美國宇航局選出25個(gè)技術(shù)方案,潛力改變未來人類和機(jī)器人的勘探任務(wù)

據(jù)NASA官網(wǎng)報(bào)道，美國宇航局(NASA)正在投資有遠(yuǎn)見的技術(shù)概念，包括流星撞擊探測、太空望遠(yuǎn)鏡群以及細(xì)小軌道碎片測繪技術(shù)，這些技術(shù)將來可能被用于未來的太空探索任務(wù)中。

美國宇航局已經(jīng)選出25個(gè)還處于早期的技術(shù)方案，它們有潛力改變未來人類和機(jī)器人的勘探任務(wù)，引進(jìn)新的勘探能力，并顯著改進(jìn)目前建造和操作航天系統(tǒng)的方法。

2018年美國宇航局創(chuàng)新先進(jìn)概念(NIAC)第一階段涵蓋了廣泛的創(chuàng)新概念，它們將為未來的太空探索帶來革命性的變化。第一階段的獎(jiǎng)金約為12.5萬美元，主要支持對這些概念的初步定義和分析。如果這些基本的可行性研究取得成功，獲獎(jiǎng)?wù)呖梢陨暾埖诙A段獎(jiǎng)金。

美國宇航局太空技術(shù)任務(wù)理事會的代理副署長吉姆·魯特(Jim Reuter)說：“NIAC項(xiàng)目給了美國宇航局去探索有遠(yuǎn)見想法的機(jī)會，這些想法可以通過創(chuàng)造更好的或全新概念來改變未來的NASA任務(wù)，同時(shí)讓美國的創(chuàng)新者和企業(yè)家們成為旅程中的伙伴。然后，我們可以評估這些概念，以便將其納入我們早期的技術(shù)組合中?！?/p>

入選2018年NIAC第一階段的重要概念如下：

1.變形金剛（Shapeshifter）：從科幻小說成為科學(xué)事實(shí)，可探測土衛(wèi)六的崎嶇懸崖和深海世界

變形金剛是全新的系統(tǒng)概念，適用于進(jìn)入有大氣環(huán)境的天體。這個(gè)機(jī)器人平臺能夠跨領(lǐng)域移動，包括在大氣層中飛行，在光滑的表面上滾動，在水面上航行(洞穴)，漂浮在湖面上，或在水下推進(jìn)。變形金剛個(gè)能夠飛行的兩棲機(jī)器人(FAR)。它由更小的機(jī)器人單位(每個(gè)被稱為cobot)組成，結(jié)合成不同的移動模式。每個(gè)cobot都非常簡單，最小的設(shè)計(jì)甚至只有幾個(gè)螺旋槳作為執(zhí)行器。

變形金剛可以變形為一個(gè)在水面上滾動的球，可以在水面上飛行和懸浮的飛行陣列，可以在水下空隙中移動的魚雷結(jié)構(gòu)。除了跨領(lǐng)域移動，變形金剛還可以轉(zhuǎn)換成其他功能性系統(tǒng)來執(zhí)行各種各樣的任務(wù)，比如幫助運(yùn)送巨大而沉重的物體，用最小的功耗穿越長距離，在難以進(jìn)入的區(qū)域與地面建立通信網(wǎng)絡(luò)等。

2.生物機(jī)器人（Biobot）：為更有效探索而創(chuàng)新的宇航員輔助設(shè)備

在為行星探索而設(shè)計(jì)的宇航服中，沒有任何參數(shù)比“背部重量”更重要。宇航服系統(tǒng)的重量必須由穿戴者在月球或火星重力環(huán)境下支撐。宇航服和便攜式生命維持系統(tǒng)(PLSS)的重量增加會影響穿戴者的運(yùn)動水平，并最終限制了艙外活動(EVA)的持續(xù)時(shí)間，徒步行走的距離，以及探索任務(wù)取得的成果。很明顯，如果宇航員不需要攜帶PLSS維持生命維持功能，行星表面的探測活動將會大大改善。與此同時(shí)，對人員機(jī)動性、進(jìn)入和操作能力的額外限制將是不可接受的。

