火星是距地球最近的行星，承載著人類無數(shù)的遐想和希望。如今，這個(gè)距離地球1.9億千米的行星離我們“越來越近”。

日前，有報(bào)道稱美國國家航空航天局(NASA)預(yù)定于2018年派宇航員登陸火星，這意味著人類很有可能在不久的將來實(shí)現(xiàn)登陸火星計(jì)劃。

為完成火星表面勘查，宇航員必須在火星表面從事一些艱苦的活動(dòng)，諸如挖土取樣、攀緣巖石和長途步行等。根據(jù)美國NASA火星登陸顧問部的預(yù)計(jì)，這些活動(dòng)將持續(xù)500多天。由于艱苦的作業(yè)、復(fù)雜的地形和長時(shí)間使用等原因，以前的空間活動(dòng)中從未發(fā)生的宇航服磨損和撕裂問題將可能變得尤為突出。因?yàn)榛鹦谴髿庥卸?，宇航員到達(dá)火星后，只能在注入新鮮空氣的封閉空間內(nèi)生活。外出“探險(xiǎn)”則需穿上密封制服。因此，宇航員在火星上的安全完全依靠火星服，火星服損傷的自修復(fù)技術(shù)值得高度關(guān)注。

基于現(xiàn)代航天技術(shù)與納米科技的發(fā)展趨勢(shì)，有專家認(rèn)為未來火星服損傷的自修復(fù)可通過一種裝配納米機(jī)器人和一種火星服修復(fù)機(jī)器人(MRN，Marssuit Repair Nanorobot)來共同完成，而這些納米機(jī)器人的操縱、傳感、控制方法、能量轉(zhuǎn)換以及火星服集成等問題也可通過相應(yīng)的納米技術(shù)方案予以解決。

火星服可能受損

在火星上，赤道平均溫度是223K(-50℃)，兩極平均溫度是143K(-130℃)，這種溫度的大幅度變化及惡劣的火星環(huán)境會(huì)導(dǎo)致很多意外發(fā)生，如影響液體的黏性，降低材料的彈性，甚至可能造成火星服的撕裂。由于納米碳管具有楊氏模量(材料力學(xué)中的一個(gè)概念，就是彈性模量，由英國物理學(xué)家托馬斯·楊提出)大、比強(qiáng)度高、不發(fā)生永久變形等特點(diǎn)，已成為制作未來火星服材料的首選。盡管如此，這種納米碳管材料制作的火星服在火星環(huán)境下依然可能發(fā)生以下多種形式的損傷：

撕裂損傷。它是指火星服由于摩擦或裂痕造成的材料層與層之間的分離。一條裂縫產(chǎn)生的原因有很多，可能是由一些鋒利的器具造成的，也可能是與尖銳巖石的摩擦造成的。

刺穿損傷是指火星服上被刺出孔洞。這些孔洞的存在常常會(huì)誘發(fā)更大的損傷。刺穿損傷產(chǎn)生的原因有可能來自某個(gè)機(jī)械裝置偶然“發(fā)射”的小零件，也有可能來自宇航員隨身攜帶的鑿子等地質(zhì)勘測(cè)工具。

磨損問題。和牛仔褲一樣，一條新的褲子往往比較堅(jiān)韌，但慢慢地膝蓋或臀部的面料會(huì)變的越來越薄。磨損是一個(gè)漸進(jìn)的過程，它不像前面提到的兩種損傷方式會(huì)突然造成宇航服的破損，但它最終仍會(huì)導(dǎo)致破壞的發(fā)生。

在地球上，上述幾種損傷對(duì)人體不會(huì)有太大影響，但在火星上，前兩種損傷將是致命的，可導(dǎo)致火星服漏氣，直接影響到宇航員的生命安全。因此，火星服的修復(fù)方案必須能夠使宇航員留在作業(yè)區(qū)繼續(xù)工作，或者使宇航員有足夠的時(shí)間安全返回基地。

