的自主性和智能,能为探月指明有价值的目标,对危险地区发出警告,甚至为人类建造住所。

太空机器人中还有一些异类,排球大小的MiniAERemote能够围绕各种飞船或空间站飞行,对无法观察到的地方进行拍摄和细节检查。270公斤的八足蜘蛛形机器人SpiderNaut可以趴在航天器表面,特别是太阳能电池板等脆弱结构上完成修理。直径仅1厘米,长1米的Tendril能钻入航天器的裂缝等狭窄空间拍照,对检查防热系统损坏特别有用。四轮行星漫游者Scout相当于高尔夫球车大小,既能运送宇航员及其设备,又可跟随宇航员前进。

阅读更多更全周刊内容请微信扫描二维码下载三联中读App,注册就有红包哦!

版权声明:凡注明“三联生活周刊”、“爱乐”或“原创”来源之作品(文字、图片、音频、视频),未经三联生活周刊或爱乐杂志授权,任何媒体和个人不得转载 、链接、转贴或以其它方式使用;已经本刊、本网书面授权的,在使用时必须注明“来源:三联生活周刊”或“来源:爱乐”。违反上述声明的,本刊、本网将追究其相关法律责任。

    相关文章

已有0人参与

网友评论

用户名: 快速登录

《立冬》现已上线即刻前往 App Store 搜索“三联生活节气”体验更多精彩。

《霜降》 《寒露》 《秋分》

微博@三联生活周刊
微信:lifeweek
扫描下载三联中读App
三联中读服务号