#科技創造美好# #美國“毅力號”火星車著陸火星#
引言可以在傷口中識別細菌的鐳射感測器聽起來可能有些“天方夜譚”，但由於NASA的火星探測計劃，它已經成為現實。這項技術已經將跟隨在2021年2月18日登陸火星的“毅力”號火星漫遊車登上了這顆“紅色星球”。但在此之前，這一為了在火星上發現外星生物的技術已經開始在地球上的製藥、廢水處理以及其他重要作業中用於檢測和跟蹤汙染物。
“毅力”號火星漫遊車是迄今為止人類送上火星最重、技術最複雜的漫遊車。其上搭載了一堆高科技裝置。
這並不是唯一一項改變地球上人類生活方式的航天技術，也不會是第一個和最後一個。
長久以來，人類的星際航天事業一直被某些人視為浪費資源的工程。他們認為，與其將數十億甚至數百億的資金投向那些一去不回的航天器或用於那些探索宇宙的專案完全是浪費金錢。鑑於地球上依然存在的貧困和飢餓，很多人認為與其投資那些對他們來說就是“聽個響”的星際探索任務，還不如把錢用於改善地球上的民生。
下面我們先透過一張圖看看本文沒有涉及到的星際探索給我們帶來的，與日常生活息息相關的技術：
帶給地質學家的技術革命自上世紀90年代以來，蜜蜂機器人公司（Honeybee Robotics）一直在從事執行對火星和太陽系內其他行星體的機器人探測任務。其中的多個專案是透過NASA位於南加州的噴氣推進實驗室以“小型企業創新研究（Small Business Innovation Research，SBIR）”合同方式資助的。這些工作的一個主要產出是地外星體星壤取樣技術，包括一種用於提取岩心的鑽頭。歷時20多年研發工作，六種取芯鑽頭被安裝在“毅力”號漫遊車機械臂末端的轉塔或“手”中，首次進入太空在火星使用。
“毅力”號火星車取樣鑽頭的計算機合成圖
在地球上，當空心鑽頭獲取了岩心後，地質學家通常使用螺絲刀或其他工具將土壤岩石樣品和鑽頭分離並拉出。這一可能導致樣品破碎甚至被汙染。顯然，位於距離最近一個人類平均2.25億公里的火星上的機器人需要一些與眾不同的技術。
總部位於美國紐約的蜜蜂機器人公司為此設計出了一個巢狀在取芯鑽頭內的分離鑽子。當鑽頭完成鑽探獲得岩心後，分離鑽子相對於鑽頭旋轉，移動其中心軸線並分離岩心。與其他分離方法（例如，抓住岩心的底部往外拉）不同，分離鑽子沿著樣品的長度施加壓力，從而降低了樣品破裂的風險。
蜜蜂機器人公司曾經為先前的火星飛行任務提供了研磨器，鏟子和其他土壤取樣系統。這是該公司的取芯鑽頭技術第一次登上火星，因為這是NASA計劃中的在火星表面採集土壤樣本並將它在未來送回地球的宏大計劃的第一個任務。“毅力”號將負責採集和打包這些樣品。
噴氣推進實驗室主管“毅力”號火星漫遊車取樣快取任務的負責人基斯·洛塞特（Keith Rosette）說：“這是樣品返回任務的關鍵步驟。如果沒有一個可以在火星上獲取土壤樣本的鑽頭，一切都是空談！”
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儘管讓一個樣本返回飛行器從火星迴到地球會面臨一系列的挑戰，但這些風險和努力都是值得的，因為它可以讓研究人員有機會在地球上用各種各樣的儀器對這些樣本開展無限的測試和研究。相對於把所有這些研究裝置送往火星，從火星採集樣本返回的難度要小得多，也更有價值。
與此同時，蜜蜂機器人公司正在將其已經專利化的巖芯分離鑽子技術的商業化，以用在為地球上的地質學家所提供的土壤岩石取樣工具包內。由於這種分離鑽子可以和標準鑽頭配套使用，因此能夠有效地降低技術門檻和使用成本。
蜜蜂機器人機器人公司為火星探索開發的旋轉衝擊式取芯鑽頭正在地球地質考察活動中推廣使用。
蜜蜂機器人公司還在接觸一些專門從事核電站事故救援的公司。在這一應用場景中，由於核輻射的劑量太高，難以派出人類工程師進行調查工作。但是，裝備了新的取芯分離鑽子技術的機器人可以被派到現場，對核反應堆的混凝土殼體或者周邊的土壤進行取樣，並檢查輻射水平。
從火星傳送影片採集樣品返回地球並不是NASA為“毅力”號擬定的唯一一個“開創性”任務。“毅力”號火星探測器內建了一個系統，使其成為美國宇航局歷史上第一個從進入火星大氣層開始直到順利降落，實時回傳高品質影片訊號的探測器。
