机器人充当未来太空园林急先锋!

发布网友发布时间：2022-04-28 23:23

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热心网友时间：2022-06-25 06:24

人类的生存要素无比琐碎和庞杂，仅在饮食方面，每天摄取的食物和饮用水累积起来就相当可观。假若要在太空中生存，加上盥洗用水和吸入的氧气，每人每年消耗的物质总量就至少重达11吨，这在地球上不算什么，但要带到宇宙空间就是大麻烦。

截至目前，人类在太空探索活动中应对这种麻烦的方法依然很原始，那就是从地球上将航天员的生活所需一一带上，例如上个世纪登月时在月面上做短期停留就把所有人的食物带齐全了；或者用货运飞船输送这些物资，这其中就包括食物，比如龙飞船定期为国际空间站进行补给。于是人们设想，假若能把园林搬到太空，人们就可以在太空种植农作物，不但可以实现在太空中自给自足，还能改造太空环境，岂不一举两得。最近，我国开展了空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置“月宫一号”试验，三位志愿者在实验舱种植粮食作物和蔬菜自给自足。但是，太空种植本身耗费大量时间精力，植物到了太空尤其娇贵，本身加大了种植的技术难度，更需要航天员们的“特殊呵护”，使得未来肩负使命的航天员们疲于为一日三餐奔命。

最近大学生开发的机器人园艺技术或许可以让机器人代替航天员充当未来太空园林的急先锋，航天员得以从繁重的“农活”中解放出来，处理更加重要的科研工作。机器人以其独特的技术优势，完全可以大面积、多品种种植，让太空园林更加丰富，也让“太空餐桌”更加丰盛！

图中右侧的希瑟尔·哈娃在美国科罗拉多大学攻读航天工程科学博士学位，她正介绍在X-Hab学术创新挑战赛中和其他同学一起合作完成的园艺计算机系统。

经过半个多世纪的时间，NASA已经使得很多科幻小说成为了现实。航天员探索地球以外的空间，他们需要使得他们的生存空间尽量能够做到自给自足，包括种植水果和蔬菜。研究者们一直致力于通过设计机器人在深空领域工作，来为航天员们种植食物。这听起来像来自星球大战的超凡概念，但是来自美国科罗拉多大学的在读研究生团队正在开展这项创新技术攻关。

“我们希望利用学生们开发的成果使用在未来太空任务中”，位于佛罗里达州的NASA肯尼迪空间中心技术策略经理川西·吉尔说，“这个项目是一个使得大学团队帮助我们开发新概念的机会”。

科罗拉多大学团队在X-Hab学术创新挑战赛的参赛项目是“植物遍地：植物能够自由生长在太空中”。并没有只是称作蔬菜，这个方法叫做“太空中所有可得空间都遍布植物。X-Hab挑战赛是一个大学水平的项目，目的是让学生们充分利用科学、技术、工程和数学知识。这个比赛希望能够将学生的设计项目与高年级的课程联系起来，能够强调动手设计、调查、开发和维修用在地球外的空间和深空探索子系统的功能样机。科罗拉多大学的学生于6月23日在肯尼迪空间中心向包括中心主任鲍勃·坎巴纳在内的一群工程师面前讲述他们的X-Hab项目。他们开发的分布式远程控制植物生产系统是一个可为在远程任务比如火星上提供可食用植物的创意。

希瑟尔·哈娃正在攻读航天工程科学专业博士，她的专业侧重于生物航天学，她的研究认为有机器人来做很多重复性工作，可以节省航天员的时间。“‘遍地植物’的创意设计目的是为了帮助最小化航天员的任务，这使得航天员能够集中精力到更重要的任务上”，她说。

一年前，科罗拉多大学的学生团队开发了一个园艺系统，植物生长在一个大型封闭设备里。“我们利用过去两年能用学到的知识，并将其应用到这个新系统中”哈娃说，“我们决定走出‘中心概念’，新系统给了我们更多灵活和利用无用的空间”。

