開放 包容 創(chuàng)新 卓越
OPEN, INCLUSIVE, INNOVATIVE AND OUTSTANDING?????
太空采礦？這個曾經(jīng)只存在于科幻小說和電影中的概念，如今正逐步走向現(xiàn)實。近日，中國礦業(yè)大學研發(fā)團隊發(fā)明的全國首臺多功能集成化太空采礦機器人目前已經(jīng)通過初審，即將進入實質(zhì)審核階段。這臺機器人不僅能適應太空的微重力環(huán)境，還配有“仿生六足移動結(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，目標星辰大海
隨著地球資源開采強度的不斷加大，獲取成本將會越來越高。浩渺宇宙中，卻隱藏著無限機遇，僅太陽系中，月球、火星、小行星等天體上都蘊藏著大量的礦產(chǎn)資源和稀有金屬。外太空復雜多變的環(huán)境及地形，給采礦作業(yè)帶來了史無前例的巨大挑戰(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，而現(xiàn)有的采樣裝備多依靠長期著陸的方式進行采樣，很難在小行星實現(xiàn)。因此，需要設計一種新型“星際礦工”，應對小行星表面的特殊環(huán)境。
2017年，中國礦業(yè)大學設立了太空采礦國際研究中心，依托中國礦業(yè)大學在礦業(yè)領(lǐng)域的深厚底蘊，聯(lián)合中國空間技術(shù)研究院及澳大利亞皇家墨爾本理工大學等國內(nèi)外知名學府與機構(gòu)，共同打造太空采礦研究新高地。
據(jù)中國礦業(yè)大學機電工程學院華德正博士介紹，劉新華教授研究團隊研發(fā)了一種全新的多功能集成化太空采礦機器人。這項發(fā)明不僅集成了移動、采樣抓取、鉆探和環(huán)境感知等多個模塊，還通過創(chuàng)新的設計和材料選擇，極大地提高了機器人在復雜太空環(huán)境中的適應性和工作效率。
一名合格“星際礦工”的自我修養(yǎng)
“團隊受節(jié)肢昆蟲、啄木鳥攀附運動和折紙技術(shù)的運動機制啟發(fā)，設計了一種針對小行星復雜環(huán)境的移動—錨固—采樣一體化仿生機器人?！比A德正博士稱，多功能集成化太空采礦機器人設計為仿生六足移動結(jié)構(gòu)，足末端有車輪和錨固結(jié)構(gòu)兩種配置。車輪主要用來應對相對平滑的小行星地形，可一定程度提高MASbot的移動速度。錨固結(jié)構(gòu)則主要用來應對存在巖石及松軟土壤的復雜地形，并為小行星任務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，這款太空采礦機器人的主體結(jié)構(gòu)采用了新型鋁基碳化硅復合材料，車輪基座采用鈦合金材料，車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度、高韌性和高穩(wěn)定性的特點，還能在受到外力作用后迅速恢復原狀，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，該機器人還配備了一套差動系統(tǒng)。通過懸架、離合器、差動器和張角調(diào)節(jié)器的協(xié)同工作，機器人可以根據(jù)工作環(huán)境調(diào)整移動模塊的結(jié)構(gòu)形狀。無論是崎嶇不平的月球表面，還是布滿隕石坑的小行星地表，這款機器人都能保持平穩(wěn)運行，展現(xiàn)出極高的環(huán)境適應性。
研發(fā)搭建懸掛系統(tǒng)開展微重力環(huán)境模擬
“我們主要目標是近地小行星，直徑在1公里到100公里的直徑范圍，進行小行星微重力推算，然后開展實驗?！比A德正博士分享了團隊在開展實驗初期的一個小故事，由于微重力環(huán)境無法搭建，研發(fā)出來的機器人究竟性能如何，該怎樣檢驗呢？
“我們之前也打聽過宇航員專用的宇航實驗室，做一次實驗不僅花費高，而且并不完全適用于我們的機器人去實驗，但如果不做實驗的話，我們?nèi)绾悟炞C機器人在小行星的適應性呢？”華德正說，劉新華教授秉持著對科研的嚴謹性，帶領(lǐng)團隊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展實驗，盡可能還原模擬行星的微重力環(huán)境。
經(jīng)過團隊成員兩三個月的構(gòu)思設計，一套懸吊系統(tǒng)搭建完成，簡單地說，就是利用懸吊的方式抵消掉機器人的部分重力，并且能夠在跟隨機器人運動的同時，保持其垂直拉伸力的恒定，從而實現(xiàn)微重力環(huán)境的模擬效果。
據(jù)介紹，該機器人利用電能工作，未來構(gòu)想可以實現(xiàn)原位開采，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)動機器人或其他設備工作?！斑@只是一個構(gòu)想，目前還在研發(fā)階段。未來在太空采礦實踐方面，還有太多難點需要攻克，比如面對眾多不確定性或外界干擾，機器人能否快速反應實時調(diào)整狀態(tài)，能否保持原來的穩(wěn)定性，這都是我們未來要研究探索的方向?！?/p>
太空采礦正成為前沿的交叉學科
據(jù)了解，太空采礦如今正在成為一門前沿的交叉學科，國內(nèi)外諸多知名高校都瞄準了太空采礦科研方向。其中，美國科羅拉多礦業(yè)學院是全球首個開設太空采礦專業(yè)的高校，學生除了要學習傳統(tǒng)礦業(yè)的知識，還要輔修行星地質(zhì)學、勘探方法、資源/儲量估計和估價的基本知識。國內(nèi)高校中，除了中國礦業(yè)大學設立了太空采礦國際研究中心，還有中南大學、東北大學等高校在從事地外天體資源利用的研究。
根據(jù)國家航天局發(fā)布的規(guī)劃，我國將在2028年前后發(fā)射嫦娥八號，驗證月球資源原位利用技術(shù)，為后續(xù)國際月球科研站建設奠定基礎；2035年前后建成國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?。它不僅將為人類解決資源短缺的問題，還將推動人類開啟全新的宇宙資源開發(fā)時代。