NASA新型金星探測車：無需任何傳統供電系統也可展開工作

極端熱量、高壓和硫酸雲……這是金星的表面環境。在這種環境下，一般的人類探測車很難運作，首當其衝的就是探測車靈敏的電子。

不過，NASA的科學家們想到了一個好點子：如果電子設備不能工作，為什麼不換種思路，使用純機械構建金星探測車？

目前為止，航天器在金星地表工作的最長時間紀錄是 127 分鐘：在 1982 年 3 月 1 日，前蘇聯的金星 13 號探測器通過降落傘緩緩著陸，並通過將計算機藏在預先製冷密封的鈦壓力容器實現了長達兩小時的工作壽命。金星的平均地表溫度高達 464 攝氏度，甚至比距離太陽最近的行星——水星溫度還高。普通的電子設備無法在這種環境下工作。

電子設備噩夢還不僅限於此，除了超高的溫度，金星表面的大氣壓高達 90 個大氣壓力，相當于海底 3000 英尺（914.4 米）的水壓。同時，雖然不必擔心金星上層大氣中的含硫酸雨會落到地表腐蝕設備，但是由於地表光線太暗（相當於地球上的嚴重陰天），太陽能供電也是不可能的。

圖丨前蘇聯金星 13 號探測器拍攝的金星地表照片， 儘管它只工作了兩個小時

對我們並不友好的金星大氣遮擋了地表，讓軌道衛星無法獲得更多的地表信息。因此只有降落地表的機器人才能為我們揭開它神秘的面紗。然而目前主流的探測器設計思路和前蘇聯的金星探測器一樣：將所有的電子電路封在一個密閉隔熱容器里，並使用很可能由放射性鈈斯特林發動機供能的製冷系統維持溫度。研發這樣一套金星車系統需要花費數十億美元。

上述的金星車傳統製造思路既困難又昂貴，而且還有潛在危險。在美國 NASA 創新先進概念項目（NASA Innovative Advanced Concepts，NIAC）的資助下，美國加利福尼亞帕薩迪納的 NASA 噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）嘗試研發了不含傳統感測器、計算機和供電系統的金星探索車。這個極端環境自動探測車（Automaton Rover for Extreme Environments）將使用發條齒輪和彈簧，以及其他機構來實現金星車的主要功能——包括能量生成，能量存儲，感測，移動甚至是通信——這些都不需要電力驅動。

圖丨在 500 攝氏度下，古老的發條技術將被用來驅動金星車常年工作

在這個電子設備主導的世界，我們中的大多數人並不知道機械計算機能做什麼。不過，在大約兩千年前（前後相差 1 世紀內），古希臘人製造了了「安提凱希拉」裝置。它可以被用來計算太陽和月亮的位置，顯示月相，預測日食，計算日曆，甚至可以通過由曲柄驅動的不少於 30 個相互嚙合的青銅齒輪來展示五個行星的位置。

在 17 和 19 世紀之間，Blaise Pascal， Gottfried Leibniz， 和 Charles Babbage 都相繼發明了自己的多功能算術機械計算機。再近一點的 19 世紀 40 年代，機械計算機被大規模使用在軍事器材，包括炮兵瞄準系統和航空炸彈瞄準中。

一直到 2002 年，俄羅斯人仍在使用被稱作 Globus 的機械計算機計算航天器位置。不過，現在一切都被電子化了。這其實很棒，除了在金星上，因為電路不能並工作。

JPL 實驗室研發這台金星車的目的是，製作一個使用最少量電路的機器人。通過儘可能的使用純機械實現功能，極端環境金星車可以在高溫環境下無故障工作數周、數月、甚至數年。

Jonathan Sauder 是 JPL 技術輸入組的技術專家愛和機電工程師，也是這個 AREE 項目的負責人。以下是針對項目是如何開始的，以及系統的工作原理等細節對他進行的採訪。

圖丨上升號航天器內部的導航裝置

問：你是怎麼想到製作極端環境中探索車的？

當時我正和一大群工程師坐在一起，進行著並行設計的環節。在茶歇時間，我們正討論著製冷裝置及其組成部件，還有如果能有個純機械的航天器是多麼炫酷，這樣的航天器會長什麼樣，以及能在什麼場合派上用場等話題。我們意識到，有兩個地方可能需要它，因為電子電路不能工作——一個是金星，因為由於電路過熱，金星車的最長存活記錄只有兩小時。另一個環境是木星周圍，因為高放射性會影響電路功能。

問：那麼，製作一個純機械機器人探索車真的可能嗎？

我們在 NIAC 項目的第一階段計劃中想要構建一個不含任何電路子系統的全機械的探索車。將所有的標準電路子系統用機械計算取代。在我們進一步了解之後，我們意識到製作一個傳統的探索車，比如好奇號火星車那樣的使用中央處理器的是不行的。所以，我們不得不使用分散式結構，在設備周圍增加許多簡單機構來實現引導、發信號、以及告訴它去哪裡。

