科幻小說(shuō)里的空間站機器人
神七的發(fā)射，為中國建立空間站奠定了基礎。而在未來(lái)的空間站，一年中的絕大多數時(shí)間都是機器人在工作，而它們的一舉一動(dòng)則在地球人的實(shí)時(shí)掌控之中。記者昨日獲悉，東南大學(xué)機器人傳感與控制技術(shù)實(shí)驗室的專(zhuān)家們從上個(gè)世紀90年代就開(kāi)始致力于太空機器人的研發(fā)，并列入國家863航天計劃，攻破了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)上的難關(guān)。據預測，三年以后，東大參與研制的太空機器人有望升空，在空間站完成它們的歷史使命。
空間站很多工作等著(zhù)它
在東大機器人傳感與控制技術(shù)實(shí)驗室，到處擺放著(zhù)大大小小的機器人。天天和這些東西打交道，實(shí)驗室主任宋愛(ài)國稱(chēng)之為一項“很有趣的工作”。
宋愛(ài)國介紹說(shuō)，中國航天計劃分成三個(gè)階段，神七是第二階段發(fā)射的第一艘飛船，而這是為第二階段的主要任務(wù)———建立空間站作好前期準備工作的。“前面發(fā)射的‘神舟號’好比一艘艘船，船是需要?？看a頭的，而空間站就是那個(gè)碼頭。”
但是，由于發(fā)射的成本太高，空間站只能是“長(cháng)期無(wú)人值守，短期有人照料”，一年中只有個(gè)把月是航天員呆在里面工作，其他時(shí)間太空機器人就大有用武之地了。宋愛(ài)國介紹，太空機器人不僅可以做各種科學(xué)實(shí)驗，還可以進(jìn)行空間站維護、空間站對接、衛星修理、幫助航天員出艙工作等等，用處可大了。
當然，目前人類(lèi)的科技水準只能造出智能機械臂，東南大學(xué)機器人傳感與控制技術(shù)實(shí)驗室的專(zhuān)家們從上個(gè)世紀90年代就開(kāi)始致力于太空機器人的研發(fā)，圖為其小型智能機械臂
一舉一動(dòng)受地面遙控
遙遠太空里的機器人，怎么才能根據地球人的意志來(lái)工作？宋教授道出了其中的奧妙:這些機器人學(xué)名叫“遙操作機器人”，地球人可以通過(guò)傳感器等隨時(shí)遙控它們的行動(dòng)。
“臨場(chǎng)感是遙操作機器人追求的目標。”宋教授解釋說(shuō)，臨場(chǎng)感包括兩方面:一方面通過(guò)操作者所穿戴的數據背心、數據手套或操縱的手控器，以及頭盔眼鏡等裝置，將操作者的身體、四肢、手部以及頭部、眼球的運動(dòng)信息進(jìn)行檢測，并作為控制指令，控制遠地的機器人的本體、機械手以及頭部和攝像頭的運動(dòng)；另一方面，又通過(guò)各種機器人傳感器，將機器人的視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)以及運動(dòng)覺(jué)等信息反饋給操作者，在操作者周?chē)商摂M現實(shí)，使操作者感覺(jué)自己就是遠在千里之外的機器人，從而產(chǎn)生“身臨其境”的感受。
“說(shuō)白了，地球上的人手怎么動(dòng)，太空機器人的手就會(huì )怎么動(dòng)。”宋教授說(shuō)，因為距離的緣故，中間有兩秒左右的延時(shí)，不過(guò)，這可以通過(guò)控制方法來(lái)補償。
三年后有望上天工作
宋愛(ài)國說(shuō)，目前中國太空機器人到空間站的主要技術(shù)難關(guān)基本已攻克，不過(guò)從長(cháng)遠看，還有一些技術(shù)難點(diǎn)尚待解決。比如延時(shí)問(wèn)題，以后到月球、火星，距離更遠，火星上一個(gè)信號來(lái)回就是五分鐘，如果這樣遙控，問(wèn)題就大了。“這邊剛看到要靠近巖石了，等信號發(fā)過(guò)去，恐怕已經(jīng)撞到巖石了。”這些難關(guān)都需要一個(gè)個(gè)攻破。“大約三年以后，我們的太空機器人就可以上天了。”宋教授說(shuō)。
