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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    太空“清道夫”

                    2018-02-23 00:52:00

                      茫茫太空垃圾泛濫成災

                      受壁虎能夠在垂直光滑墻面自由爬行原理的啟發,美國斯坦福大學和美國宇航局(NASA)噴氣推進實驗室的科研人員共同研發出了一款“壁虎漫步”機器人。實驗證明,它能在太空微重力環境下,輕松自如地抓放不同形狀的物體。該智能裝置有望擔當太空“清道夫”的重任,幫助清除大量漂浮在地球軌道上的太空垃圾。

                      據NASA估計,在接近地球的空間環境中,約有50萬個太空垃圾在繞地球飛行,總重量超過7000噸。

                      太空垃圾的來源非常廣泛,主要有運載火箭殘體、廢棄的航天器以及碰撞解體的航天器碎片。它們大小各異,小到固態火箭的燃燒殘渣,大到在發射后被遺棄的多級火箭。

                      僅是人類光學望遠鏡和雷達能觀測到的空間碎片,每年就大約會增加200個。它們主要集中在地球同步軌道、半同步軌道高度區域和高度在2000千米以下的區域。2009年2月10日,美國“銥-33”通信衛星和俄羅斯已經報廢的“宇宙-2251”衛星在西伯利亞上空約805千米處發生碰撞,這是歷史上首次發生的在軌完整衛星碰撞事件。這次碰撞產生的2000多塊大小碎片現在仍然在軌道中飛行。最大的太空垃圾則來自于歐空局,這個太空垃圾超過了10米,噸位有8.5噸。太空垃圾的體積通常不大,但它們都以每秒6~7千米的速度運行。由于相對速度很大,極小的一塊太空垃圾都足以給人造衛星或者載人飛船造成巨大損傷。

                      為了研究太空垃圾的影響,同時評估它們對航天器的危害,1984年4月,美國“挑戰者號”航天飛機曾將一個圓柱形的長期暴露裝置釋放到近地軌道。69個月后,該裝置被回收,科研人員僅憑肉眼檢查,就在它的表面發現了3.2萬多個撞擊凹痕(其中最大的直徑為0.5厘米)。這相當于每天被撞擊15次,平均每繞地球1圈就被撞擊1次。

                      如果進入大氣層的大塊太空垃圾不能被徹底燒毀,同樣也可能會傷及人類。2007年7月,國際空間站宇航員克萊頓·安德森在太空行走期間,將一個635千克重的有毒氨水罐拋入太空。它在太空漂浮了16個月后,于2008年11月2日晚墜入澳大利亞和新西蘭之間的茫茫大海。所幸這塊電冰箱大小的太空垃圾并沒有擊中過往船只。

                      NASA的一位科學家表示,太空垃圾的數量與航天發射的頻率成正比,發射次數越多,火箭助推器和“退休”衛星落下的垃圾也就越多,碰撞事故發生率也會越高。而且,體積中等或較大的碎片碰撞后,會形成更小的塊陣雨,追蹤起來會更加困難?,F在空間碎片還在不斷增加,如果這一現狀得不到改善,人類的太空探索最終將難以進行,衛星也無法再使用。航天專家現在不得不對太空垃圾在軌道上的位置進行實時關注,國際空間站每年都得多次調整軌道位置,以躲避太空垃圾。

                      壁虎腳掌黏附力異乎尋常

                      美國斯坦福大學機械工程系教授馬克·庫特考斯基帶領他實驗室的同事,在研究壁虎腳趾微結構的基礎上,用了10年時間開發出具有強黏性的材料。他們將這種粘合物質覆蓋成楔形薄層,用在攀登機器人身上。研究人員已經將它在實驗室和零重力環境下進行了實驗,證明一片相對較小的粘合物質就能拖動一個重達300千克的機器人??茖W家設想,這種能夠背著重物在光滑的墻面上成功爬行的“壁虎漫步”機器人,將來有望被派往太空,抓取大塊空間碎片。

                      壁虎是蜥蜴的一種,體背腹扁平,身上排列著粒鱗或雜有疣鱗。它的指、趾端擴展,其下方形成皮膚褶皺,密布腺毛,有吸附能力,可在墻壁、天花板或光滑的平面上迅速爬行。研究者發現,壁虎種類雖然多種多樣,但其腳掌吸附系統的結構在微觀上卻是驚人的相似。肉眼就能看到它柔軟的足墊上呈現出一條條弧狀褶皺,長度約為1~2毫米。在掃描電鏡下,壁虎的腳掌呈現出一種多分級、多纖維狀表面的錯綜復雜的吸附結構。每個腳趾生有數百萬根細小剛毛,每根剛毛的長度約為30~130 微米,直徑為數微米,約為人類頭發直徑的十分之一。剛毛的末端又分叉形成數百根更細小的鏟狀絨毛(100~1000根),每根絨毛長度及寬度方向的尺寸約為200納米,厚度則在5納米左右。根據計算,壁虎在每平方厘米面積上的剛毛數量多達1萬余根,如一只大守宮壁虎腳掌上剛毛數量約為600萬根。攀爬時,壁虎的這些鏟狀絨毛會與物體表面完全接觸,產生范德華力。壁虎腳掌上的吸附力高達1300牛頓,理論上能夠承受兩個普通成年人的重量。

