软机器人作为航天探索的变革性技术正在迅速出现。 与金属关节和机械臂造型的传统僵硬机器人不同,软机器人是由灵活、符合要求的材料构建的,这些材料可以变形、伸展和挤压紧凑的空间。 这种内在适应性使得它们非常适合空间飞行任务中遇到的不可预测、严酷和往往封闭的环境,包括轨道维修、行星表面探索和深空研究。 随着空间机构和私人企业向更长时间的任务和更宏伟的科学目标迈进,软机器人的独特能力提供了一条充满希望的前进道路。

是什么让软机器人对太空不同?

传统的空间机器人,如国际空间站上的机器人臂或火星漫游操纵器,都是精密设计的、僵硬的系统,它们的能力惊人,但也容易受到撞击、被困粒子或热膨胀的破坏。 反之,软机器人使用诸如弹性体、硅和形状-模体聚合物等材料。 它们符合要求的特性使它们能够吸收冲击、适应不规则的表面,安全地与包括生物样品或敏感仪器在内的敏感物体相互作用。 这种适应性降低了在停靠、修理或取样收集过程中发生意外损害的风险。

软空间机器人学目前的挑战

尽管他们有希望,但在空间部署软机器人是研究人员积极努力克服的几个巨大的工程和科学障碍。

极端环境中的材料可流放性

太空环境是无法原谅的。 软机器人必须承受极端的温度波动(从阴影中的-150°C到直接阳光下的+120°C ) , 高真空、强紫外线和宇宙辐射以及低地球轨道上的原子氧侵蚀。 大多数常见的软材料在这些条件下迅速降解。 研究人员目前正在探索耐辐射硅、自愈聚合物和包含防护涂层或嵌入纤维的复合材料,以保持灵活性,同时幸存长期暴露。

控制和引爆精度

软机器人缺乏常规机器人的刚性关节和编码器,使得精确控制变得困难. 传统的比例-内向-衍生控制器(PID)控制器在应用到软非线性系统时往往失败. 新的控制策略——包括基于模型的,基于学习的,以及混合的方法——正在开发中. 例如,在NASA创新高级概念计划中的研究人员正在探索使用肺动聚合物或电动聚合物的软动器,这些技术可以精确地用高级反馈循环来调节.

电力和能源效率

太空飞行任务需要高效的能源系统. 许多软机器人设计依赖于气压或液压激发,这需要大块压缩机或流体库. 新的创新侧重于轻量级,固态的激发器,如二电弹性体,形状-模态合金,以及能以最小功率运行的热激活聚合物,将这些与弹性电池或能源采集系统结合,是活跃的研究领域.

部署和复原机制

如何发射一个微重力机器人并确保它正确部署在微重力中?软机器人必须在发射时紧凑地进行,以减少体积和质量,然后在轨道上可靠地展开或充气。这需要仔细的结构设计、通货膨胀系统,有时是牺牲性的包装。 回收 — — 任务后对软机器人进行再排或重新包装 — — 增加了另一层复杂性,特别是对于捕获轨道碎片或返回样本等任务而言。

创新推动实地前进

过去十年来,材料科学,制造,人工智能等重大突破,加快了航天准备软机器人的研制.

形状-记忆聚合物和自愈材料

形状-分子聚合物(SMP)可以被编程成形状,以适应热、光或磁场。在空间中,这些材料使软机器人能够从紧凑的发射配置转变为功能工具或抓力。自愈聚合物,它修复辐射或微流星体撞击造成的微裂缝,正在由诸如 Jet推进实验室[的团队积极研究。这些材料可以大大延长软机器人在长时间任务中的运行寿命。

用于精益求精的生物启发设计

自然为太空中面临的许多挑战提供了优雅的解决方案。 受章鱼臂、大象树干或藤叶刺激启发的软机器人可以包裹不规则形状的物体,在不压碎的情况下固定自己,并通过狭小的裂缝导航。 例如,基于断裂金星飞毛腿机制的软机器人抓取空间碎片已经经过测试。 同样,类似蠕虫的穿透机器人正在设计,可以爬过生境或航天器的复杂内部结构。

与人工智能和机器学习相结合

软机器人产生复杂的高维运动,难以在分析上建模. 机器学习算法——特别是强化学习和深神经网络——可以自动从传感器数据中学习控制政策,这使得软机器人能够实时调整行为,以适应不断变化的环境条件,如小行星上不同的表面纹理或生境内意外的障碍. AI还能够预测性维护:软机器人可以探测物质疲劳,并调整其操作以避免失败.

空间飞行任务中的具体应用

软机器人不仅仅是一个理论概念;一些任务概念和原型正在开发中,用于现实世界的应用.

轨道服务和碎片清除

软抓手可以安全地抓住已失效的卫星或碎片,而不会造成碎片或爆炸. 欧洲航天局的一组团队(]ESA)测试了用于捕捉旋转的空间碎片的软机器人臂. 握手的兼容性降低了撞击力,并可以与不规则形状相适应,使得不受控制的目标变得理想.

行星表面勘探

软机器人可以通过进入陡坡、松散的Regolith(土壤)和在月球或火星上的裂缝来补充传统的旋转器。 类似蛇的软机器人可以滑入熔岩管,为科学家提供直接进入从未探索过的地下环境的机会。 充气软操纵器也可以用来收集脆弱的岩石或冰样,而扰动最小。

小行星采矿和资源利用

设计用于抓住和处理小行星材料的软机器人可以用于现场资源利用(ISRU),它们适应不规则,低重力表面的能力使得它们特别适合锚定和采矿作业,软动器还可以与热钻系统结合,从月球或火星雷石中提取水冰.

人类-航天器互动和援助

软机器人外骨骼和西装可以在外出活动(太空行走)中协助宇航员。 这些服装可以在不妨碍运动、减少疲劳和伤害风险的情况下提供支持。 内部软机器人臂可以帮助完成库存管理、医疗程序或喂食等任务,而同时又能安全地在人类附近运行。

未来展望和下一步

太空软机器人的前进道路既具有挑战性,也令人兴奋。 在接下来的十年里,我们期望看到在国际空间站或小型卫星飞行任务上出现更多的软部件飞行演示,如抓手、充气生境或感应皮肤。 继续将启动器和感应器小型化,加上先进的AI,将使得行动能够越来越自主。

一个有希望的方向是开发“hybrid”系统,将硬性元素和软性元素结合起来,以达到最佳世界性能。 例如,机器人臂可能具有刚性骨骼核心,而软性外皮则具有安全接触。 另一个前沿是空间软性机器人零部件的添加剂制造(3D打印),使宇航员能够利用地球甚至当地资源的原材料,根据需求制造定制工具和修复组件。

随着空间经济的发展 — — 随着计划中的月球基地、火星飞行任务和小行星开采 — — 软机器人将在使这些努力更加安全、高效和可持续方面发挥至关重要的作用。 适应、生存和在极端条件下运行而不给自身或环境带来损害的能力使软机器人成为下一代空间探索的关键辅助技术。

简言之,虽然在物质耐久性、控制和部署方面仍然存在重大挑战,但是生物启发设计、智能材料和人工智能方面的快速进展正在使软空间机器人更接近现实。 在未来几年里,这些微软、弹性机械将帮助我们更远地进入宇宙,因此,它们有可能成为令人振奋的创新时期。