和“好奇”號火星漫遊車在下降過程中發回的一系列經過壓縮的火星表面影象相比，“毅力”號進入、下降、和最後著陸模組系統總共配備了六個高畫質攝像頭和一個麥克風。這些裝置將從“毅力”號接觸火星大氣層開始，直到最後落地，全方位地記錄這一“恐怖七分鐘”的全過程。除了火星地表視角外，還有單獨的攝像頭專門用於拍攝降落傘展開，位於上方的下降飛行器（空中吊車）和吊在下方的漫遊車。
全程記錄“毅力”號著陸過程的攝像機和麥克風
攝像頭元件採用了商業現貨技術，但用於管理攝像頭介面和供電的電路板則是由噴氣推進實驗室全新設計的。隨後，該電路板由總部位於舊金山的節奏自動化公司（Tempo Automatics）完成生產製造。在2013年，美國國家航空航天局宣佈啟動“火星2020”計劃後不久，成立的節奏自動化公司之後一直在使用從該工作獲得的經驗改進其製造流程。
和其名字中的“節奏”一詞相吻合，節奏自動化致力於快速和自動生產印刷電路板，即使只是小批次訂單。該公司為此提供的一套工具是在生產過程對每一個元件可以“溯源”，即在電路板的生產過程的每一點跟蹤誰觸碰了它和對它做了些什麼，以及每一個部件來自的批次資訊。透過這些，公司可以更容易地定位電路板上發現的某個問題，並且瞭解該問題的波及範圍。
為了滿足噴氣推進實驗室嚴格的文件要求，節奏自動化公司在質量控制過程中增加了電路板的X射線影象，離子清潔度資料和從一個對所有零部件進行自動光學檢測的儀器採集的所有資料。而現在所有這些都已經成為該公司標準生產流程的一部分。
節奏公司的另一個獨特工具是被它成為“生產模擬”的軟體，可以將計算機輔助設計模型轉換成對於最終產品電路板的真實模擬展示。當來自噴氣推進實驗室的工作在2018年開始時，它的一個團隊正在開發該工具的原型。而噴氣推進實驗室的工作使該工具最終得以成形、完善，在2019年正式上線。
這張看上去是實物拍攝的電路板實際上是譚波自動化公司根據計算機輔助設計檔案生成的“生產模擬”。
“生產模擬”可以讓客戶在正式生產開始前有機會檢查他們設計中的任何問題或缺陷，因為一旦生產開始對於一個簡單錯誤的改正都可能會花費很多錢和時間。
這種技術除了可以用來幫助客戶完成他們的設計之外，節奏自動化發現它在其自己的生產過程中也非常有用。產品的生產過程可能會導致原始CAD模型和最終產品間的差異。而“生產模擬”可以作為一個模擬工廠產品真實情況的來源，和設計者的意圖進行對比和溝通。現在，譚波公司在進行電路板生產前，都會把執行“生產模擬”作為標準的第一步工作。
而節奏自動化公司能夠提供一個符合NASA標準的產品，也幫助其打入商業航天市場，讓它的產品在商業衛星和火箭中得到使用。
目前，包括設計了攝像頭介面電路板的噴氣推進實驗室在內的整個“火星2020”計劃人員都在期待著這些攝像頭能夠拍下並傳回2021年2月18日降落過程中的每一秒景象。這是到目前為止NASA還沒有做到的東西，所有人都對這些景象翹首以待。
對於化學反應痕跡的紫外鐳射掃描紫外鐳射掃描技術是另一項起源於NASA火星探測專案並在“毅力”號上得到首次應用的技術。這項技術在地球上也有著許多潛在應用。
當兩位長期工作在一起的同事在19997年成立光子系統公司（Photon Systems）的時候，研究表明工作在深紫外波長的光譜儀，一種使用光來確定樣品成分的儀器，具有異常光明的前景。它們可以被用來確定一個細菌，甚至用於檢測到極其細微的化學反應痕跡。但是波長在220-250奈米範圍內的光源對於環境的干擾非常敏感，且受影響程度會很大。除此之外，還有許多其他的問題。
威廉·哈格（William Hug）和雷·瑞德（Ray Reid）致力於開發一種迷你化、輕量化、堅固耐用的深紫外鐳射源用於野外光譜分析。他們的第一筆外部投資來自於NASA噴氣推進實驗室在1998年授予的兩份SBIR合同。後者對於開發一種可以檢測核酸和氨基酸，所有已知生命的基本有機材料，的光譜儀非常感興趣。自那時起，這家位於加利福尼亞州科維納（Covina）的公司從NASA，主要是噴氣推進實驗室，獲得了大量的SBIR合同以及NASA專案的投資旨在開發進行行星和天體生物學科學研究的工具。
安裝在“毅力”號機械臂前端的SHERLOC儀器
