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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、图文并茂地介绍最新科技知识,形式多样地普及科学技术的特点,对提高广大群众的科学水平,启发青年爱好科学、投身科学事业起了很大的作用,当今的不少著名学者、教授、科学家,青少年时代都曾受到它的熏陶和启发。

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登陆火星的“手抓球”

2019-08-12 23:15:00

  小朋友爱不释手的手抓球玩具真是太奇妙了!它虽然构造简单,看上去不堪一击,实际上却坚不可摧!几根五颜六色的小木棍用弹力绳串起来,做成一个不太标准的球,攥在手里,不管怎么拉它、撞它、压它,它都能迅速恢复原状。

  美国国家航空航天局的阿德里安·阿戈吉诺刚刚购买了一个手抓球,不过他不是买给孩子的,而是买给自己的。因为他和他的同事维塔斯·桑斯皮拉尔想知道,这个奇妙的玩具到底隐藏了什么科学道理。

  真正的太空探索者

  人类并不是踏足太空最多的探索者,机器才是。在这些英勇无畏的“探索者”当中,有探测器,也有太空望远镜,比如我们耳熟能详的“旅行者”号探测器、“好奇”号火星车、哈勃太空望远镜。

  之所以让机器代劳,是因为太空环境对人类很不利。太空中没有氧气,而且存在致命的辐射,微重力环境也会打乱人体的生理状态,因为它会使骨骼变薄,重塑肌肉和器官,还会影响血液流动。

  当然,太空环境是公平的,它对机器也谈不上友好。虽然机器不需要呼吸,也没有肌肉和血液,但是一旦与环绕四周的岩石、灰尘、太空垃圾相撞,后果就像被子弹射中一样。所以一台机器在外星球着陆时,难度是超乎想象的。

  火星车,别翻

  探测器的着陆有多难?盘点一下历次火星任务就知道了。已经完成的约50次火星车发射任务,有近60%是失败的——那些火星车要么坠毁,要么爆炸,要么失联。

  在火星上着陆是非常棘手的任务。首先,火星车要从飞船中分离出来,或者说弹射出来,然后,它必须迅速减速,缓缓飘向地面,最后轻轻落地,稍有不慎就会坠毁。过去,工程师采用了各种各样的方法:弹性气囊、反向点火的火箭、降落伞、飘浮的空中吊车……即使同时拥有这么多黑科技,2012年“好奇”号的着陆过程仍然惊心动魄,以至于它从进入火星大气层到着陆的7分钟,被美国国家航空航天局的研究人员形容为“恐怖7分钟”!

  在火星上着陆只是万里长征完成了第一步。接下来,火星车要避免抛锚、翻车,还不能碰到附近的障碍物。而这一切都需要地面的控制中心替火星车环视四周,排查潜在危险,然后下达准确无误的指令,整个过程耗时很久,火星车只能原地等待,所以探测任务常常效率低下,进度迟缓。

  如果能仿照手抓球做出一个机器人,那么将大大降低难度系数。因为这样的机器人,即使发生碰撞也能自己恢复原状,行动灵活,不易损坏。

  灵感来自玩具

  科学家想向手抓球取经的,是如何拥有张拉整体式结构。“张拉”的意思是可伸缩,“整体”的意思是能够保持坚固形状而不被折断。也就是说,具有张拉整体性质的物体,同时具有弹性和硬度,这就是为什么即使将手抓球重重地砸在地上,它也能迅速恢复原状的原因。

  “这是个绝佳的火星着陆器!”阿戈吉诺惊呼。跟传统的火星车不同,这种完全由棍杆和弹力绳组成的机器人无须借助降落伞、气囊、空中吊车,就可以顺利在火星上着陆。不用担心在着陆的那一瞬间遭遇强烈撞击,反正它马上就可以回弹成原状。

  顺着这一思路,桑斯皮拉尔和阿戈吉诺设计出了第一个张拉整体机器人,名叫“超级球”(SuperBall Bot)。它在方方面面都从手抓球上汲取了灵感。互锁的支杆和绳索,就相当于手抓球的小木棍和弹力绳。只不过,由于没有涂上花花绿绿的颜色,所以看上去更像一个铁架搭起的篱笆。

  蹒跚学步

  为了让超级球学会行走,工程师在它的每一根支杆上都安装了微小的马达、传感器,以及运行人工智能软件的计算机。

  大多数探测器上的计算机程序预先输入大量指令算法,让机器人遇到问题时直接调用。但超级球用的不是这老一套。它采用的人工智能软件模仿人脑的学习模式,可以让电脑程序——或者说机器人——自主学会适应新环境,遇到问题自己找到解决办法。

  于是,超级球通过自学,知道了如何驾驭自己这副“能屈能伸”的身体。马达牵引绳索产生力矩,众多力矩合在一起,就完成了一个动作。就这样,超级球如同蹒跚学步的婴儿一样,迈出了它作为太空探索者的第一步!

  完美首秀

  为了检验超级球是否足够聪明,美国国家航空航天局的科学家在一个户外模拟基地为它安排了首秀。模拟基地的地面上铺满了岩石,还布置了环形山,以此来模拟火星上崎岖不平的表面。

  超级球的表现不负众望,它顺利通过了所有障碍物,当从小型平台上掉落之后,也能在被压扁的瞬间立刻回弹。

  今天,所有人都可以在视频网站上看到超级球的研究进展。到目前为止,超级球已经自学了翻滚、平躺、站立这些动作。它现在的行进速度是8千米每时,而计算机模拟结果显示,它还可以更快!不过,科学家不想拔苗助长,他们说,在火星上行走需要慢一点,稳一点。

  除了火星,科学家还为超级球安排了另外两个去处。一个是土卫六,那是土星的卫星,是一颗神秘莫测又充满挑战性的星球,海洋、河流、湖泊都装满了液态甲烷。另一个去处是木卫二,那里非常寒冷,如果去那儿的话,超级球还得学会滑冰!

本文来自《科学画报》

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