                      壁虎腳掌一方面擁有比膠帶還“粘”的吸附力;另一方面又能輕而易舉地從表面上脫粘,即力學上的“可逆粘附”。研究表明,壁虎剛毛的角度在脫粘過程中起著重要的作用,只有在某個臨界角度下,剛毛才能輕易脫粘。盡管壁虎腳掌上沾有灰塵,然而吸附力依然強勁。原來壁虎腳掌表面具有類似“荷花效應”的自清潔能力。所謂“荷花效應”,是指當水分子間的相互吸引力大于水分子與物體表面間的作用力時,水滴就會在物體表面形成一個大于半球的球缺形狀,而超疏水表面上的水滴則近似球形。這也是水滴可以在荷葉上來回滾動的原因。荷葉表面與壁虎腳掌表面同樣具有超疏水能力,但是卻沒有壁虎的超強吸附力。與可逆粘附類似,這種“自清潔能力”是壁虎腳掌適應自然環境的又一種雙重性功能。

                      早在2006年,美國斯坦福大學一個研究小組就研發出了一種仿壁虎機器人,它在吸附原理、運動形式及外形上都比較接近真實的壁虎,被稱為“粘蟲”?!罢诚x”設計有4只粘性腳掌,每只4個腳趾,并且腳趾上覆蓋著數百萬根細小的人造剛毛,每根人造剛毛直徑約為0.5納米?!罢诚x”身手不凡,能“飛檐走壁”。

                      “壁虎漫步”機器人技高一籌

                      如何清除太空垃圾,已經成為專業人士關注的緊迫課題。清理垃圾本來是一個簡單的動作,但到了太空卻會變得十分困難:一是因為太空空氣稀薄,接近真空及失重環境,導致在地球上能抓取物體的智能手臂不起作用;二是因為太空溫差巨大,很難生產出在這種條件下使用的粘性物質;三是因為如果使用磁鐵,只能對磁性材料起作用,適用范圍小。多年來,各國科學家都在致力于破解這個難題。目前有關摧毀或“捕捉”太空垃圾的方案不少,但鑒于現在的技術發展水平,沒有一項真正可行。

                      為此,瑞士洛桑聯邦理工學院推出了“潔天一號”航天器研發項目,希望它能像家用吸塵機一樣,回收太空中廢棄的衛星碎片,然后將它們拖入大氣層中燒毀。研究人員為“潔天一號”設計了兩個工作方案:一是通過打掃裝置收集太空垃圾,然后將整個裝置連同吸入的殘骸,拖入地球大氣層中自行燒毀;二是把打掃裝置保留在地球軌道上,將吸入的碎片排放到地球大氣層中。然而,該研發項目面臨以下三大難題:一是需要研制出小型發動機,保證能把打掃裝置準確送到太空垃圾運行的軌道上;二是要能制造出一種仿生學抓取機制,就好像??菢拥挠|手,能夠抓緊高速轉動的太空垃圾,并且同時保持自身穩定;三是能把太空垃圾引導至地球大氣層中的預設地點,隨后焚燒。

                      歐洲空間局(ESA)也在探究未來捕獲近地軌道附近太空垃圾的可行性,制訂了“清潔太空行動”計劃。其中的“脫軌任務”旨在搜尋和清除軌道高度在800~1000千米太空區域內的廢棄人造衛星殘骸。如果一切按計劃進行的話,這個像自動的手臂、網或魚叉的捕獲裝置將于2023年鎖定目標,并把它帶到地球大氣層可以安全燃燒的地方。然而,要把如此大的一塊太空垃圾卷起來并不容易,必須先能確定快速移動的目標,然后用一種安全可靠的方式去追逐捕捉它,最后控制著衛星并將其帶到地球大氣層中焚毀。

                      2016年12月,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)成功地將貨運飛船“鸛”6號機發射升空,并向國際空間站運送物資。2017年1月28日,離開國際空間站后“鸛”6號機利用正在開發的新技術,“順帶”對日益嚴重的太空垃圾開展清理實驗。它的目標是將700米長的金屬纜繩拋出后接通電流,通過與地球磁場相互影響,獲得與太空垃圾行進方向相反的制動力。然而,由于在向太空拋出纜繩的環節中失敗,第一次實驗被迫中斷。隨后再次嘗試,仍未拋出纜繩,實驗以失敗告終?!癑AXA原本希望,在本世紀20年代中期將自己在世界上率先開發出的,通過纜繩捕獲太空垃圾并使其落入大氣層焚毀的技術實用化,但此次失敗可能令開發計劃延后?!盝AXA負責清理垃圾新技術實驗的隊長井上浩一在茨城縣筑波宇宙中心召開的記者會上表示。

                      哈佛大學庫特考斯基實驗團隊與NASA噴氣推進實驗室在最新一期《科學·機器人學》雜志上發表論文稱:對“壁虎漫步”機器人在模擬太空環境的太空艙內進行的檢測表明,它能輕松自如地抓放尺寸和重量大其100多倍的管狀、柱狀和球狀等不同形狀的物體,有望解決在地球上能抓取物體的智能手臂在太空失靈的難題。該研究團隊已把“壁虎漫步”機器人送上國際空間站進行測試,結果令人非常滿意。它能在艙壁上堅持攀爬數周,不會受到空間站顛簸的影響。

                      根據計劃,下一步將在太空中測試“壁虎漫步”機器人?!霸谔罩?,有很多任務都能因此受益,”隸屬NASA噴氣推進實驗室極端環境機器人科學組的阿倫·帕尼斯博士展望道,“比如對接和在軌太空垃圾處理。我們將對‘壁虎漫步’機器人作進一步的改造升級,使其除用于清除空間碎片外,還能幫助宇航員在太空飛行中爬到空間站艙外,完成修理、拍攝和檢查故障等工作?!?/font>

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