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    《科學畫報》

    開博時間:2016-07-01 14:43:00

    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史。《科學畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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    登陸火星的“手抓球”

    2019-08-12 23:15:00

      小朋友愛不釋手的手抓球玩具真是太奇妙了!它雖然構造簡單,看上去不堪一擊,實際上卻堅不可摧!幾根五顏六色的小木棍用彈力繩串起來,做成一個不太標準的球,攥在手里,不管怎么拉它、撞它、壓它,它都能迅速恢復原狀。

      美國國家航空航天局的阿德里安·阿戈吉諾剛剛購買了一個手抓球,不過他不是買給孩子的,而是買給自己的。因為他和他的同事維塔斯·桑斯皮拉爾想知道,這個奇妙的玩具到底隱藏了什么科學道理。

      真正的太空探索者

      人類并不是踏足太空最多的探索者,機器才是。在這些英勇無畏的“探索者”當中,有探測器,也有太空望遠鏡,比如我們耳熟能詳的“旅行者”號探測器、“好奇”號火星車、哈勃太空望遠鏡。

      之所以讓機器代勞,是因為太空環境對人類很不利。太空中沒有氧氣,而且存在致命的輻射,微重力環境也會打亂人體的生理狀態,因為它會使骨骼變薄,重塑肌肉和器官,還會影響血液流動。

      當然,太空環境是公平的,它對機器也談不上友好。雖然機器不需要呼吸,也沒有肌肉和血液,但是一旦與環繞四周的巖石、灰塵、太空垃圾相撞,后果就像被子彈射中一樣。所以一臺機器在外星球著陸時,難度是超乎想象的。

      火星車,別翻

      探測器的著陸有多難?盤點一下歷次火星任務就知道了。已經完成的約50次火星車發射任務,有近60%是失敗的——那些火星車要么墜毀,要么爆炸,要么失聯。

      在火星上著陸是非常棘手的任務。首先,火星車要從飛船中分離出來,或者說彈射出來,然后,它必須迅速減速,緩緩飄向地面,最后輕輕落地,稍有不慎就會墜毀。過去,工程師采用了各種各樣的方法:彈性氣囊、反向點火的火箭、降落傘、飄浮的空中吊車……即使同時擁有這么多黑科技,2012年“好奇”號的著陸過程仍然驚心動魄,以至于它從進入火星大氣層到著陸的7分鐘,被美國國家航空航天局的研究人員形容為“恐怖7分鐘”!

      在火星上著陸只是萬里長征完成了第一步。接下來,火星車要避免拋錨、翻車,還不能碰到附近的障礙物。而這一切都需要地面的控制中心替火星車環視四周,排查潛在危險,然后下達準確無誤的指令,整個過程耗時很久,火星車只能原地等待,所以探測任務常常效率低下,進度遲緩。

      如果能仿照手抓球做出一個機器人,那么將大大降低難度系數。因為這樣的機器人,即使發生碰撞也能自己恢復原狀,行動靈活,不易損壞。

      靈感來自玩具

      科學家想向手抓球取經的,是如何擁有張拉整體式結構。“張拉”的意思是可伸縮,“整體”的意思是能夠保持堅固形狀而不被折斷。也就是說,具有張拉整體性質的物體,同時具有彈性和硬度,這就是為什么即使將手抓球重重地砸在地上,它也能迅速恢復原狀的原因。

      “這是個絕佳的火星著陸器!”阿戈吉諾驚呼。跟傳統的火星車不同,這種完全由棍桿和彈力繩組成的機器人無須借助降落傘、氣囊、空中吊車,就可以順利在火星上著陸。不用擔心在著陸的那一瞬間遭遇強烈撞擊,反正它馬上就可以回彈成原狀。

      順著這一思路,桑斯皮拉爾和阿戈吉諾設計出了第一個張拉整體機器人,名叫“超級球”(SuperBall Bot)。它在方方面面都從手抓球上汲取了靈感。互鎖的支桿和繩索,就相當于手抓球的小木棍和彈力繩。只不過,由于沒有涂上花花綠綠的顏色,所以看上去更像一個鐵架搭起的籬笆。

      蹣跚學步

      為了讓超級球學會行走,工程師在它的每一根支桿上都安裝了微小的馬達、傳感器,以及運行人工智能軟件的計算機。

      大多數探測器上的計算機程序預先輸入大量指令算法,讓機器人遇到問題時直接調用。但超級球用的不是這老一套。它采用的人工智能軟件模仿人腦的學習模式,可以讓電腦程序——或者說機器人——自主學會適應新環境,遇到問題自己找到解決辦法。

      于是,超級球通過自學,知道了如何駕馭自己這副“能屈能伸”的身體。馬達牽引繩索產生力矩,眾多力矩合在一起,就完成了一個動作。就這樣,超級球如同蹣跚學步的嬰兒一樣,邁出了它作為太空探索者的第一步!

      完美首秀

      為了檢驗超級球是否足夠聰明,美國國家航空航天局的科學家在一個戶外模擬基地為它安排了首秀。模擬基地的地面上鋪滿了巖石,還布置了環形山,以此來模擬火星上崎嶇不平的表面。

      超級球的表現不負眾望,它順利通過了所有障礙物,當從小型平臺上掉落之后,也能在被壓扁的瞬間立刻回彈。

      今天,所有人都可以在視頻網站上看到超級球的研究進展。到目前為止,超級球已經自學了翻滾、平躺、站立這些動作。它現在的行進速度是8千米每時,而計算機模擬結果顯示,它還可以更快!不過,科學家不想拔苗助長,他們說,在火星上行走需要慢一點,穩一點。

      除了火星,科學家還為超級球安排了另外兩個去處。一個是土衛六,那是土星的衛星,是一顆神秘莫測又充滿挑戰性的星球,海洋、河流、湖泊都裝滿了液態甲烷。另一個去處是木衛二,那里非常寒冷,如果去那兒的話,超級球還得學會滑冰!

    本文來自《科學畫報》

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