雷鋒網(wǎng)注：圖為「勇氣號」

2010 年 1 月 26 日，NASA 宣布放棄解救「勇氣號」。

由于車輪陷進(jìn)軟土，在火星服役了六年的「勇氣號」轉(zhuǎn)為靜止觀測平臺。

盡管最初設(shè)計(jì)的工作壽命僅有 3 個(gè)月，但憑借自帶的除塵功能和太陽能帆板，「勇氣號」將自身服役時(shí)間延長了幾十倍。

但萬萬沒想到，逃過了電力不足，「勇氣號」卻抵不過火星軟土。

秉承著“在哪里跌倒，就要在哪里躺下。（站起來?。钡膬?yōu)良品質(zhì)，NASA 科學(xué)家為火星車新增一項(xiàng)設(shè)計(jì)，能夠讓它在陷入軟土?xí)r進(jìn)行自我解救，避免下陷。

該項(xiàng)研究現(xiàn)發(fā)表于《Science Robotics》。

火星，一個(gè)讓「勇氣號」深陷的地方

在了解研究新設(shè)計(jì)之前，先了解一下是什么樣的地形讓「勇氣號」“無法自拔”。

雷鋒網(wǎng)注：「好奇號」拍攝的火星地表畫面

據(jù)目前已勘測到的信息，火星是一個(gè)直徑為 6787 千米的寒冷荒蕪的星球。與地球一樣，火星也擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷，只不過，火星基本上是沙漠行星，沙丘、礫石遍布。

 

雷鋒網(wǎng)注：圖為 “納米布沙丘”

從氣象條件來看，火星上塵暴多發(fā)，容易有沙石堆積成沙丘。2015 年 12 月17日，「勇氣號」的同門「好奇號」就曾拍攝了一個(gè)高約 4 米的沙丘——“納米布沙丘”，風(fēng)吹動沙粒到達(dá)沙丘迎風(fēng)面，部分沙粒會從頂端滑落到背面，如此往復(fù)，形成了巨型沙丘。

看起來，火星如同荒漠一般，而包括「勇氣號」、「好奇號」在內(nèi)的勘測器，就是在這樣的環(huán)境下開展工作。

也難怪「勇氣號」會深陷于軟土之中。

為了不重蹈「勇氣號」覆轍，NASA 科學(xué)家對載有探測器的火星車進(jìn)行了改造，新增了一項(xiàng)能夠行走于沙土之上的設(shè)計(jì)，將機(jī)械腿和車輪進(jìn)行結(jié)合。

由此，工作狀態(tài)變成了這樣。

不止為何，這項(xiàng)設(shè)計(jì)有點(diǎn)像.......“狗刨式”。

不信你看。

NASA 實(shí)驗(yàn)室中的這一小模型的原型為“資源勘探者 15”（Resource Prospector 15，RP15），為了能夠適應(yīng)火星和月球上遍布的松軟土壤，NASA 研究人員在 2015 年建造了這一陸上機(jī)械車重達(dá) 300 千克。

據(jù)介紹，新設(shè)計(jì)的機(jī)械車將常規(guī)的旋轉(zhuǎn)輪自旋運(yùn)動與四個(gè)附件的抬升和橫掃運(yùn)動相結(jié)合，具有輪式，腿式和爬行行為，能夠自如行走于松軟的沙石之中。

為了檢驗(yàn)該設(shè)備在不同地形下的表現(xiàn)，佐治亞理工學(xué)院和 NASA JSC 達(dá)成合作，按比例縮小了 RP15（實(shí)驗(yàn)替代品名為“Mini Rover”），并在干、濕兩種狀態(tài)下的地面進(jìn)行試驗(yàn)。

Mini Rover 表現(xiàn)如何？

研究指出，研究人員在機(jī)械車的旋轉(zhuǎn)動作中增加了腿式步態(tài)，即 RS（四足旋轉(zhuǎn)序列）步態(tài)，機(jī)器人的動力從輪式車輛改變?yōu)橥ㄟ^摩擦流體進(jìn)行劃槳的運(yùn)動。