這個(gè)NIAC概念是通過應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)來處理宇航員的生物需求，以解決這兩個(gè)看似矛盾的問題。這一概念的設(shè)計(jì)參考場景是，參與未來月球或火星探測的宇航員將在月球表面停留數(shù)周或數(shù)月時(shí)間，而不是幾天，并將參與常規(guī)的艙外活動操作。地質(zhì)學(xué)家每星期都要花幾天時(shí)間在艙外活動，在漫長的任務(wù)期間進(jìn)行勘探，這并非不不可能，因?yàn)樗麄兊哪繕?biāo)遠(yuǎn)大于阿波羅登月任務(wù)。在這種情況下，每個(gè)宇航員將會有個(gè)生物機(jī)器人跟隨，它將運(yùn)送他們的生命維持系統(tǒng)和消耗品，通過延伸的臍帶與宇航員相連。

宇航員將通過臍帶連接到機(jī)器人，只攜帶小型的緊急開環(huán)生命支持系統(tǒng)即可，類似于每個(gè)PLSS中所包含的東西。機(jī)器人的移動底座將被設(shè)計(jì)成能夠在宇航員行走的任何地方旅行，而且還可充當(dāng)艙外活動工具、科學(xué)儀器和采集樣本的運(yùn)輸工具，并有可能帶著宇航員跳躍式行進(jìn)。在未來的探索任務(wù)中，這種系統(tǒng)也將顯著增強(qiáng)公眾參與，因?yàn)闄C(jī)器人可以提供高分辨率的攝像頭和高帶寬的通信設(shè)備，為每個(gè)艙外活動的機(jī)組人員提供高清晰度的視頻覆蓋。

這一概念也有架構(gòu)級的好處。例如，由于PLSS的負(fù)荷，為了使宇航服的重量減少到最小值，設(shè)計(jì)元素會經(jīng)常被刪除，從而造出更輕但更不靈活的外套。通過把生命維持系統(tǒng)和消耗品交給生物機(jī)器人，相對較輕的宇航服質(zhì)量將增加機(jī)動性和易適應(yīng)性，讓穿戴著更加靈活。由于PLSS重量限制減輕，整個(gè)艙外活動系統(tǒng)可以很容易地適應(yīng)更頻繁的出行，更高容量的宇航員冷卻系統(tǒng)，或更高水平的冗余以提高人員的安全，減少危險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性。當(dāng)不再局限于太空服的質(zhì)量和體積限制時(shí)，便攜式生命支持設(shè)計(jì)師可以考慮更適合于擴(kuò)展探索的技術(shù)方案，如冷卻散熱器、擴(kuò)展電力的太陽能電池板或可再生的二氧化碳洗滌系統(tǒng)。

3.高空環(huán)境和大氣金星傳感器(LEAVES)

LEAVES概念是一種超輕質(zhì)的、被動的、廉價(jià)的大氣傳感器，它的設(shè)計(jì)是為了抵御惡劣的金星大氣，但它也提供了一個(gè)通用平臺，可以對任何有明顯大氣的行星進(jìn)行現(xiàn)場取樣。相比傳統(tǒng)方法，LEAVES需要非常少的基礎(chǔ)設(shè)施。

任務(wù)科學(xué)目標(biāo)是通過在廣泛的地理區(qū)域部署許多相同的LEAVES單位來實(shí)現(xiàn)，通過可重復(fù)使用的生產(chǎn)線和可利用的部件實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約的目的，并通過并行操作增加業(yè)務(wù)彈性。此外，這種結(jié)構(gòu)非常適合作為輔助負(fù)載，因?yàn)樗枰苌俚牡孛嬲军c(diǎn)控制資源，對主要有效負(fù)載的風(fēng)險(xiǎn)很小，并且只在它們緩慢下降通過大氣層的過程中反饋數(shù)據(jù)。

4.探索小行星流星撞擊檢測

小行星含有豐富的資源，包括水和可以提取的貴金屬。在接下來的幾十年里，我們很可能有技術(shù)能力來檢索小行星，并將它們帶到靠近地球的處理設(shè)施上，或者將處理設(shè)施發(fā)送到小行星上以現(xiàn)場提取資源。然而，完成這兩項(xiàng)任務(wù)都需要大量的投資。探索小行星流星撞擊檢測(MIDEA)的概念是，利用自然太空環(huán)境提供流星撞擊，從而導(dǎo)致小行星表面的物質(zhì)受到侵蝕。

