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據IEEE官網資訊顯示,近日,NASA噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的工程師們為Mars 2020探測器安裝了一個長2.1米的機械臂,該機械臂是目前火星探測器上功能最強大的機械臂。

Mars 2020的機械臂由科研人員歷時5年研發,雖然與前一代好奇號(Curiosity)探測器整體相似,但Mars 2020的科研功能更為廣泛和強大。一方面,它能將機械臂探入岩石中進行取樣並儲存;另一方面,它機械臂末端的鑽頭可更換多種工具,以執行不同功能的探測。

據悉,Mars 2020計劃將於2020年7月發射,並在2021年2月18日登陸耶澤洛環形山(Jezero Crater)。

一、整體外觀與“前輩”好奇號相似

JPL以研發機器人而聞名,這些機器人通常在極其遙遠和惡劣的環境中,進行常人難以完成工作。

機遇號(Opportunity)在2004年登陸火星時,需要執行長達90天的任務。但火星上塵土飛揚和溫度劇烈波動的環境對機器人來說很不友好,即使是機器人最基本的維護或修理都是不可能完成的任務。

然而,機遇號卻在火星上保持運行了5498天,其孿生兄弟勇氣號(Spirit )運行了2269天。

Mars 2020的總體設計與火星科學實驗室(MSL)的好奇號探測器相似。好奇號自2012年8月以來,一直在探索火星上的蓋爾隕石坑(Gale Crater)。

▲好奇號

然而,Mars 2020的新機械臂已經被研究人員重新設計,將能夠進行比好奇號更復雜的科學研究。例如,它能夠鑽進岩石中收集樣本,以便研究人員回收。

體型上,Mars 2020比好奇號更大一些,並比好奇號重約150公斤。但在其他方面,Mars 2020和好奇號的尺寸大致相同。

此外,Mars 2020還使用了與好奇號相同的放射性同位素熱電機進行供電。

值得一提的是,研究人員也給Mars 2020的車輪進行了升級,升級後的鋁製車輪比好奇號的車輪更耐用,磨損程度更輕。

Mars 2020登陸火星的方式也與好奇號相同,它將像從直升機上垂吊下降的突擊隊一樣,急速地降落到火星表面。

二、機械臂的鑽頭可進行多功能切換

對Mars 2020來說,真正進步的地方在於它強大的科研功能。

Mars 2020除了配備高度實驗性自主直升機的基站之外,最有趣的新功能是它能夠採集岩石和土壤的表面樣本,把樣本放入試管中密封,並將試管儲存起來以備日後檢索,或送回地球讓研究人員進行分析。

Mars 2020使用機械臂末端的一個鑽頭進行樣本採集工作,該機械臂配備了多種能夠更換的鑽頭,還能容納許多不同的工具。

這些工具包含了一組叫SHERLOC的礦物識別感測器套件、一個X射線分光儀以及一個叫PIXL的照相機,它們均可在鑽頭的平臺上進行切換。

從根本上說,Mars 2020的大部分科研工作,都將依賴於它所攜帶的機械臂和硬體,其中包括近距離地表調查和收集樣本進行快取。

Mars 2020探測器的工程師之一Matt Robinson表示,Mars 2020的系統包括機械臂、機械臂末端的鑽頭,以及探測器主題內管理樣本的樣本快取系統。

自2001年以來,Matt Robinson一直在JPL工作。他曾在鳳凰號火星著陸器的設計任務中,擔任機械臂飛行軟體開發人員,以及機械臂測試和操作工程師。

此外,他還曾在好奇號專案中擔任機械臂測試和操作首席工程師。

▲Mars 2020

三、對話Matt Robinson:詳解Mars 2020機械臂特點

為了進一步了解Mars 2020機械臂的設計方式和特點,IEEE Spectrum特別對Matt Robinson進行了採訪。

IEEE Spectrum:設計一個能夠在火星上執行的探測器機械臂有什麼不同?