這是目前較常見(jiàn)的工業(yè)智能機械臂，德國著(zhù)名的ABB公司制造。但是從其體量可看出，它過(guò)于沉重，不可能被帶到太空。
幫助宇航員治太空病
宋教授還透露，他們正在與航一所洽談，準備研發(fā)太空康復機器人，主要是治療宇航員的太空病。
“長(cháng)期在太空失重環(huán)境下生活的宇航員容易患上骨質(zhì)疏松，導致骨質(zhì)脆弱，喪失運動(dòng)能力。一般來(lái)說(shuō)，在太空生活一個(gè)月，宇航員所損失的骨質(zhì)相當于患骨質(zhì)疏松的老年人在地面一年內損失的骨質(zhì)。這嚴重影響了宇航員的身體健康和工作效率，是宇航員面臨的最嚴重的太空病。”
宋教授介紹，目前對該病癥的治療主要是采用口服藥物的方法。但最新研究表明，宇航員患該病的主要原因并非鈣質(zhì)攝入不足，而是由于在失重環(huán)境下，骨骼組織缺乏壓電效應，使得骨形成受到抑制，但骨質(zhì)喪失的過(guò)程是可逆轉的。因此，解決這種問(wèn)題的另外一種有效途徑是借助遙操作機器人，在失重環(huán)境下，由地面航天醫學(xué)專(zhuān)家控制遙操作機器人引導宇航員進(jìn)行具有力反饋的運動(dòng)訓練，促進(jìn)宇航員骨骼組織自動(dòng)恢復骨細胞活性、增強骨質(zhì)和肌肉密度，避免骨頭和肌肉的萎縮。
東大研制材料用于神七
除了太空機器人，東大還有一些科研成果已直接應用于神七的發(fā)射中。該校材料學(xué)院研制的輕型泡沫鋁材料，將用于神七的返回艙。據東大相關(guān)專(zhuān)家介紹，返回艙在落地時(shí)有很大的沖擊力，他們研發(fā)的輕型泡沫鋁材料內結構像饅頭一樣，既輕，強度又大，可以像彈簧一樣減震，使得返回艙落地時(shí)的沖擊力大大減小了。此外，東大虛擬現實(shí)技術(shù)中心研發(fā)的地面發(fā)射仿真系統，也為神七的順利發(fā)射起到保駕護航的作用。
太空任務(wù)需要輕盈而有力的智能機械臂，圖為美國馬里蘭大學(xué)研制的小型智能機械臂，不過(guò)從其外觀(guān)簡(jiǎn)單判斷，中國東南大學(xué)研制的性能水準更好一些。
不過(guò)在國家層面所能制造出來(lái)的機器人就不同了。今年3月，美國“奮進(jìn)”號航天飛機將由加拿大航天局負責分工制造的Dextre大型機器人運送到國際太空站并組裝完成。Dextre重約為1560公斤，身高為3.7米，兩臂平伸的長(cháng)度是2.4米，其中每只手臂上有可以自由轉動(dòng)的七個(gè)關(guān)節，非常靈活。Dextre是英文“靈巧”(dexterous)的縮寫(xiě)形式，這也是人類(lèi)有史以來(lái)在太空安置的最大的機器人裝置。
Dextre在被裝上“奮進(jìn)”號航天飛機貨艙前，在NASA車(chē)間做最后檢查。這個(gè)機器人的研制花費了十幾年，耗資高達2.1億美元。
當前在國際空間站服役的Dextre機器人。Dextre可以在國際太空站外自由爬行，將使宇航人員減少危險的出艙行走，幫助宇航員來(lái)更換空間站外部部件等。
當然，在這之前，國際空間站的宇航員還必須完成Dextre機器人復雜而艱苦的安裝作業(yè)。
值得注意的是，美國NASA已經(jīng)開(kāi)始研制更加擬人的機器人，圖為自由度更高，更加靈活的機械手臂
美國NASA已研制出自由度更高，更加靈活，更加擬人化的機械手臂
相信用不了多久，這種擬人化的機器人將登上國際太空站，替代航天員完成眾多任務(wù)。
目前這一技術(shù)的地面試用已經(jīng)開(kāi)始，圖為在美國陸軍進(jìn)行危險爆炸品處理的機器人
航天飛機運送空間站組件和空間站模擬圖
中國未來(lái)空間站的模型
中國空間站想象圖
中國空間站想象圖
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