現在，NASA終將收穫其在光子系統公司技術上長期投資的第一個碩果：“毅力”號火星漫遊車上安裝了“使用拉曼和熒光光譜儀掃描可居住環境探測有機物和化學物（Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals，SHERLOC）”儀器。在“毅力”號探索火星上過去生命跡象的任務中，該儀器會使用由光子系統公司開發的鐳射器去偵測一些之前不可見的線索。
儘管研究小組預計不會在火星上發現活的細菌，但依然期待SHERLOC能夠識別出接近火星土壤表面所存在的有機物。而在地球上，同一技術可用於在其他許多場合識別有機物質。
深紫外光子會與很多材料發生劇烈的反應，尤其是那些含有有機分子的物質。和紅外甚至可見光波段鐳射源相比，這會帶來更高的檢測靈敏度和更大的準確性。
早期的深紫外鐳射器的價格高達10萬美元一臺，佔地差不多有三個辦公桌那麼大，需要一個月的時間進行安裝設定。這也是為什麼在很長時間內，深紫外光譜分析只在研究實驗室內使用，而沒有在工業界得到廣泛應用。而哈格和瑞德開發出了一個和其他裝置相比要小得多、簡單得多、也便宜得多的構造。
SHERLOC系統在“毅力”號上的安裝位置。除了機械臂外，其部分控制、運算元件位於車體內部。
一個重大的挑戰在於該技術對於零件質量的高要求。為了使用極短波長的高能量鐳射擁有可以檢測到單個病毒的靈敏性，任何細微的缺陷都會對儀器的探測結果造成大的影響。鏡頭或者其他表面的微觀缺陷都可能讓鐳射束髮生折射或者散射，從而使測量結果不準。光子系統公司利用了多個行業裡的技術進步，最終滿足了必要的質量標準。
光子系統公司提供了兩種型別的光譜分析，充分利用了深紫外鐳射光源所具有的，其他存在已久的光譜儀技術所不具備的優勢。而SHERLOC同時使用了這兩種光譜分析儀。
熒光光譜儀觀察的是大多數有機物和許多無機材料在受到一定波長的紫外線照射時會應激發光現象（就像洗滌劑在黑光下自己發光的現象）。每一種物質都會產生一個獨特的光譜“指紋”。
拉曼光譜儀則是利用拉曼散射效應觀察分子散射的光。根據樣品中分子的不同振動頻率和旋轉角度，散射光的頻率也會隨之發生變化。這些波長的變化可用於識別出樣品的組成成分。對於有機物分子而言，具有更高能量的紫外光光子能夠比較低頻率的光線產生更強的拉曼散射效應。 由於深紫外光不存在於的自然熒光或日光中，使用這些波長很短的光能夠避免其他光源的干擾。
最近幾年，該公司已經開始將這些新技術用於實用產品開發。除了實驗室裝置外，他們還開發了手持式感測器和裝置用於監控人在汙染物中的暴露程度。他們的最大的市場現在是在製藥、食品加工和汙水處理行業。和任何其他方法相比，無論在測量的藥品生產的有效成分還是確保機械裝置的清潔度方面，深紫外技術都可以識別和測量到濃度低得多的某些化合物，提供前所未有的質量控制精度。
經過NASA20年的資金支援，光子系統公司已將深紫外技術的的尺寸和成本大大降低。前者更是已經達到手持級別。
在汙水處理領域，該技術可以識別和測量汙染物，讓操作員對處理過程進行定製，以控制殺菌所需的臭氧量和通風強度，從而節約能源。對於一個小型汙水處理廠而言，不到一個月就能收回整個系統的成本。
該技術的另一個場景是在醫療領域中確定細菌和病毒的型別。透過使用深紫外技術搞清楚傷口中的細菌型別，有利於精確地找到合適的抗生素對症下藥，從而避免因為使用廣譜抗生素而帶來的耐藥性風險。目前該公司已經獲得美軍的投資，已開展這方面的應用研究。
快速，廉價的深紫外光譜分析在醫療研究領域同樣大顯身手，除了上面提到的診斷外，還能夠用於確定蛋白、肽、和其他生物物質。
正是NASA對於光子系統公司長久以來的支援，使得深紫外鐳射技術，深紫外拉曼光譜分析儀和熒光光譜分析儀得以在製藥、汙水處理和水質處理領域帶來突破。而現在這一突破又被拓展到了在臨床試驗中確認病毒。
在火星上，SHERLOC將用於尋找有機物，分析礦物質周圍的任何可能的生命跡象，讓研究人員可以理解他們的環境。這將提供更多關於火星演化歷史的詳細資訊和也有助於確定在哪裡取樣，以及將什麼樣的樣品送回地球。該儀器還包括一個具有顯微成像功能的攝像頭，能夠為岩石的礦物和有機成分繪製更詳細的影象資料，提供大量的重要資料。
這將是在火星上進行的全新探測活動，在此之前重來沒有做過。它就像一根在火星表面的探針，將幫助人類找到一些極具研究價值的採集地，獲取樣本並送回地球。