機(jī)器人回收衛(wèi)星 為未來的太空項目鋪平道路

當(dāng)衛(wèi)星破裂時（這常常令人驚訝），我們可能無能為力。它們變成昂貴而危險的漂浮物，在地球上空運行了好幾代或幾代人，直到重力最終將它們引向大氣中的火熱死亡。

辛辛那提大學(xué)（University of Cincinnati）教授歐馬（Ou Ma）在他的智能機(jī)器人和自治系統(tǒng)實驗室中致力于工程機(jī)器人技術(shù)的研究，以修復(fù)軌道衛(wèi)星。他設(shè)想機(jī)器人衛(wèi)星可以與其他衛(wèi)星對接進(jìn)行維修或加油。

歐馬說每次發(fā)射衛(wèi)星都會出錯一百萬次。但是對于大多數(shù)故障來說，一旦衛(wèi)星部署。據(jù)SpaceNews報道，一顆價值4億美元的Intelsat衛(wèi)星在到達(dá)高橢圓軌道后，今年發(fā)生了故障，其大小相當(dāng)于一輛小型校車。今年，SpaceX發(fā)射的前60顆Starlink衛(wèi)星中的幾顆也發(fā)生了故障，但它們的低地球軌道旨在在短短幾年內(nèi)消失。

可能是有史以來最著名的衛(wèi)星故障，發(fā)生在1990年，當(dāng)時哈勃太空望遠(yuǎn)鏡僅被部署用于NASA以了解其昂貴的鏡子被扭曲了。隨后在1993年奮進(jìn)號航天飛機(jī)上進(jìn)行的維修任務(wù)更換了鏡子，以提供令人驚訝的宇宙圖像。歐馬說，將人類送往太空進(jìn)行衛(wèi)星維修非常昂貴。航天飛機(jī)上的宇航員執(zhí)行了隨后的四次哈勃服務(wù)任務(wù)，總耗資數(shù)十億美元。

有故障的衛(wèi)星困擾著從日本到俄羅斯的大多數(shù)國際太空計劃。問題不僅限于地球軌道。1999年，由于工程師在推進(jìn)器軟件中使用磅而非公制牛頓，導(dǎo)致NASA軌道器墜入火星。推進(jìn)器的發(fā)射力比預(yù)期的少四倍，航天器的軌道非常低。歐馬說，每次發(fā)射都無法修復(fù)衛(wèi)星，這成為一個更加緊迫的問題。

歐馬說：“大型商業(yè)衛(wèi)星價格昂貴。它們耗盡燃料，發(fā)生故障或崩潰?！?“他們希望能夠在那里進(jìn)行修復(fù)，但是如今已經(jīng)不可能了?！盢ASA希望改變這種狀況。該機(jī)構(gòu)將于2022年發(fā)射一顆能夠為低地球軌道上的其他衛(wèi)星加油的衛(wèi)星。目標(biāo)是攔截并為美國政府的衛(wèi)星加油。美國宇航局說，名為Restore-L的項目有望為自主衛(wèi)星維修提供概念證明。

科羅拉多州一家名為Maxar的公司正在為該項目提供航天器基礎(chǔ)設(shè)施和機(jī)械臂。Maxar首席機(jī)器人專家約翰·萊默（John Lymer）說，大多數(shù)衛(wèi)星都是因為耗盡了燃料而停止使用的，而不是因為嚴(yán)重故障。他說，單靠加油將為航空業(yè)帶來福音。

他說：“您正在淘汰一顆質(zhì)量很好的衛(wèi)星，因為它的汽油已經(jīng)用完了?！比R默說，他熟悉歐馬在他的智能機(jī)器人和自治系統(tǒng)實驗室中所做的工作?！芭c我合作多年的歐瑪（Ou Ma）致力于會合和鄰近組織。那里有各種各樣的技術(shù)解決方案。有些會比其他的要好。這是關(guān)于獲得操作經(jīng)驗以找出誰的算法更好什么最大程度地降低了操作風(fēng)險?！比R默（Lymer）表示，該行業(yè)已準(zhǔn)備就緒，將為像加州大學(xué)（UC）的航空工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)造福音。他說：“我認(rèn)為這是未來。我們將爬進(jìn)它，而不是飛躍?！痹跉W馬的實驗室中，學(xué)生正在研究衛(wèi)星需要與太空中其他衛(wèi)星對接的自動導(dǎo)航。這是一項棘手的事情，因為零重力的意外碰撞會導(dǎo)致一輛或兩輛汽車翻滾。