由流星撞擊所產(chǎn)生的物質(zhì)包括固體和熔融噴出物，但其中有些物質(zhì)被蒸發(fā)和電離，形成等離子體，擴(kuò)展到小行星周圍的環(huán)境中。這種等離子體向外擴(kuò)展，并提供有關(guān)小行星表面組成的信息。MIDEA可以使用10到50公斤的航天器母船，攜帶10個(gè)或更少的自由飛行傳感器，每個(gè)大約重100克，對直徑100到1000米的近地小行星(NEA)進(jìn)行檢測。在如此低的質(zhì)量范圍內(nèi)，許多類似任務(wù)可以針對不同的小行星平行發(fā)射，在專門的就地資源利用(ISRU)任務(wù)之前對潛在目標(biāo)進(jìn)行廣泛的調(diào)查。

5.無碰撞細(xì)小軌道碎片測繪

我們建議評估細(xì)小(微米到亞厘米級)軌道碎片的可行性，使用裝有傳感器的立方體衛(wèi)星來檢測碎片的等離子體特征。這些細(xì)小碎片目前是無法探測到的，但它們對太空船構(gòu)成了危險(xiǎn)。最近發(fā)現(xiàn)的等離子孤子是由等離子體中快速移動的帶電碎片引起的，它可以通過立方體衛(wèi)星上的簡單傳感器來測繪出來。這種技術(shù)將使我們與細(xì)小軌道碎片的相互作用發(fā)生革命性變化，減小其對軌道航天器的威脅，并對緩解措施進(jìn)行定量評估。

此外，該技術(shù)可能適用于其他行星目標(biāo)附近的塵埃探測工作。初步計(jì)算表明，在不到1年的時(shí)間內(nèi)，在400千米到1600千米高空軌道上的細(xì)小碎片可以使用100個(gè)立方體衛(wèi)星測繪完畢。我們建議通過模擬不同速度和電荷的樣品碎片物體所產(chǎn)生的等離子孤子，以及通過空間變化的等離子體環(huán)境遠(yuǎn)距離傳播孤子，來評估這一概念的可行性。此外，我們還將開發(fā)用于探測等離子體孤子來繪制細(xì)小碎片的立方體衛(wèi)星的初步設(shè)計(jì)。

6.火星蜜蜂，用于增強(qiáng)火星探測

這項(xiàng)工作的目的是通過調(diào)查在火星環(huán)境中部署撲翼探測器的可行性，來增強(qiáng)火星探索和科學(xué)任務(wù)。這個(gè)火星探測器由移動基地和火星蜜蜂(Marsbee)群組成。這些蜜蜂是一種扇動翅膀的機(jī)器人，與蟬的大小差不多。火星蜜蜂中集成了傳感器和無線通信設(shè)備，移動基地可以作為充電站和主要通信中心。蜂群可以顯著增強(qiáng)火星探測任務(wù)，并有以下好處：1)促進(jìn)可重構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò);2)建立彈性系統(tǒng);3)可利用單一蜜蜂或蜂群采集樣本或數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵的技術(shù)革新包括使用昆蟲式的柔性翼來增強(qiáng)空氣動力和低功率設(shè)計(jì)。通過適當(dāng)借用昆蟲生物飛行系統(tǒng)與火星動態(tài)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)高升力系數(shù)。我們初步的數(shù)值結(jié)果表明，帶有蟬翅的火星蜜蜂可以在火星大氣中產(chǎn)生足夠的升力。此外，利用柔性翼結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新的能量收集機(jī)制，將大大減少火星蜜蜂所需要的能量。由于火星密度極低，能量由慣性功率控制。在翼根上安裝一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，以暫時(shí)儲存能量，并減少共振時(shí)的整體慣性力。雖然旋轉(zhuǎn)翼的概念在設(shè)計(jì)和控制上都更加成熟，但這兩項(xiàng)創(chuàng)新特別適合于生物激發(fā)的撲翼飛行器。

