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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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太空“清道夫”

2018-02-23 00:52:00

  茫茫太空垃圾泛滥成灾

  受壁虎能够在垂直光滑墙面自由爬行原理的启发,美国斯坦福大学和美国宇航局(NASA)喷气推进实验室的科研人员共同研发出了一款“壁虎漫步”机器人。实验证明,它能在太空微重力环境下,轻松自如地抓放不同形状的物体。该智能装置有望担当太空“清道夫”的重任,帮助清除大量漂浮在地球轨道上的太空垃圾。

  据NASA估计,在接近地球的空间环境中,约有50万个太空垃圾在绕地球飞行,总重量超过7000吨。

  太空垃圾的来源非常广泛,主要有运载火箭残体、废弃的航天器以及碰撞解体的航天器碎片。它们大小各异,小到固态火箭的燃烧残渣,大到在发射后被遗弃的多级火箭。

  仅是人类光学望远镜和雷达能观测到的空间碎片,每年就大约会增加200个。它们主要集中在地球同步轨道、半同步轨道高度区域和高度在2000千米以下的区域。2009年2月10日,美国“铱-33”通信卫星和俄罗斯已经报废的“宇宙-2251”卫星在西伯利亚上空约805千米处发生碰撞,这是历史上首次发生的在轨完整卫星碰撞事件。这次碰撞产生的2000多块大小碎片现在仍然在轨道中飞行。最大的太空垃圾则来自于欧空局,这个太空垃圾超过了10米,吨位有8.5吨。太空垃圾的体积通常不大,但它们都以每秒6~7千米的速度运行。由于相对速度很大,极小的一块太空垃圾都足以给人造卫星或者载人飞船造成巨大损伤。

  为了研究太空垃圾的影响,同时评估它们对航天器的危害,1984年4月,美国“挑战者号”航天飞机曾将一个圆柱形的长期暴露装置释放到近地轨道。69个月后,该装置被回收,科研人员仅凭肉眼检查,就在它的表面发现了3.2万多个撞击凹痕(其中最大的直径为0.5厘米)。这相当于每天被撞击15次,平均每绕地球1圈就被撞击1次。

  如果进入大气层的大块太空垃圾不能被彻底烧毁,同样也可能会伤及人类。2007年7月,国际空间站宇航员克莱顿·安德森在太空行走期间,将一个635千克重的有毒氨水罐抛入太空。它在太空漂浮了16个月后,于2008年11月2日晚坠入澳大利亚和新西兰之间的茫茫大海。所幸这块电冰箱大小的太空垃圾并没有击中过往船只。

  NASA的一位科学家表示,太空垃圾的数量与航天发射的频率成正比,发射次数越多,火箭助推器和“退休”卫星落下的垃圾也就越多,碰撞事故发生率也会越高。而且,体积中等或较大的碎片碰撞后,会形成更小的块阵雨,追踪起来会更加困难。现在空间碎片还在不断增加,如果这一现状得不到改善,人类的太空探索最终将难以进行,卫星也无法再使用。航天专家现在不得不对太空垃圾在轨道上的位置进行实时关注,国际空间站每年都得多次调整轨道位置,以躲避太空垃圾。

  壁虎脚掌黏附力异乎寻常

  美国斯坦福大学机械工程系教授马克·库特考斯基带领他实验室的同事,在研究壁虎脚趾微结构的基础上,用了10年时间开发出具有强黏性的材料。他们将这种粘合物质覆盖成楔形薄层,用在攀登机器人身上。研究人员已经将它在实验室和零重力环境下进行了实验,证明一片相对较小的粘合物质就能拖动一个重达300千克的机器人。科学家设想,这种能够背着重物在光滑的墙面上成功爬行的“壁虎漫步”机器人,将来有望被派往太空,抓取大块空间碎片。

  壁虎是蜥蜴的一种,体背腹扁平,身上排列着粒鳞或杂有疣鳞。它的指、趾端扩展,其下方形成皮肤褶皱,密布腺毛,有吸附能力,可在墙壁、天花板或光滑的平面上迅速爬行。研究者发现,壁虎种类虽然多种多样,但其脚掌吸附系统的结构在微观上却是惊人的相似。肉眼就能看到它柔软的足垫上呈现出一条条弧状褶皱,长度约为1~2毫米。在扫描电镜下,壁虎的脚掌呈现出一种多分级、多纤维状表面的错综复杂的吸附结构。每个脚趾生有数百万根细小刚毛,每根刚毛的长度约为30~130 微米,直径为数微米,约为人类头发直径的十分之一。刚毛的末端又分叉形成数百根更细小的铲状绒毛(100~1000根),每根绒毛长度及宽度方向的尺寸约为200纳米,厚度则在5纳米左右。根据计算,壁虎在每平方厘米面积上的刚毛数量多达1万余根,如一只大守宫壁虎脚掌上刚毛数量约为600万根。攀爬时,壁虎的这些铲状绒毛会与物体表面完全接触,产生范德华力。壁虎脚掌上的吸附力高达1300牛顿,理论上能够承受两个普通成年人的重量。

