開(kāi)放 包容 創(chuàng)新 卓越
OPEN, INCLUSIVE, INNOVATIVE AND OUTSTANDING?????
太空采礦？這個(gè)曾經(jīng)只存在于科幻小說(shuō)和電影中的概念，如今正逐步走向現(xiàn)實(shí)。近日，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的全國(guó)首臺(tái)多功能集成化太空采礦機(jī)器人目前已經(jīng)通過(guò)初審，即將進(jìn)入實(shí)質(zhì)審核階段。這臺(tái)機(jī)器人不僅能適應(yīng)太空的微重力環(huán)境，還配有“仿生六足移動(dòng)結(jié)構(gòu)”，可以在小行星坑洼不平的地面上行走。
地球資源有限，目標(biāo)星辰大海
隨著地球資源開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，獲取成本將會(huì)越來(lái)越高。浩渺宇宙中，卻隱藏著無(wú)限機(jī)遇，僅太陽(yáng)系中，月球、火星、小行星等天體上都蘊(yùn)藏著大量的礦產(chǎn)資源和稀有金屬。外太空復(fù)雜多變的環(huán)境及地形，給采礦作業(yè)帶來(lái)了史無(wú)前例的巨大挑戰(zhàn)。
以小行星為例，其具有體積小、引力低、表面構(gòu)造及環(huán)境因素不確定等特點(diǎn)，而現(xiàn)有的采樣裝備多依靠長(zhǎng)期著陸的方式進(jìn)行采樣，很難在小行星實(shí)現(xiàn)。因此，需要設(shè)計(jì)一種新型“星際礦工”，應(yīng)對(duì)小行星表面的特殊環(huán)境。
2017年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)設(shè)立了太空采礦國(guó)際研究中心，依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在礦業(yè)領(lǐng)域的深厚底蘊(yùn)，聯(lián)合中國(guó)空間技術(shù)研究院及澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)等國(guó)內(nèi)外知名學(xué)府與機(jī)構(gòu)，共同打造太空采礦研究新高地。
據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院華德正博士介紹，劉新華教授研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種全新的多功能集成化太空采礦機(jī)器人。這項(xiàng)發(fā)明不僅集成了移動(dòng)、采樣抓取、鉆探和環(huán)境感知等多個(gè)模塊，還通過(guò)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和材料選擇，極大地提高了機(jī)器人在復(fù)雜太空環(huán)境中的適應(yīng)性和工作效率。
一名合格“星際礦工”的自我修養(yǎng)
“團(tuán)隊(duì)受節(jié)肢昆蟲(chóng)、啄木鳥(niǎo)攀附運(yùn)動(dòng)和折紙技術(shù)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)小行星復(fù)雜環(huán)境的移動(dòng)—錨固—采樣一體化仿生機(jī)器人?！比A德正博士稱(chēng)，多功能集成化太空采礦機(jī)器人設(shè)計(jì)為仿生六足移動(dòng)結(jié)構(gòu)，足末端有車(chē)輪和錨固結(jié)構(gòu)兩種配置。車(chē)輪主要用來(lái)應(yīng)對(duì)相對(duì)平滑的小行星地形，可一定程度提高M(jìn)ASbot的移動(dòng)速度。錨固結(jié)構(gòu)則主要用來(lái)應(yīng)對(duì)存在巖石及松軟土壤的復(fù)雜地形，并為小行星任務(wù)中可能存在的反沖作用提供錨固力，增加工作的可靠性。
材料選擇方面，這款太空采礦機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)采用了新型鋁基碳化硅復(fù)合材料，車(chē)輪基座采用鈦合金材料，車(chē)輪輪體則采用鎳基鈦記憶合金材料。這些材料不僅具有高強(qiáng)度、高韌性和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，還能在受到外力作用后迅速恢復(fù)原狀，能有效抵御太空中的極端溫差和輻射環(huán)境。