從系統(tǒng)工程的角度來看，火星蜜蜂比傳統(tǒng)的航空系統(tǒng)有更多好處。較小的體積提供了更多的靈活性。另外，即使單個(gè)系統(tǒng)失敗也不會影響整體效果。由于其體積相對較小，需要對系統(tǒng)進(jìn)行測試，因此可以在各種可訪問的測試設(shè)備中進(jìn)行驗(yàn)證。這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了美國和日本的專業(yè)知識和人才，在一個(gè)多學(xué)科項(xiàng)目中解決了在火星大氣中撲翼飛行的基本問題。阿拉巴馬大學(xué)將對火星大氣狀況進(jìn)行數(shù)值模擬、分析和優(yōu)化。而日本團(tuán)隊(duì)將開發(fā)和測試一個(gè)微型撲動機(jī)器人，它是為火星上的低密度大氣設(shè)計(jì)和建造的。

7.星際任務(wù)無衍射發(fā)射推進(jìn)PROCSIMA

這是一種全新的、創(chuàng)新的光束推進(jìn)結(jié)構(gòu)，它可以使前往比鄰星(Proxima Centauri)的星際任務(wù)成為現(xiàn)實(shí)。這一結(jié)構(gòu)大大增加了航天器加速的距離(與激光推進(jìn)相比)，同時(shí)將發(fā)射機(jī)的光束尺寸減小到10米以下。這些優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為“方向和速度的變化”(delta-V)和有效載荷質(zhì)量，比激光推進(jìn)強(qiáng)大得多。這個(gè)推進(jìn)架構(gòu)主要是面向星際飛行任務(wù)，也可能使前往奧爾特云天體的速度更快。這個(gè)推進(jìn)概念的關(guān)鍵創(chuàng)新是將中性粒子束和激光束結(jié)合在一起，這種方式既不會讓光束擴(kuò)散也不會隨著傳播距離而發(fā)散。

通過調(diào)整激光和粒子束的相互交互，可以消除衍射和熱擴(kuò)散，這樣(1)粒子束產(chǎn)生的折射率變化生成波導(dǎo)效應(yīng)(從而消除激光衍射)和(2)粒子束被困在激光束中心附近區(qū)域的高強(qiáng)度電場中。通過同時(shí)利用這些現(xiàn)象，我們可以產(chǎn)生一種具有恒定空間剖面的組合光束，也稱為孤子。因此，這個(gè)體系結(jié)構(gòu)被命名為PROCSIMA:光子粒子光學(xué)耦合孤子星際任務(wù)加速器。與繞射激光束相比，PROCSIMA體系結(jié)構(gòu)增加了探測加速距離，使其在42年的任務(wù)中有效載荷能力達(dá)到1公斤。PROCSIMA架構(gòu)利用了近年來高能激光系統(tǒng)和高能中性粒子束的技術(shù)進(jìn)步。

8.麻雀（SPARROW）：蒸汽驅(qū)動的海洋世界自動檢索機(jī)器人

這是對推進(jìn)跳躍機(jī)器人在冰冷、崎嶇的海洋世界中實(shí)現(xiàn)高科學(xué)價(jià)值目標(biāo)能力進(jìn)行的新研究。跳躍模式的使用可以進(jìn)行長距離的快速穿越，使單個(gè)任務(wù)能夠在特定時(shí)間范圍內(nèi)到達(dá)多個(gè)地質(zhì)單元，從而在惡劣的輻射環(huán)境中使系統(tǒng)得以生存下來。此外，使用推進(jìn)跳躍技術(shù)可以消除地形的限制。這個(gè)概念的具體目標(biāo)將通過世界領(lǐng)先的機(jī)器人、推進(jìn)、樣本采集工程師，以及來自噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、普渡大學(xué)和Honeybee Robotics的行星科學(xué)家通過跨學(xué)科合作來完成。

9.芭蕾舞（BALLET）：用于極端地形的氣球運(yùn)動

這個(gè)概念實(shí)際上是個(gè)氣球平臺，每個(gè)裝有6個(gè)懸掛模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)有效載荷，也可作為移動的腳。每只腳被3根纜繩懸掛在氣球上，以控制腳在地面上的位置。只有一個(gè)有效載荷被舉起來移動到地面上的新位置，而其余的腳則保持氣球固定在地面上。氣球浮力只需要每次提升1英尺，腳按順序在地表移動。這個(gè)平臺高度穩(wěn)定，因?yàn)樗闹匦膸缀醵荚诘孛嫔?。氣球上的攝像頭圖像可被用來繪圖，并用來定位腳的位置和導(dǎo)航。

10.能夠生長的外星表面結(jié)構(gòu)