  壁虎脚掌一方面拥有比胶带还“粘”的吸附力;另一方面又能轻而易举地从表面上脱粘,即力学上的“可逆粘附”。研究表明,壁虎刚毛的角度在脱粘过程中起着重要的作用,只有在某个临界角度下,刚毛才能轻易脱粘。尽管壁虎脚掌上沾有灰尘,然而吸附力依然强劲。原来壁虎脚掌表面具有类似“荷花效应”的自清洁能力。所谓“荷花效应”,是指当水分子间的相互吸引力大于水分子与物体表面间的作用力时,水滴就会在物体表面形成一个大于半球的球缺形状,而超疏水表面上的水滴则近似球形。这也是水滴可以在荷叶上来回滚动的原因。荷叶表面与壁虎脚掌表面同样具有超疏水能力,但是却没有壁虎的超强吸附力。与可逆粘附类似,这种“自清洁能力”是壁虎脚掌适应自然环境的又一种双重性功能。

  早在2006年,美国斯坦福大学一个研究小组就研发出了一种仿壁虎机器人,它在吸附原理、运动形式及外形上都比较接近真实的壁虎,被称为“粘虫”。“粘虫”设计有4只粘性脚掌,每只4个脚趾,并且脚趾上覆盖着数百万根细小的人造刚毛,每根人造刚毛直径约为0.5纳米。“粘虫”身手不凡,能“飞檐走壁”。

  “壁虎漫步”机器人技高一筹

  如何清除太空垃圾,已经成为专业人士关注的紧迫课题。清理垃圾本来是一个简单的动作,但到了太空却会变得十分困难:一是因为太空空气稀薄,接近真空及失重环境,导致在地球上能抓取物体的智能手臂不起作用;二是因为太空温差巨大,很难生产出在这种条件下使用的粘性物质;三是因为如果使用磁铁,只能对磁性材料起作用,适用范围小。多年来,各国科学家都在致力于破解这个难题。目前有关摧毁或“捕捉”太空垃圾的方案不少,但鉴于现在的技术发展水平,没有一项真正可行。

  为此,瑞士洛桑联邦理工学院推出了“洁天一号”航天器研发项目,希望它能像家用吸尘机一样,回收太空中废弃的卫星碎片,然后将它们拖入大气层中烧毁。研究人员为“洁天一号”设计了两个工作方案:一是通过打扫装置收集太空垃圾,然后将整个装置连同吸入的残骸,拖入地球大气层中自行烧毁;二是把打扫装置保留在地球轨道上,将吸入的碎片排放到地球大气层中。然而,该研发项目面临以下三大难题:一是需要研制出小型发动机,保证能把打扫装置准确送到太空垃圾运行的轨道上;二是要能制造出一种仿生学抓取机制,就好像海葵那样的触手,能够抓紧高速转动的太空垃圾,并且同时保持自身稳定;三是能把太空垃圾引导至地球大气层中的预设地点,随后焚烧。

  欧洲空间局(ESA)也在探究未来捕获近地轨道附近太空垃圾的可行性,制订了“清洁太空行动”计划。其中的“脱轨任务”旨在搜寻和清除轨道高度在800~1000千米太空区域内的废弃人造卫星残骸。如果一切按计划进行的话,这个像自动的手臂、网或鱼叉的捕获装置将于2023年锁定目标,并把它带到地球大气层可以安全燃烧的地方。然而,要把如此大的一块太空垃圾卷起来并不容易,必须先能确定快速移动的目标,然后用一种安全可靠的方式去追逐捕捉它,最后控制着卫星并将其带到地球大气层中焚毁。

  2016年12月,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)成功地将货运飞船“鹳”6号机发射升空,并向国际空间站运送物资。2017年1月28日,离开国际空间站后“鹳”6号机利用正在开发的新技术,“顺带”对日益严重的太空垃圾开展清理实验。它的目标是将700米长的金属缆绳抛出后接通电流,通过与地球磁场相互影响,获得与太空垃圾行进方向相反的制动力。然而,由于在向太空抛出缆绳的环节中失败,第一次实验被迫中断。随后再次尝试,仍未抛出缆绳,实验以失败告终。“JAXA原本希望,在本世纪20年代中期将自己在世界上率先开发出的,通过缆绳捕获太空垃圾并使其落入大气层焚毁的技术实用化,但此次失败可能令开发计划延后。”JAXA负责清理垃圾新技术实验的队长井上浩一在茨城县筑波宇宙中心召开的记者会上表示。

  哈佛大学库特考斯基实验团队与NASA喷气推进实验室在最新一期《科学·机器人学》杂志上发表论文称:对“壁虎漫步”机器人在模拟太空环境的太空舱内进行的检测表明,它能轻松自如地抓放尺寸和重量大其100多倍的管状、柱状和球状等不同形状的物体,有望解决在地球上能抓取物体的智能手臂在太空失灵的难题。该研究团队已把“壁虎漫步”机器人送上国际空间站进行测试,结果令人非常满意。它能在舱壁上坚持攀爬数周,不会受到空间站颠簸的影响。

  根据计划,下一步将在太空中测试“壁虎漫步”机器人。“在太空中,有很多任务都能因此受益,”隶属NASA喷气推进实验室极端环境机器人科学组的阿伦·帕尼斯博士展望道,“比如对接和在轨太空垃圾处理。我们将对‘壁虎漫步’机器人作进一步的改造升级,使其除用于清除空间碎片外,还能帮助宇航员在太空飞行中爬到空间站舱外,完成修理、拍摄和检查故障等工作。”

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