帮助探索月球的“蛇”

波士顿东北大学的工程专业学生在莫哈韦沙漠测试他们的蛇形机器人——环形山观察仿生滚动咬合架 (COBRA)。他们的机器人旨在探索月球南极的沙克尔顿环形山，在美国宇航局的突破、创新和改变游戏规则创意挑战赛中获得最高荣誉。

撰文：ALEJANDRA BORUNDA

摄影：SPENCER LOWELL

加利福尼亚州卢塞恩谷，COBRA机器人的关键时刻已经到来。

狂风呼啸。阳光明媚。碎石在波士顿东北大学工程专业年轻学生的脚边划过，他们小心翼翼地站在加利福尼亚荒凉沙漠的陡峭岩石斜坡上。

他们启动了一个程序，机器人突然变成了六边形。它靠一边平衡着，外面套着黑色护套，看起来像一个细轮胎。突然间，机器人开始倾斜下坡，在岩石上弹跳，速度如此之快以至于它能短暂地停滞在空中——但在整个过程中都保持直立和稳定。

在过去的18个月里，美国各大学构思、设计和制造了7个不同的机器人，这个翻滚的机器人就是其中之一。该工程小组正在参加美国宇航局的一项竞赛，目的是建造能够在恶劣条件下探索月球，甚至是更遥远的崎岖地形的创新机器人。

COBRA 机器人专为应对月球南极有环形山的困难地形而设计，它能侧旋运动，能够在平面或上坡地形上运动，通过连接头尾来实现翻滚，还有一个像螺旋开瓶器的结构，可以从死角中扭出来。

11 月，团队们展示了真正的机器人和漫游器“大观园”，这些机器人和漫游器是为穿越沙漠而建造的，沙漠在这次比赛中被设定为月球表面的粗略替代品。COBRA由13个微型机器人组成的，它们咬合在一起形成一条蛇形链条。但它可不是唯一古怪的设计，亚利桑那州立大学展示了一个可以攀登陡坡的六足机器人，名为“CHARLOTTE”；佛罗里达州立大学展示了一种梗犬大小、可以在岩石上高速移动的机器人，名为“极端地形四足机器人”（E-T Quad）。

“这些是我们真正需要打破常规思维的领域，”美国宇航局毅力号火星探测器的总工程师和比赛评委之一Vandi Verma说。她表示，这些团队提出了截然不同的想法，“让你意识到解决方案如此之多——我们确实有很多选择。”

在月球南极附近，碗状的沙克尔顿环形山宽 21公里，深超过3.2公里。它靠近美国宇航局为阿尔忒弥斯任务指定的人类基地。为了有效地探索这个地质丰富的环形山，宇航员将需要能够在险恶地形中行动的机器人的帮助。

在这张月球的水的可视化图中，蓝色区域代表月球表面的水冰。来自美国宇航局月球矿物学测绘仪的数据显示，月球表面大部分的冰都集中在两极附近。

为什么我们需要月球上的机器人

自50多年前的阿波罗计划后，美国宇航局未来几年最大的任务之一就是让人类首次重返月球。而这一次的目标是留下来。

“如果你要留在月球上，那机器人将成为生活的重要组成部分，”Verma 说。 “那里的一切都会看到它的身影。”

为了建立基地，美国宇航局并没有将阿波罗任务着陆的平坦的赤道地区作为目标，而是选定了地形崎岖、可能有富含冰的环形山的月球南极。由于其陡峭的侧面，这些环形山在其内部的碗状区域中有永久阴影区域，这些区域可能蕴藏着冷冻水——这是能在月球上长期生存的关键资源。

如图所示，受蛇启发的月球机器人创意来自波士顿东北大学助理教授 Alireza Ramezani，他研究仿生机器人运动。

水可以用来供给宇航员，也可以帮助保护人们不受危险的辐射爆发的伤害。水中的氢原子会使入射的高能粒子偏转，而不会分解成其他可能更具破坏性的二次辐射。

但是探索环形山并非易事。它们被陡峭的、有时是垂直的坑壁环绕，布满了由古老的熔岩流形成的坑洞和洞室。它们每天的温度波动超过232摄氏度，常年被遮挡不见太阳，因此无法利用太阳能。

我们将需要一小支机器人和漫游器部队，同人类一起探索这片恶劣的地区。

COBRA机器人呈轮状翻滚结构。

COBRA机器人从岩石山上翻滚下来。Ramezani 写道：“蛇及其在沙漠中独特的滑行模式已得到广泛研究，引起了团队对平地运动的关注；然而，蛇不会翻滚。因此，该团队设计的COBRA能在轮形和蛇形之间切换”。

挑战

每年，美国宇航局都会向美国各地的学生发出挑战，要求他们解决一个与太空相关的问题。 2021 年，它征求了有关如何处理因破坏机械工作而臭名昭著的月尘的想法； 2019 年征求了有关火星温室最优设计的意见。

今年，美国航天局征集了月球机器人的设计方案。机器人可以是任何形状、任何大小，但它们必须能够穿越具有挑战性的地形，而且看起来不能像迄今为止在月球和火星上常用的有轮子的漫游器。

Kevin Kempton是美国宇航局“改变游戏规则”开发项目的项目经理，也是比赛的评委之一，他说，设计坚固、灵活、独立的机器人与设计真正的航天器不相上下，这是一个严峻的挑战。

在莫哈韦沙漠月球般的地形上进行实地演示的前一天，学生们在帕萨迪纳一家酒店的宴会厅展示了他们的机器人。这个机器人——麻省理工学院学生设计的行走低聚机器移动系统 (WORMS)——具有模块化组件，因此可以在月球上组装成不同的结构。