這種步態(tài)能夠讓機(jī)械車攪拌沙石，周期性地將輪子陷進(jìn)去的沙粒回流，從而達(dá)到松動效果，使其從陷入的沙坑中脫離。

在平地實(shí)驗(yàn)中，研究人員將 Mini Rover 放置于布滿顆粒物的試驗(yàn)臺中，讓其車輪旋轉(zhuǎn) 30s，然后再執(zhí)行 RS 步態(tài) 60s，以此來進(jìn)行測試。

結(jié)果顯示，Mini Rover 一開始便深陷于顆粒物之中，難以借輪子之力進(jìn)行牽引。不過，在啟動 RS 步態(tài)之時(shí)，Mini Rover 將重新啟動其速度，并通過掃掠產(chǎn)生升力，將自身從深陷的顆粒物中推出。

在斜坡實(shí)驗(yàn)中（坡度為 15），研究人員測試了 RS 步態(tài)中的三個(gè)子系統(tǒng)——旋轉(zhuǎn)，提升和清掃。結(jié)果顯示，禁用這三個(gè)子系統(tǒng)中的任何一個(gè)都會降低斜坡的平均速度。

其中，禁用提升這一子系統(tǒng)對速度影響最大，車輪無法脫離于顆粒物將機(jī)械車抬起，降低了平均速度。另外，禁用車輪旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會導(dǎo)致速度降低 20% 左右。

在潮濕地面的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將 50 公斤沙子和 0.9 升水混合，通過 RS步態(tài)對 Mini Rover 進(jìn)行了拉桿試驗(yàn)。

另外，為了驗(yàn)證 Mini Rover 的實(shí)驗(yàn)測試，研究人員還在 RP15 進(jìn)行了濕地實(shí)驗(yàn)。值得說明的是，由于技術(shù)問題，研究人員僅使用了三個(gè)可操作掃腿執(zhí)行器進(jìn)行了 RP15 測試。

不僅如此，為了與 RP15 進(jìn)行對比，在 Mini Rover 實(shí)驗(yàn)中，研究人員禁用了 Mini Rover 的清掃子系統(tǒng)，一次，同時(shí)也作為檢驗(yàn)提升和車輪旋轉(zhuǎn)動作是否仍然有效。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在這種不同的流變性中，RS 步態(tài)仍然增加了 Mini Rover 的牽引桿拉力。同時(shí)，對于不同地形的變化甚至組件故障都具有較強(qiáng)的魯棒性。

至于 RP15，其爬行步態(tài)比傳統(tǒng)的輪式機(jī)車創(chuàng)造了更明顯的拉桿優(yōu)勢。也就是說，即使是在潮濕地面上，RP15 也能夠行走自如。

實(shí)驗(yàn) pass，可以上天了？

不難得知，無論是 Mini Rover，還是 RP15，在車輪進(jìn)行改造之后，通過步態(tài)的改變，增加了拉桿牽引力，使其能夠在不同條件的地面中實(shí)現(xiàn)有效行動。

不過，盡管二者在實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)條件下有著良好表現(xiàn)，但在行星環(huán)境中，可能存在粘性較高，土質(zhì)較為松軟的地面，這與實(shí)驗(yàn)室提供的干、濕地面環(huán)境存在區(qū)別。

另外，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，重力能夠幫助沙堆崩塌，在濕地環(huán)境還有利于沙土堆積，與完全無重力加持的行星環(huán)境不同，這也是需要作為考量的因素。

總體來看，新改進(jìn)的 RP15 要想登上太空，仍有一些發(fā)展空間。

但從另一個(gè)角度看，RP15 離上天，又近了一步。

參考資料：

【1】https://mp.weixin.qq.com/s/MNUndhvHDn2fNtjAhAaSIw

【2】https://baike.baidu.com/item/%E7%81%AB%E6%98%9F%E5%9C%B0%E8%B2%8C/1768079?fr=aladdin

【3】https://tech.qq.com/a/20160106/010494.htm

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