起初我們本打算也使用機械的方式把實現測量。當我們深入下去時發現，我們無法獲得足夠精度的數據來成像或者輸出溫度、壓力等數據。目前有一些高溫電路被研發出來了——比如 碳化硅-鎵系統，能夠在高溫下運行。不過問題是他們的集成度很低，因此你不能使用傳統電路來驅動他們，而且不能實現探索車的功能。所以我們的想法是，製作一個能夠長期工作的移動平台，並攜帶上目前已有的耐高溫電路系統。

一個早期的 AREE 足式設計概念圖

問：你們是從哪裡開始著手進行 AREE 的設計的呢？

我們的首要目標是將這個移動平台設計的儘可能可靠耐用。第二個目標是，儘可能多的使用簡單、分散式、反應性的機構來引導探索車在金星表面漫步工作。你可能注意到了在我們放出的早期圖片中，金星車的設計非常像荷蘭藝術家 Theo Jansen 的風力仿生獸（Strandbeests，by Theo Jansen，由塑膠、木頭等製成，由風力驅動的仿生物），那個仿生獸是個半自動的「生物」，能夠依靠風力在荷蘭的沙灘上漫步。實現這樣一個的「仿生獸」只需要幾個簡單的感測器，來幫助控制腿的前後移動，並有內部結構來防水防沙。

在我們早期的概念研發階段，事實上我們是和 Jansen 一起設計的：他到 JPL 實驗室進行了一個為期兩天的工程合作會議，我們也了解了他在製作仿生獸的 30 年中得到的經驗。他提到的第一件事是，腿必須是能走的。當仿生獸的發明者告訴我們，在金星上，探索車的腿必須能走的時候，這意味著我們必須要找到另一種結構。關鍵在於，儘管機器人的腿在平坦的軟沙灘上表現良好，當它跑到多變的地形（比如未知的金星環境），它的腿就變得不夠穩定了。這時探索車有很大可能摔倒，甚至被損壞。

這啟發了我們進入第二階段，將帥氣的足式機器人換成了醜陋但可靠的，外觀像一戰時英國坦克的機器人。

AREE 第二階段的概念圖，能夠移動，並配有內置式風渦輪。這種坦克式設計有許多優點，而且不會經常摔倒。 由於其垂直對稱式設計，即使它被翻過來了，它也可以繼續運動。這並不意味著是最終設計，JPL 的該團隊也開始研究輪式設計了，因為輪式設計由於沒有更多的運動部件，會更加可靠。

問：你能描述下，AREE 如何能夠在金星表面導航？

簡單地說，我們正在研發一些針對避障和決定是否有足夠能量運動的專用系統，而不是像標準的中心化系統一樣，你可以多進程運行，並且通過軟體來修改或重設。

我們正試圖針對一個特定的任務，將工作原理儘可能簡化，以更好的完成任務。也許當機器人撞到一個物體時，彈出一個槓桿，將自己向後推，並旋轉 90 ° ，然後前進繞開障礙。我們的機器人只能執行這樣一種避障動作，不過可以通過多次重複來最終成功繞開障礙。

避障模塊由另一個簡單的機械系統組成，使用緩衝器，反向齒輪和凸輪來將機器人向後移動一點，之後緩衝器和齒輪會被重置，然後繼續運行。在正常的前向運動中，動力通過左邊的齒輪從輸入軸傳到輸出軸，另一個齒輪也會隨之旋轉，但並不做功。當機器人碰到障礙物時，反向齒輪由同步器嚙合，隨後擁有相反轉向。當凸輪轉完一整周后，它會將緩衝器重置，推回原位。還有一個類似的凸輪被用在了當後退驅動完成後車輪轉向的功能部分。

問：AREE 的功能與其他金星著陸器比有什麼不同？

現在這裡有好幾個金星概念任務，每一個任務的花費都不低於火星車好奇號，比如在一個地點著陸，或者到兩個地點採集數據。絕大多數計劃是非常複雜的，並且能在金星表面停留運行 2 到 24 小時。我們正致力於通過這個金星車設計，將運行時間增加到一個月。這將是我們的關鍵創新之處：能夠在多個地點採樣數據，並且有足夠的時間來觀察理解周邊環境的變化情況。

AREE 與其他金星探索車計劃的對比

問：你對 AREE 怎麼看，它就是你理想中的樣子嗎？

理想中的機器人應該是能夠在金星上環境最惡劣的地點 之一——tessera 上行走的。 tessera 非常的粗糙，還有熔岩。我們的目標是在任務期間追蹤這個探索車，採集沿途地理數據來幫助我們了解金星的演變。我理想中的金星探索車，如果能比現有的 1.5 米更大就好了。現在由於熱防護罩的限制，只能做到這樣。如果可以的話，我們想把探索車擴大到 2.5 米大小來克服更大的障礙，並且採集到更多風能。