Matt Robinson:我們花了5年多的時間對機械臂進行設計、製造、組裝和測試。

同時,科學家們也要求該機械臂能夠實現更多高階目標,其中包括採集核心樣本並處理樣本以備返回、隨身攜帶科學儀器以幫助確認需取樣的岩石……

作為工程師,我們需要對這些目標進行定義並給予支援。

為地球外的其他星球建造機械臂時,我們需要針對環境設計一些強大的功能,並能對機器的故障做出堅固的保護。

在火星上,一天中溫度的變化幅度能達到100攝氏度,因此對我們來說,機械臂承受熱量方面非常具有挑戰性。

例如,力感測器通常不能在我們所談論的溫度範圍內工作,因此,我們需要付出很多努力對探測器的力感測器進行設計和測試。

IEEE Spectrum:如何決定冗餘的大小?

Matt Robinson:這主要由機器人的品質和體積決定,這兩點通常是決定機器人冗餘量的驅動因素。當我們將一定數額的品質分配給機械臂時,也會給機器人設定一個能適應該品質的體積。

另外,由於我們有著向其他星球傳送機械臂的豐富經驗,因此我們可以在專案開始時,就能為機械臂制定許多設計要求,讓它更符合探測火星需具備要求。這也是我們決定冗餘大小的一個方式。

IEEE Spectrum:這種對冗餘的需求是否影響了機械臂的設計?

Matt Robinson:對機械臂的設計是由幾個因素影響的。一方面,我們大概知道機械臂末端的器械會有多大,所以機械臂的設計部分是由器械影響的。隨著器械越大,機械臂也必須越大。

另一方面,機械臂的末端有取芯鑽,由於取芯需要一定的力量,因此機械臂必須足夠強壯才能做到這一點。這些要求都影響了機械臂的設計。

除此之外,機械臂也必須在火星的環境中工作,因此我們也必須為機械臂設計能適應溫度變化,以及熱膨脹之類的功能。

IEEE Spectrum:如何有效地在地球上測試Mars 2020的機械臂?

Matt Robinson:這是一個好問題。它的機械臂是為了能夠在地球和火星上工作而設計的,因此它足夠強大。

我們有一個機械臂的剛度模型,它讓我們能夠補償地球和火星在重力方面的差異。

為了測試,我們製作了兩個機械臂模型,包括一個將要飛往火星的飛行模型,以及一個工程模型,這兩個模型實際上是彼此的複製品。

其中,工程模型主要留在地球上,所以即便我們把飛行模型送往火星,我們也可以在地球上繼續進行測試。

如果發生諸如鑽頭卡在火星表面上的意外,我們可以試著用我們的工程模型在地球上覆制這些條件,並用它來測試不同的場景來克服這些問題。

IEEE Spectrum:機械臂擁有多大的自主性?

Matt Robinson:我們有不同的自治模式。一方面,我們有相當高階的飛行軟體,例如,我們有一個只說“停靠”的命令,它可以進行所有的力量控制,移動機械臂與轉盤傳送帶進行對接。

另一方面,在地面互動上,我們在流動站上安裝了能夠生成3D地形模型的立體攝像機。利用這些3D地形模型,科學家可以在地面上選擇一個目標,然後我們可以將機械臂放在目標上。

科學家們喜歡選擇特定的樣本目標,因為那裡有非常特殊的岩石型別,幫助他們尋找樣本。

2020年,我們將為探測車提供下一級自主駕駛能力,以便它們到達一個區域後,至少能對該區域進行初步勘測,這樣科學家們就可以選擇特定的目標。

這樣做的好處是,如果科學家們發現遠處有一個感興趣的區域,探測車就會自動開到那裡,並展開機械臂拍攝所有的照片,以便我們可以生成這些區域的3D地形模型,然後科學家就能在第二天選擇他們想要的特定目標。

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