開放 包容 創(chuàng)新 卓越
OPEN, INCLUSIVE, INNOVATIVE AND OUTSTANDING?????
太空采礦？這個曾經只存在于科幻小說和電影中的概念，如今正逐步走向現實。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通過初審，即將進入實質審核階段。這臺機器人不僅能適應太空的微重力環(huán)境，還配有“仿生六足移動結構”，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、表面構造及環(huán)境因素不確定等特點，而現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。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)領域的深厚底蘊，聯合中國空間技術研究院及澳大利亞皇家墨爾本理工大學等國內外知名學府與機構，共同打造太空采礦研究新高地。
據中國礦業(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。”華德正博士稱，多功能集成化太空采礦機器人設計為仿生六足移動結構，足末端有車輪和錨固結構兩種配置。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。錨固結構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構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、差動器和張角調節(jié)器的協同工作，機器人可以根據工作環(huán)境調整移動模塊的結構形狀。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。”華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，我們如何驗證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。
經過團隊成員兩三個月的構思設計，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，從而實現微重力環(huán)境的模擬效果。
據介紹，該機器人利用電能工作，未來構想可以實現原位開采，即邊采邊利用邊轉化，轉化出的能源可作為供給再驅動機器人或其他設備工作。“這只是一個構想，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。”
太空采礦正成為前沿的交叉學科
據了解，太空采礦如今正在成為一門前沿的交叉學科，國內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，還要輔修行星地質學、勘探方法、資源/儲量估計和估價的基本知識。國內高校中，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，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ΑＫ粌H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。