近日，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的工程師們?yōu)镸ars 2020探測(cè)器安裝了一個(gè)長(zhǎng)2.1米的機(jī)械臂，該機(jī)械臂是目前火星探測(cè)器上功能最強(qiáng)大的機(jī)械臂。

Mars 2020的機(jī)械臂由科研人員歷時(shí)5年研發(fā)，雖然與前一代好奇號(hào)（Curiosity）探測(cè)器整體相似，但Mars 2020的科研功能更為廣泛和強(qiáng)大。一方面，它能將機(jī)械臂探入巖石中進(jìn)行采樣并儲(chǔ)存；另一方面，它機(jī)械臂末端的鉆頭可更換多種工具，以執(zhí)行不同功能的探測(cè)。據(jù)悉，Mars 2020計(jì)劃將于2020年7月發(fā)射，并在2021年2月18日登陸耶澤洛環(huán)形山（Jezero Crater）。

JPL以研發(fā)機(jī)器人而聞名，這些機(jī)器人通常在極其遙遠(yuǎn)和惡劣的環(huán)境中，進(jìn)行常人難以完成工作。機(jī)遇號(hào)（Opportunity）在2004年登陸火星時(shí)，需要執(zhí)行長(zhǎng)達(dá)90天的任務(wù)。但火星上塵土飛揚(yáng)和溫度劇烈波動(dòng)的環(huán)境對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)很不友好，即使是機(jī)器人最基本的維護(hù)或修理都是不可能完成的任務(wù)。

然而，機(jī)遇號(hào)卻在火星上保持運(yùn)行了5498天，其孿生兄弟勇氣號(hào)（Spirit ）運(yùn)行了2269天。Mars 2020的總體設(shè)計(jì)與火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）的好奇號(hào)探測(cè)器相似。好奇號(hào)自2012年8月以來(lái)，一直在探索火星上的蓋爾隕石坑（Gale Crater）。然而，Mars 2020的新機(jī)械臂已經(jīng)被研究人員重新設(shè)計(jì)，將能夠進(jìn)行比好奇號(hào)更復(fù)雜的科學(xué)研究。例如，它能夠鉆進(jìn)巖石中收集樣本，以便研究人員回收。

體型上，Mars 2020比好奇號(hào)更大一些，并比好奇號(hào)重約150公斤。但在其他方面，Mars 2020和好奇號(hào)的尺寸大致相同。此外，Mars 2020還使用了與好奇號(hào)相同的放射性同位素?zé)犭姍C(jī)進(jìn)行供電。值得一提的是，研究人員也給Mars 2020的車輪進(jìn)行了升級(jí)，升級(jí)后的鋁制車輪比好奇號(hào)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(hào)相同，它將像從直升機(jī)上垂吊下降的突擊隊(duì)一樣，急速地降落到火星表面。對(duì)Mars 2020來(lái)說(shuō)，真正進(jìn)步的地方在于它強(qiáng)大的科研功能。Mars 2020除了配備高度實(shí)驗(yàn)性自主直升機(jī)的基站之外，最有趣的新功能是它能夠采集巖石和土壤的表面樣本，把樣本放入試管中密封，并將試管存儲(chǔ)起來(lái)以備日后檢索，或送回地球讓研究人員進(jìn)行分析。

Mars 2020使用機(jī)械臂末端的一個(gè)鉆頭進(jìn)行樣本采集工作，該機(jī)械臂配備了多種能夠更換的鉆頭，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(shí)別傳感器套件、一個(gè)X射線分光儀以及一個(gè)叫PIXL的照相機(jī)，它們均可在鉆頭的平臺(tái)上進(jìn)行切換。

從根本上說(shuō)，Mars 2020的大部分科研工作，都將依賴于它所攜帶的機(jī)械臂和硬件，其中包括近距離地表調(diào)查和收集樣本進(jìn)行緩存。Mars 2020探測(cè)器的工程師之一Matt Robinson表示，Mars 2020的系統(tǒng)包括機(jī)械臂、機(jī)械臂末端的鉆頭，以及探測(cè)器主題內(nèi)管理樣本的樣本緩存系統(tǒng)。

自2001年以來(lái)，Matt Robinson一直在JPL工作。他曾在鳳凰號(hào)火星著陸器的設(shè)計(jì)任務(wù)中，擔(dān)任機(jī)械臂飛行軟件開(kāi)發(fā)人員，以及機(jī)械臂測(cè)試和操作工程師。此外，他還曾在好奇號(hào)項(xiàng)目中擔(dān)任機(jī)械臂測(cè)試和操作首席工程師。為了進(jìn)一步了解Mars 2020機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方式和特點(diǎn)，IEEE Spectrum特別對(duì)Matt Robinson進(jìn)行了采訪。