我們的終極目標是，釋放一個重型卡車一樣的金星探索車，從而克服絕大多數障礙，一路長途跋涉，實現緩慢而穩定的自動駕駛，並在沿途採集樣本和天氣數據。

穿越進行 tessera 地區的概念行動。在長達 116 個地球日（一個金星晝夜循環）的初級任務周期內，探索車將行進 35 公里。在另一個擴展版任務中，探索車將用 3 年時間行進 100 公里。

到了這一步，你可能會好奇，如果我們無法收到它的數據，那麼送一個發條探索車去金星表面又有什麼意義呢？因為沒有電路，探索車如何能夠發送數據給我們？用機械存儲數據當然有辦法：暫時存儲數字是很容易的事情，你可以在金屬留聲機唱片上存儲 1 MB 的數據，但是之後怎麼傳出去呢？

儘管聽起來有些瘋狂，有一種方法是可行的：使用氫氣球將這些金屬唱片升到金星上層大氣中，然後在高空使用太陽能無人機來接應。隨後無人機將讀取數據，並將數據傳送到衛星。研究者們也在考慮使用真空管收音機，儘管真空管收音機並不排斥高溫環境，但在金星大氣中，真空管很可能會漏氣失效。

AREE 研發人員的解決方案是：雷達反射器。在探索車頂上放置的雷達反射器能夠被軌道上的衛星發現，通過在反射器上放置「百葉窗」，每當衛星略過的時候，1000 位元組的數據可以被觀測傳送。如果增加多個不同反射率的反射器，並讓百葉窗在不同頻率下工作，那麼反射器每天最多能夠傳送 32 個獨立變數。Sauder 表示，對於一些數據，你甚至不需要傳輸特定數字，因為只要將反射器放在一個扇葉下面，你就能通過觀測得出不同地點的相對風速了。

那麼現在，你已經基本理解了這個神奇而可靠的機器人金星探索車。最後一個問題就是，它所能執行的科學探索種類有哪些？這對 AREE 來說是個相當困難的問題，因為在 NIAC 第一階段計劃中解釋道：

純機械系統的最大劣勢在於其科研測量的能力。除了通訊模塊，需要使用耐高溫電路的關鍵模塊之一就是測量部分。對於更加複雜的測量，尤其是地質測量，它們都需要電子電路來完成。

去年晚些時候，NASA 宣布了它的 HOTTech （the Hot Operating Temperature Technology Program）項目。該項目資助「在 500 攝氏度或以上的高溫環境下的機器人探索先進技術研發」。 AREE 團隊希望在這個項目中能夠產生一些可用的科學測量設備。儘管如果沒有可用的設備誕生，他們也有一些有趣的無電路科學測量方法，包括使用扇葉測量風速，使用熱膨脹材料測量溫度和壓力，以及用一些材料棒通過化學反應檢測成分。

AREE 將風能存儲在複合彈簧中，就像一個懷錶一樣。上面展示的機械系統能夠測量彈簧中的能量，當能量充足時，通過離合器，能量將被傳送至運動模塊中。 如果你只想在一段時間之後啟動探索車，或者當其他條件滿足時啟動，可以加入機械邏輯門來與時鐘或其他感測器協同工作。

需要澄清的是，Sauder 和他的團隊製作這一切機械結構並不是為了娛樂：以一種經濟的方式探索金星並讓探索車工作超過兩天時間很有必要。「我們這個項目中的定位並不是複製已有的東西，或者在高溫電子領域即將誕生的東西。而是為目前無法解決的問題提供一套機械解決方案，儘管在研發上可能需要更多時間」 Sauder 表示。

AREE 的技術還可以在太陽系的其他角落發揮作用，而不僅止於在木衛二歐羅巴的高放射環境工作。就在地球上，AREE 在近距離採集活火山樣本，或高放射環境下工作時就很有優勢。 AREE 的其他優勢還有：它可以被超高溫徹底消毒而不影響功能。假如你在火星冰蓋下發現了一個湖泊，並有帶觸手的 Y 狀生物遊動，那麼你就可以將消毒過機器人釋放來採集樣本，而不必擔心造成生物污染。

目前為止，AREE 項目已經收到了 NIAC 第二階段的資助。該團隊正在對運動系統進行下一步研究，很可能將坦克式設計換車更可靠的輪式設計。他們同時也在進行高溫機械鐘的開發——這是任何自動化機械計算機的核心。 Sauder 表示，他希望明年他們能在構建和測試雷達目標信號系統方面產生更多激動人心的成果。事實上，我們已經為之折服了：這是我們所見到的最為創新的機器人，很期待它著陸金星的那天。

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