辛辛那提大學(xué)工程學(xué)教授歐馬（Ou Ma）正在研究衛(wèi)星修復(fù)或補(bǔ)充太空中其他衛(wèi)星所需的基本技術(shù)。

歐馬說：“很容易使它在太空中翻滾，因為沒有東西握住它。衛(wèi)星變得更難抓。如果它開始翻滾，它基本上可以永遠(yuǎn)翻滾。它不會自行停止?！彼f，工程仿真可以預(yù)測目標(biāo)衛(wèi)星的動態(tài)行為，因此接近的衛(wèi)星可以安全地捕獲目標(biāo)衛(wèi)星。他說：“我們擁有仿真工具，因此可以從那里準(zhǔn)確預(yù)測其行為。”

歐馬說：“在太空中抓東西確實很困難。要抓取那些在太空中翻滾的東西則更加困難?！?“您必須非常小心地預(yù)測動態(tài)行為并執(zhí)行精確的控制，以便可以‘翻轉(zhuǎn)’衛(wèi)星并輕輕地抓住它?！?/p>

辛辛那提大學(xué)航空工程系的學(xué)生孫玉峰（Yufeng Sun）擁有一臺激光掃描儀，用于測量和渲染三維物體。

歐馬將遠(yuǎn)程衛(wèi)星導(dǎo)航與最新的無人駕駛汽車技術(shù)進(jìn)行了比較。在他的實驗室中，學(xué)生使用鞋盒大小的機(jī)器人在看起來像冰球曲棍球臺上移動的機(jī)器人來測試這些算法。但這是像微型氣墊船一樣提供空氣緩沖以模仿太空微重力環(huán)境的機(jī)器人。

博士候選人安德魯·巴特（Andrew Barth）解釋了它是如何工作的。他說：“目前，它基本上只是一個試驗臺。它具有一個范圍傳感器，攝像頭和一個慣性測量單元，在下面看不見?！?“它與致動器和八個定向推進(jìn)器一起移動，以將其推動在工作臺周圍。”Barth說，雖然僅限于在X和Y軸上移動，但是導(dǎo)航概念可以應(yīng)用于三個維度。

歐馬還在研究衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)程維修所需的復(fù)雜機(jī)器人技術(shù)。他的實驗室有幾個工業(yè)大小的機(jī)械臂，帶有七個關(guān)節(jié)，可以使它們進(jìn)行全方位的運動。歐馬說，最有用的維修衛(wèi)星將能夠完成多項任務(wù)。在他的職業(yè)生涯中，他從事過與國際空間站和以前的航天飛機(jī)計劃有關(guān)的機(jī)械手臂的各種項目。他的簽名飄浮在空間站上一臺設(shè)備上的軌道上。

“這臺機(jī)器人將對算法和傳感器技術(shù)進(jìn)行一些控制測試，”歐馬指出，他的實驗室中有一個人類大小的機(jī)器人手臂。“我們不是在模擬特定的任務(wù)，而是在未來的任務(wù)中使用經(jīng)過測試的新技術(shù)?！盡a和UC的高級研究助理Anoop Sathyan在他的實驗室中，正在開發(fā)可以獨立工作但可以共同完成一項共同任務(wù)的機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)。