納米裝配機(jī)器人與MRN機(jī)器人

無數(shù)科幻小說描都寫過這樣的情景：一個(gè)很小很小的機(jī)器人，比細(xì)胞還小，可以進(jìn)入人體內(nèi)的任何細(xì)胞，如果給予指令，它就能在你的身體里隨意活動(dòng)，吞噬病菌，殺死癌細(xì)胞，或者干脆把基因中的有害部分一刀“喀嚓”掉……這就是納米機(jī)器人。目前人類還無法制造出納米機(jī)器人，一方面是因?yàn)檎也坏阶銐蛐〉膭?dòng)力裝置；另一方面是尚不能對(duì)納米機(jī)器人的復(fù)制等進(jìn)行有效控制。盡管如此，日新月異的納米科技仍使得人類未來制造各種各樣的納米機(jī)器人成為可能。

按照數(shù)學(xué)奇才、計(jì)算機(jī)之父馮·諾依曼的理論，機(jī)器人能夠反復(fù)生產(chǎn)任何東西，甚至包括它自身。當(dāng)人們能夠使機(jī)器人尺寸降低到納米尺度時(shí)，這對(duì)于生產(chǎn)修復(fù)火星服的納米機(jī)器人來說，無疑將會(huì)變得經(jīng)濟(jì)而有意義?；鹦欠迯?fù)體系可設(shè)想包括兩種機(jī)器人，即納米裝配機(jī)器人(簡稱“裝配機(jī)器人”)和MRN機(jī)器人。其中，裝配機(jī)器人的任務(wù)是復(fù)制自身，制造MRN機(jī)器人；MRN機(jī)器人的任務(wù)僅是修復(fù)火星服的損傷。這種復(fù)制或制造過程可以在一個(gè)特殊的裝配盒早進(jìn)行，這個(gè)盒子被留在火星基地，能隨時(shí)根據(jù)需要制造MRN機(jī)器人和裝配機(jī)器人。宇航員在離開基地外出工作時(shí)，身上穿的火星服只需攜帶一定數(shù)量的MRN機(jī)器人。

由于每個(gè)裝配機(jī)器人的能量僅能保證破譯和執(zhí)行發(fā)射給它的指令，所以可以避免裝配機(jī)器人無限復(fù)制情況的出現(xiàn)。為降低制造的復(fù)雜性，并增加安全性，每個(gè)裝配機(jī)器人會(huì)配合一個(gè)大小非常有限的攜帶式電腦，這個(gè)電腦主要是用于接收和執(zhí)行其他微型電腦發(fā)射的指令。通過微型電腦的復(fù)雜運(yùn)算，就可以確定那些用來建造裝配機(jī)器人或MRN機(jī)器人的原料的精確位置。

在性能方面，納米裝配機(jī)器人應(yīng)比MRN機(jī)器人更靈活。裝配機(jī)器人需攜帶若干操縱機(jī)構(gòu)，以使它能夠執(zhí)行諸多任務(wù)，同時(shí)也能保證設(shè)計(jì)上必要的安全預(yù)警功能。MRN機(jī)器人專門負(fù)責(zé)尋找、識(shí)別和修理火星服的損傷，任務(wù)較為單一。

火星服的修復(fù)過程

設(shè)想了MRN機(jī)器人修復(fù)火星服孔的情形。當(dāng)火星服出現(xiàn)損壞時(shí)，這些MRN機(jī)器人應(yīng)立即向發(fā)生損壞的孔洞部位聚攏，當(dāng)MRN機(jī)器人到達(dá)損傷區(qū)域時(shí)，它們需要能夠識(shí)別損傷部位，對(duì)損傷進(jìn)行檢測(cè)并開始修復(fù)，這就像我們?nèi)梭w生物修復(fù)系統(tǒng)一樣。在這種方法中，機(jī)器人對(duì)損壞部位的修復(fù)必須迅速有效。這種修復(fù)方法的實(shí)質(zhì)就是利用快速移動(dòng)MRN機(jī)器人來填充孔洞，即MRN機(jī)器人通過相互結(jié)合成連續(xù)狀，填充裂口，直到損傷得以修復(fù)。