美國宇航局設(shè)想一種由輕型纖維材料制成的、具有優(yōu)良機(jī)械性能的自我定位棲息地。這種材料可在干燥、潮濕、寒冷的地方使用，或者作為一種自產(chǎn)復(fù)合材料，能夠增強(qiáng)輻射防護(hù)和蒸汽密封。它可以自我復(fù)制，因此棲息地可以不斷擴(kuò)展，并自我修復(fù)。這種材料的某種形式可以用于在外星建造棲息地、額外建筑物、探測器外殼和家具。纖維材料是真菌菌絲，已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的菌絲材料是已知很好的絕緣體，阻燃劑，不會產(chǎn)生有毒氣體。這些材料的壓縮強(qiáng)度優(yōu)于木材，彎曲度優(yōu)于鋼筋混凝土，絕緣性能超棒。

由于菌絲通常會分泌酶，所以有可能通過生物工程技術(shù)使其分泌其他物質(zhì)，如生物塑料或乳膠，以形成生物合成物。菌絲的彈性和韌性要比巖屑更強(qiáng)。它可以作為一種獨(dú)立材料使用，或與凝集或燒結(jié)的巖屑結(jié)合，這種霉菌結(jié)構(gòu)的建筑包膜可以顯著降低建筑所需的能量，因?yàn)樵诖嬖谑澄飪浜退那闆r下，它會自行生長。在人類到達(dá)后，還可以通過生產(chǎn)任務(wù)產(chǎn)生的有機(jī)廢物來增加額外的結(jié)構(gòu)。富含黑色素的真菌具有吸收放射性物質(zhì)的能力，這表明真菌菌絲可以提供輻射保護(hù)。

在風(fēng)化層中發(fā)現(xiàn)的鉛，或其他阻擋輻射的物質(zhì)，例如水，可以在菌絲中積累，從而提供額外的輻射保護(hù)。在受到保護(hù)的時(shí)候，這些真菌可以有很長的壽命，但在生命周期的末期，這種材料可以成為農(nóng)業(yè)肥料。菌絲和原料在加熱情況下，可以加速生長。當(dāng)原料被消耗，熱量被提取或菌絲被熱殺死時(shí)，菌絲生長將停止。如果需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行增補(bǔ)或修復(fù)，可以添加水、熱量和原料，以恢復(fù)休眠真菌的生長。如果能夠成功地開發(fā)出一種能夠自行生長的生物復(fù)合材料，NASA將會有一種全新的、更便宜、更輕巧的材料，用于為長期的月球任務(wù)、火星任務(wù)。

NIAC項(xiàng)目主管詹森·德勒斯(Jason Derleth)說：“2018年第一階段的競爭特別激烈，超過230個(gè)提案，但只有25個(gè)贏家。我迫不及待地想看看新的NIAC研究員能為NASA做些什么!”

第二階段的研究讓獲獎(jiǎng)人員有時(shí)間完善他們的設(shè)計(jì)，并探索實(shí)施新技術(shù)的各個(gè)方面。今年的第二階段投資組合涉及到一系列前沿概念，包括用于星際任務(wù)的突破性推進(jìn)結(jié)構(gòu)、大型空間望遠(yuǎn)鏡、海衛(wèi)一的新型探測工具以及馬赫效應(yīng)推力器。NIAC二期項(xiàng)目的獎(jiǎng)金可達(dá)50萬美元，為期兩年，并允許申請人進(jìn)一步開發(fā)第一階段概念，成功演示初始可行性和效益。

美國宇航局通過評估創(chuàng)新和技術(shù)可行性的同行評審過程來選擇這些項(xiàng)目。所有的項(xiàng)目仍處于開發(fā)的早期階段，大多數(shù)項(xiàng)目需要10年或更長時(shí)間的概念成熟和技術(shù)開發(fā)階段，然后才能用于NASA任務(wù)。NIAC與來自全美各地有遠(yuǎn)見的科學(xué)家、工程師和公民發(fā)明家合作，幫助維護(hù)美國在太空領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。NIAC由美國宇航局下屬太空技術(shù)任務(wù)局資助，該部門負(fù)責(zé)開發(fā)該機(jī)構(gòu)所需的各種開拓性新技術(shù)和能力，以幫助實(shí)現(xiàn)其當(dāng)前和未來任務(wù)。