在他们的新系统中，一个远程操作的园林机器人，在栖息地巡游，像是一个智能模拟器的脚，将会遍布在深空栖息地的居住区域。园林机器人培育植物生长在一个小型传统意义上的水培生长室，并有计算机系统来监视蔬菜的生长，每个植物都嵌入了计算机的传感器。

“我们设想有很多园林机器人在太空栖息地”，丹尼·拉森正在攻读计算机科学的硕士学位。“在每个系统上的测试系统都会输出植物状态数据并提供给计算机显示”。这些机器人和植物是联网的，并且园林机器人能够监控水果和蔬菜的土壤湿度和缺水情况。

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“这些园林机器人还能够测量空气和水的温度，LED灯提供的光照，以及湿度，营养水平和PH值”，哈娃说。在化学中，“PH”是可以量测土地酸度的指标。

每个系统监测和照顾它的植物们，它能够决定何时太空漫游者需要进行植物维护任务。太空漫游者是一个车轮上的机器人，能够推动园林机器人移动，一个用来修剪植物的机械臂，和一个液体传送系统来提供水或者营养液。拉森说这个系统能够用一个类似游戏中的控制器进行远程操作。太空漫游者机器人可以为特定植物提供水或者采摘水果或者蔬菜。如果航天员需要西红柿做沙拉，这个系统会确定哪些植物会结出成熟的西红柿并且分配机器人去采摘回来。

虽然在太空栖息地基本上都是机械环境，哈娃说，然而人类仍然需要自然环境来生存。“我们希望优化这个系统使得人类通过与植物交流得到心理上的安慰”她在科罗拉多大学的一个网络视频采访中提到，“我们也希望这些植物在航天员的环境中，这样他们就能够看到它们，闻到它们和它们在一起。谁会不喜欢采摘一个新鲜的草莓呢？”

对于丹尼尔·朱可夫斯基，他也是在计算机科学专业攻读硕士学位，X-Hab比赛提供一个利用地面上知道怎样做，并且把它提高到一个新的水平。“在参加这个项目前，我一直在开发机器人园艺系统，现在我有这个机会将地面园艺系统利用到太空中”，他说。

哈娃提到这个团队受益于来自NASA前航天员乔·唐纳尔的支持，现在是科罗拉多大学航天工程科学课程的高级指导老师，以及一位计算机科学的助理教授。

吉尔说学生参与NASA项目会是将来的一门课程。“这是一个为下一代航天工程的工程师，科学家和探索者做准备的机会，”他说，“他们告诉我们怎样将他们的系统开展。在系统工程化阶段这提供给他们一些真实的条件”。吉尔提到有国际空间站地面处理和研究项目办公室的博士、NASA地面工程指挥，以及在NASA工程和技术指挥处地面系统办公室的博士，也为科罗拉多大学的团队提供指导。他们也是帮助学生开发系统并且帮助他们组织展示，他们曾评论说“这些科罗拉多大学的学生是一个令人印象深刻的团队”，“这是一个很棒的项目，他们也投入了很多努力”。

NASA和国际空间基金会在2013-2014年X-Hab学术创新比赛的6个参赛大学中选择7个项目。这些大学研究生和本科生学生为了完成一系列里程碑意义的项目来开发可能会用在未来深空探测领域的系统或概念。在此期间，他们和NASA高级探索系统工程深空领域项目团队密切合作。这个比赛鼓励采用多学科方法，工程师和科学家以及工厂合作。参赛者需要探究NASA在深空领域的发展工作以及帮助集合新的创意到现在的研究和开发中来。

科罗拉多大学也是被NASA挑选为2015年X-Hab学术创新比赛五个大学之一。这个团队项目会集中为深空任务设计可部署的食物生产温室。明年的参赛大学包括威斯康星-密尔沃基大学、南阿拉巴马大学、佛蒙特州大学和俄克拉何马州立大学。

哈娃说她希望有机会能够将她的研究应用在深空探索任务中。“这项研究是很令人兴奋的”，她说，“我希望能够到火星去探索，我相信自己将会成为第一个火星的团丁”。

编辑：赵翠鲁凡英

（专家：钱航，中国科学院国家空间科学中心博士，现中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师，科普中国微平台原创首发）