更為巧妙的是，該機(jī)器人還配備了一套差動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)懸架、離合器、差動(dòng)器和張角調(diào)節(jié)器的協(xié)同工作，機(jī)器人可以根據(jù)工作環(huán)境調(diào)整移動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)形狀。無(wú)論是崎嶇不平的月球表面，還是布滿(mǎn)隕石坑的小行星地表，這款機(jī)器人都能保持平穩(wěn)運(yùn)行，展現(xiàn)出極高的環(huán)境適應(yīng)性。
研發(fā)搭建懸掛系統(tǒng)開(kāi)展微重力環(huán)境模擬
“我們主要目標(biāo)是近地小行星，直徑在1公里到100公里的直徑范圍，進(jìn)行小行星微重力推算，然后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)?！比A德正博士分享了團(tuán)隊(duì)在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)初期的一個(gè)小故事，由于微重力環(huán)境無(wú)法搭建，研發(fā)出來(lái)的機(jī)器人究竟性能如何，該怎樣檢驗(yàn)?zāi)兀?/p>
“我們之前也打聽(tīng)過(guò)宇航員專(zhuān)用的宇航實(shí)驗(yàn)室，做一次實(shí)驗(yàn)不僅花費(fèi)高，而且并不完全適用于我們的機(jī)器人去實(shí)驗(yàn)，但如果不做實(shí)驗(yàn)的話(huà)，我們?nèi)绾悟?yàn)證機(jī)器人在小行星的適應(yīng)性呢？”華德正說(shuō)，劉新華教授秉持著對(duì)科研的嚴(yán)謹(jǐn)性，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員利用目前從各渠道采集到的信息，提出用懸吊的方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，盡可能還原模擬行星的微重力環(huán)境。
經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員兩三個(gè)月的構(gòu)思設(shè)計(jì)，一套懸吊系統(tǒng)搭建完成，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是利用懸吊的方式抵消掉機(jī)器人的部分重力，并且能夠在跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，保持其垂直拉伸力的恒定，從而實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境的模擬效果。
據(jù)介紹，該機(jī)器人利用電能工作，未來(lái)構(gòu)想可以實(shí)現(xiàn)原位開(kāi)采，即邊采邊利用邊轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化出的能源可作為供給再驅(qū)動(dòng)機(jī)器人或其他設(shè)備工作?！斑@只是一個(gè)構(gòu)想，目前還在研發(fā)階段。未來(lái)在太空采礦實(shí)踐方面，還有太多難點(diǎn)需要攻克，比如面對(duì)眾多不確定性或外界干擾，機(jī)器人能否快速反應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整狀態(tài)，能否保持原來(lái)的穩(wěn)定性，這都是我們未來(lái)要研究探索的方向。”
太空采礦正成為前沿的交叉學(xué)科
據(jù)了解，太空采礦如今正在成為一門(mén)前沿的交叉學(xué)科，國(guó)內(nèi)外諸多知名高校都瞄準(zhǔn)了太空采礦科研方向。其中，美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院是全球首個(gè)開(kāi)設(shè)太空采礦專(zhuān)業(yè)的高校，學(xué)生除了要學(xué)習(xí)傳統(tǒng)礦業(yè)的知識(shí)，還要輔修行星地質(zhì)學(xué)、勘探方法、資源/儲(chǔ)量估計(jì)和估價(jià)的基本知識(shí)。國(guó)內(nèi)高校中，除了中國(guó)礦業(yè)大學(xué)設(shè)立了太空采礦國(guó)際研究中心，還有中南大學(xué)、東北大學(xué)等高校在從事地外天體資源利用的研究。
根據(jù)國(guó)家航天局發(fā)布的規(guī)劃，我國(guó)將在2028年前后發(fā)射嫦娥八號(hào)，驗(yàn)證月球資源原位利用技術(shù)，為后續(xù)國(guó)際月球科研站建設(shè)奠定基礎(chǔ)；2035年前后建成國(guó)際月球科研站基本型。太空采礦作為地外天體資源原位利用必不可少的一環(huán)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。它不僅將為人類(lèi)解決資源短缺的問(wèn)題，還將推動(dòng)人類(lèi)開(kāi)啟全新的宇宙資源開(kāi)發(fā)時(shí)代。