IEEE Spectrum：設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在火星上運(yùn)行的探測(cè)器機(jī)械臂有什么不同？Matt Robinson：我們花了5年多的時(shí)間對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、組裝和測(cè)試。同時(shí)，科學(xué)家們也要求該機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)更多高級(jí)目標(biāo)，其中包括采集核心樣本并處理樣本以備返回、隨身攜帶科學(xué)儀器以幫助確認(rèn)需取樣的巖石……

作為工程師，我們需要對(duì)這些目標(biāo)進(jìn)行定義并給予支持。為地球外的其他星球建造機(jī)械臂時(shí)，我們需要針對(duì)環(huán)境設(shè)計(jì)一些強(qiáng)大的功能，并能對(duì)機(jī)器的故障做出堅(jiān)固的保護(hù)。在火星上，一天中溫度的變化幅度能達(dá)到100攝氏度，因此對(duì)我們來(lái)說(shuō)，機(jī)械臂承受熱量方面非常具有挑戰(zhàn)性。

例如，力傳感器通常不能在我們所談?wù)摰臏囟确秶鷥?nèi)工作，因此，我們需要付出很多努力對(duì)探測(cè)器的力傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試。IEEE Spectrum：如何決定冗余的大??？Matt Robinson：這主要由機(jī)器人的質(zhì)量和體積決定，這兩點(diǎn)通常是決定機(jī)器人冗余量的驅(qū)動(dòng)因素。當(dāng)我們將一定數(shù)額的質(zhì)量分配給機(jī)械臂時(shí)，也會(huì)給機(jī)器人設(shè)定一個(gè)能適應(yīng)該質(zhì)量的體積。

另外，由于我們有著向其他星球發(fā)送機(jī)械臂的豐富經(jīng)驗(yàn)，因此我們可以在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，就能為機(jī)械臂制定許多設(shè)計(jì)要求，讓它更符合探測(cè)火星需具備要求。這也是我們決定冗余大小的一個(gè)方式。IEEE Spectrum：這種對(duì)冗余的需求是否影響了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)？

Matt Robinson：對(duì)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)是由幾個(gè)因素影響的。一方面，我們大概知道機(jī)械臂末端的器械會(huì)有多大，所以機(jī)械臂的設(shè)計(jì)部分是由器械影響的。隨著器械越大，機(jī)械臂也必須越大。另一方面，機(jī)械臂的末端有取芯鉆，由于取芯需要一定的力量，因此機(jī)械臂必須足夠強(qiáng)壯才能做到這一點(diǎn)。這些要求都影響了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。

除此之外，機(jī)械臂也必須在火星的環(huán)境中工作，因此我們也必須為機(jī)械臂設(shè)計(jì)能適應(yīng)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(cè)試Mars 2020的機(jī)械臂？Matt Robinson：這是一個(gè)好問(wèn)題。它的機(jī)械臂是為了能夠在地球和火星上工作而設(shè)計(jì)的，因此它足夠強(qiáng)大。

我們有一個(gè)機(jī)械臂的剛度模型，它讓我們能夠補(bǔ)償?shù)厍蚝突鹦窃谥亓Ψ矫娴牟町?。為了測(cè)試，我們制作了兩個(gè)機(jī)械臂模型，包括一個(gè)將要飛往火星的飛行模型，以及一個(gè)工程模型，這兩個(gè)模型實(shí)際上是彼此的復(fù)制品。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(xù)進(jìn)行測(cè)試。

如果發(fā)生諸如鉆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復(fù)制這些條件，并用它來(lái)測(cè)試不同的場(chǎng)景來(lái)克服這些問(wèn)題。IEEE Spectrum：機(jī)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(dāng)高級(jí)的飛行軟件，例如，我們有一個(gè)只說(shuō)“?？俊钡拿?，它可以進(jìn)行所有的力量控制，移動(dòng)機(jī)械臂與轉(zhuǎn)盤傳送帶進(jìn)行對(duì)接。

另一方面，在地面交互上，我們?cè)诹鲃?dòng)站上安裝了能夠生成3D地形模型的立體攝像機(jī)。利用這些3D地形模型，科學(xué)家可以在地面上選擇一個(gè)目標(biāo)，然后我們可以將機(jī)械臂放在目標(biāo)上?？茖W(xué)家們喜歡選擇特定的樣本目標(biāo)，因?yàn)槟抢镉蟹浅Ｌ厥獾膸r石類型，幫助他們尋找樣本。

2020年，我們將為探測(cè)車提供下一級(jí)自主駕駛能力，以便它們到達(dá)一個(gè)區(qū)域后，至少能對(duì)該區(qū)域進(jìn)行初步勘測(cè)，這樣科學(xué)家們就可以選擇特定的目標(biāo)。這樣做的好處是，如果科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處有一個(gè)感興趣的區(qū)域，探測(cè)車就會(huì)自動(dòng)開(kāi)到那里，并展開(kāi)機(jī)械臂拍攝所有的照片，以便我們可以生成這些區(qū)域的3D地形模型，然后科學(xué)家就能在第二天選擇他們想要的特定目標(biāo)。