對(duì)于MRN納米機(jī)器人來說，我們可以把它想象成一種主動(dòng)黏附的密封劑。當(dāng)裂縫出現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人就會(huì)一個(gè)接一個(gè)連接起來形成一條密封保護(hù)層，就和生物學(xué)上的向小板的作用一樣。當(dāng)?shù)谝慌{米機(jī)器人迅速到達(dá)目的地后，通過化學(xué)或機(jī)械信號(hào)可使這些納米機(jī)器人在火星服的損傷區(qū)域停下來。這種停留可通過某種特定的化學(xué)反應(yīng)來完成，最終生成一種化學(xué)粘結(jié)劑，把MRN納米機(jī)器人和火星服永久性地膠結(jié)起來。

要實(shí)現(xiàn)這一功能，主要取決于火星服所使用的材料。在任何情況下，MRN機(jī)器人都應(yīng)該能夠感受到火星服編織結(jié)構(gòu)表面與邊緣在化學(xué)上的不同，這樣它們就可以確定需要進(jìn)行修復(fù)的具體位置。

納米機(jī)器人的控制方法

電子計(jì)算機(jī)中有兩種基本的邏輯控制方法，即機(jī)械控制邏輯和電子控制邏輯。在制造納米計(jì)算機(jī)方面，尺寸是主要的限制條件。電子的運(yùn)動(dòng)距離只有幾納米，因此，電子邏輯控制在一定程度上會(huì)變得可行。與此同時(shí)，機(jī)械式邏輯控制具有簡潔、低速邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)等特點(diǎn)，似乎更有希望在火星服納米機(jī)器人控制系統(tǒng)中使用。

當(dāng)成千上萬的MRN機(jī)器人植入火星服后，可考慮給每個(gè)MRN機(jī)器人配備一個(gè)簡單的探測(cè)器，并在衣服結(jié)構(gòu)中鑲嵌的若干“接聽站”。MRN機(jī)器人的探測(cè)器可接收信號(hào)，并將信號(hào)傳送給附近的“接聽站”。接聽站獲取信號(hào)后再把信號(hào)發(fā)送給火星服的主處理器進(jìn)行分析。主處理器通過分析來自不同位置MRN機(jī)器人的信號(hào)，就能推斷出在衣服不同部位所出現(xiàn)的情況。

正常情況下，火星服中只有少數(shù)的MRN機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)，在這種情況下接聽站能夠捕捉到的信號(hào)頻率就低。但是，當(dāng)裂紋出現(xiàn)時(shí)，裂紋附近的MRN機(jī)器人就發(fā)生頻繁移動(dòng)，并發(fā)射出大量的信號(hào)，這些信號(hào)是很容易與正常情況下發(fā)射的信號(hào)相區(qū)分的。由于信號(hào)隨著距離的增加不斷衰減，所以和裂縫接近的接聽站能夠收到的信號(hào)脈沖就比相距較遠(yuǎn)處的接收站接受的信號(hào)脈沖多。這樣，火星服修復(fù)系統(tǒng)就能推斷出損傷的位置及嚴(yán)重程度。

現(xiàn)代科技正向著大型化和微型化兩個(gè)方向發(fā)展。一方面，人類要邁出賴以生存的星球，開拓廣闊的宇宙；另一方面，又要借助顯微鏡等工具，探索身邊的微觀世界?；鹦欠迯?fù)納米機(jī)器人正是現(xiàn)代科技大型化和微型化發(fā)展的集中體現(xiàn)?，F(xiàn)今，航天事業(yè)日新月異，納米科技飛速發(fā)展，相信在不久的未來，用于主動(dòng)修復(fù)火星服損傷的納米機(jī)器人終將實(shí)現(xiàn)，人類將身著具有這種自修復(fù)功能的太空服踏上向往已久的火星世界。

不過，近期內(nèi)(2018年美國火星登陸前)制造出真正意義上的納米機(jī)器人可能性不大。也就是說，美國人火星服的損傷問題也許只能依靠增加火星服的韌度和強(qiáng)度，以及規(guī)范宇航員的行為來實(shí)現(xiàn)。

責(zé)任編輯 趙 菲