辛辛那提大學(xué)（University of CincinnaTI）正在研究使機(jī)器人獨立運行但可以協(xié)作完成任務(wù)的方法。

對于他們的最新研究，Ma和Sathyan通過一個新穎的游戲?qū)σ唤M機(jī)器人進(jìn)行了測試，該游戲使用字符串將附加的令牌移動到桌子上的指定位置。由于每個機(jī)器人僅控制一根繩子，因此他們需要其他機(jī)器人的配合，以通過響應(yīng)于每個機(jī)器人的動作增加或放松繩子上的張力來將令牌移動到正確的位置。

使用稱為遺傳模糊邏輯的人工智能，研究人員能夠獲得三個機(jī)器人，然后再獲得五個機(jī)器人將令牌移動到研究人員想要的位置。他們的結(jié)果發(fā)表在本月的《機(jī)器人雜志》上。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過使用五個機(jī)器人，即使其中一個機(jī)器人發(fā)生故障，集體也可以完成任務(wù)。研究人員總結(jié)說：“對于數(shù)量眾多的機(jī)器人，尤其是單個機(jī)器人的責(zé)任較低的問題，尤其如此?！?/p>

在他的大部分職業(yè)生涯中，歐馬一直對太空感興趣。在新墨西哥州立大學(xué)，他設(shè)計了模仿低重力的機(jī)械線束。戴著安全帶的學(xué)生可以在地球重力的六分之一的跑步機(jī)上“跳動”，或者在籃球場上制作高高的扣籃。

歐馬說，由于失敗的高昂費用，在太空中固定衛(wèi)星已成為航空業(yè)越來越重要的優(yōu)先事項。歐馬說：“還不是很實用。這項技術(shù)仍在開發(fā)中?！?“但是我預(yù)想，在技術(shù)成熟的五到十年內(nèi)，他們將開始商業(yè)化該技術(shù)以固定衛(wèi)星?！泵绹鴩栏呒壯芯坑媱澗智绊椖拷?jīng)理戈登·羅斯勒（Gordon Roesler）告訴《天文學(xué)》雜志，一旦衛(wèi)星發(fā)射就無法修理或修改，從經(jīng)濟(jì)上講是沒有道理的。他說：“沒有其他［例子］，我們建造的東西價值達(dá)五億美元或十億美元，一旦失誤再也看不到了?！惫緦⒉坏貌豢紤]到遠(yuǎn)程維修或服務(wù)來制造衛(wèi)星。如今，大多數(shù)衛(wèi)星都太脆弱了，以至于無法遠(yuǎn)程遙控而不會造成損壞。

巴爾特說：“即使您愿意，今天也無法維修太多衛(wèi)星。新衛(wèi)星將需要通行門以適應(yīng)基本維修和對接目標(biāo)，以幫助進(jìn)場?！睍r間就是生命。唐納德·凱斯勒（Donald Kessler）提出的理論認(rèn)為，隨著每次發(fā)射和每顆失敗的衛(wèi)星，近地軌道都將接近凱斯勒效應(yīng)，正如理論小說中的2013年奧斯卡金像獎影片《重力》所描述的那樣，衛(wèi)星碰撞可能產(chǎn)生一系列碎片，從而阻礙了未來發(fā)射的安全性?！?/p>

歐馬說：“考慮一下這些物體的速度。我們不是在談?wù)摳咚俟返乃俣?，甚至不是飛機(jī)的速度。它們以每小時17，000英里的速度行駛?！睔W馬說，太空是由政府機(jī)構(gòu)主導(dǎo)的領(lǐng)域，以進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)。但是，這個領(lǐng)域正處于商業(yè)化的風(fēng)口浪尖，這為想要追求的畢業(yè)生提供了許多航空航天工程工作。

他說：“最終，太空商業(yè)化將是一個大產(chǎn)業(yè)?！彼难芯坑兄谕苿又R前沿，為未來的太空項目鋪平道路。

歐馬說：“我們沒有在開發(fā)整個任務(wù)。我們正在開發(fā)底層技術(shù)?！?“一旦這項技術(shù)得到驗證，NASA或商業(yè)公司將把它帶到下一步。”在尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）擔(dān)任航空工程學(xué)教授的大學(xué)里，第一步可能很重要。