受蜘蛛、山羊和企鹅等多种动物的启发，麻省理工学院的学生在测试现场组装他们的 WORMS机器人。

团队们提出了截然不同的解决方案。有些学校，比如佛罗里达州立大学，十分倾向于生物形态学，从昆虫和动物身上找灵感。 ET-Quad 像小型四足动物一样奔跑，其设计能让它在水或其他物质中游动——例如月球尘埃或沙子的漂移物，这些物质可能表现得像流体。它还可以攀爬，尽管该团队只在简单的墙壁上对其进行了测试，但他们设想类似的机器人会用有弹性的爪子爬上月球环形山。

亚利桑那州立大学的设计是一个大约4.8米高的六足机器人，它的三只脚牢牢地固定在地面上，而激光雷达系统（类似于雷达，但使用光脉冲）扫描周围的景观，决定其他三只脚的放置位置。强大的行走系统，加上一点“垂降”系绳，让它能自信地在陡坡上上下移动。

亚利桑那州立大学的 6 足漫游器被命名为“用于技术地形环境观测的环形山氢和风化层实验室”，简称“CHARLOTTE”。这个蜘蛛状的机器人被授予了最佳系统工程奖。

亚利桑那州立大学的学生将他们的六足机器人“CHARLOTTE”放在陡坡上进行测试。

波士顿东北大学的蛇形COBRA也从大自然中获得灵感，它的设计让它能从环形山壁上滚落、探索熔岩管。 “我们想模仿自然，但要对其进行改进，”该团队的软件专家 Alexander Qiu 说。他在YouTube上观看了数小时不同蛇类的视频，以了解它们的不同动作。最终，该团队设计的COBRA可以滑行和侧风移动——模拟正常的蛇类运动。但它也可以变成六边形快速下坡，也可以卷曲成螺旋形，帮助它在多岩石、不平坦的地形上细致巧妙地移动。

佛罗里达州立大学的“极端地形四足机器人” (ET-Quad) 旨在“穿越崎岖地形，涉水或游过深而松软的风化层，还能爬上陡峭的岩石表面。”

康涅狄格大学的漫游器 “变形金刚式月球探索车”是一个有两条腿和坦克履带的机器人，可以 “承受月球上遇到的各种环境，例如极端工作温度、结冰的风化层和大于30 度的斜坡。”

另一方面，麻省理工学院认为，一旦宇航员登上月球，他们会想要多种风格的机器人——因此他们设计了“可以重新配置的乐高式组合”，该团队在一次演示中解释道。“WORMS”就像腿一样，使用通用硬件连接到身体框架上，这样就实现部件增减。形状像浅碗的“Shoes”可以像雪鞋一样，帮助机器人穿过松软的月球泥土，而钻头或传感器等科学工具可以插到机器人的“腿骨”上。

加州理工学院的“服务有线勘探树遍历的月球架构” (LATTICE) 被评委评为最具远见的概念。

加州理工学院的团队操作着他们的类似凤尾船的机器人，该机器人通过在月球上部署缆绳和桩子来运输材料，“类似于伐木业所使用的装置，”该团队的学生 Lucas Pabarcius 说。

“我们可以想象月球上有一个仓库，里面装满了你可能需要的所有部件，”该团队解释说，宇航员能建造任意数量的不同版本的东西。

加州理工学院没有建造独立的机器人，而是设想了一个从环形山边缘到基地的缆车系统——一种在险恶地形上运送设备、材料，甚至大块冰的方法。机器人会在月坑的顶部和底部将木桩打入地面，并在其间架设缆绳；机动底盘将沿着缆绳承载货物。

马里兰大学的机器人同时使用机械腿和轮子来行动，地形平坦时放下轮子滚动，遇到斜坡和岩石则切换成行走模式。康涅狄格大学的机器人还可以在用四条腿行走和像拖拉机一样将自己降低到履带上这两种运动模式之间切换：。

“就算你不是太空迷，你也知道这些东西很酷，” Kempton说。

马里兰大学的“能对月面多功能探索的水龟漫游器” (TRAVELS) 是比赛中唯一有轮子的漫游器，它具有“四模态移动系统，可以在陡坡上滚动、行走、跳跃和垂降”。

在沙漠中

团队们首先在帕萨迪纳的荧光灯闪烁的会议室展示了他们的概念和机器人。第二天，他们前往沙漠。沙漠被作为粗略模拟月球南极条件的地方，除了没有冰冻的温度和致命的辐射。

太空机器人技术公司（Astrobotic Technology）是与美国航天局定有月球着陆设备合同的公司之一，公司的主管Jennifer Lopez 表示，对于许多第一代设计来说，它们的表现令人钦佩。ET-Quad 在崎岖不平的地面上冲刺了几米的距离后栽倒了。加州理工学院的迷你“凤尾船”小心翼翼地向上移动，然后又从绷紧的缆绳上往回走。亚利桑那州立大学的机器人以每分钟约 46厘米的速度在一个27 度的斜坡上爬上爬下，这个速度大约是毅力号火星车的五分之一，但要毅力号要经过更艰难、更陡峭的地形。

“机器人的一小步……”亚利桑那州立大学工程师Connor Nail打趣道。

最终COBRA拔得头筹。它测试了全部的三种移动方式：先是沿着一条土路蜿蜒而下，直到一条小护堤挡住了它。然后，工程师让它侧风下坡；当被山艾灌木困住时，它突然“盘起身子”，并成功地旋开。幸运的是，一名学生指出，月球上不会出现这种问题。

后来，当它以六边形的结构滚下坡时，来自七所学校的学生和评委都欢呼起来表示支持。“这就是意义所在，”动力空间系统公司（Motiv Space Systems）的首席技术官Eddie Tunstel说。“我们都只是在寻找好点子。”

（译者：七〇）