太空“清道夫”

李忠東

茫茫太空 垃圾泛濫成災(zāi)

受壁虎能夠在垂直光滑墻面自由爬行原理的啟發(fā)，美國斯坦福大學(xué)和美國宇航局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員共同研發(fā)出了一款“壁虎漫步”機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)證明，它能在太空微重力環(huán)境下，輕松自如地抓放不同形狀的物體。該智能裝置有望擔(dān)當(dāng)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(jù)NASA估計(jì)，在接近地球的空間環(huán)境中，約有50萬個(gè)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(yùn)載火箭殘?bào)w、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(tài)火箭的燃燒殘?jiān)?，大到在發(fā)射后被遺棄的多級(jí)火箭。

僅是人類光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)能觀測(cè)到的空間碎片，每年就大約會(huì)增加200個(gè)。它們主要集中在地球同步軌道、半同步軌道高度區(qū)域和高度在2000千米以下的區(qū)域。2009年2月10日，美國“銥-33”通信衛(wèi)星和俄羅斯已經(jīng)報(bào)廢的“宇宙-2251”衛(wèi)星在西伯利亞上空約805千米處發(fā)生碰撞，這是歷史上首次發(fā)生的在軌完整衛(wèi)星碰撞事件。這次碰撞產(chǎn)生的2000多塊大小碎片現(xiàn)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(gè)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(yùn)行。由于相對(duì)速度很大，極小的一塊太空垃圾都足以給人造衛(wèi)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(shí)評(píng)估它們對(duì)航天器的危害，1984年4月，美國“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)曾將一個(gè)圓柱形的長(zhǎng)期暴露裝置釋放到近地軌道。69個(gè)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(fā)現(xiàn)了3.2萬多個(gè)撞擊凹痕（其中最大的直徑為0.5厘米）。這相當(dāng)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(jìn)入大氣層的大塊太空垃圾不能被徹底燒毀，同樣也可能會(huì)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(gè)635千克重的有毒氨水罐拋入太空。它在太空漂浮了16個(gè)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(xué)家表示，太空垃圾的數(shù)量與航天發(fā)射的頻率成正比，發(fā)射次數(shù)越多，火箭助推器和“退休”衛(wèi)星落下的垃圾也就越多，碰撞事故發(fā)生率也會(huì)越高。而且，體積中等或較大的碎片碰撞后，會(huì)形成更小的塊陣雨，追蹤起來會(huì)更加困難。現(xiàn)在空間碎片還在不斷增加，如果這一現(xiàn)狀得不到改善，人類的太空探索最終將難以進(jìn)行，衛(wèi)星也無法再使用。航天專家現(xiàn)在不得不對(duì)太空垃圾在軌道上的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)注，國際空間站每年都得多次調(diào)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(xué)機(jī)械工程系教授馬克·庫特考斯基帶領(lǐng)他實(shí)驗(yàn)室的同事，在研究壁虎腳趾微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用了10年時(shí)間開發(fā)出具有強(qiáng)黏性的材料。他們將這種粘合物質(zhì)覆蓋成楔形薄層，用在攀登機(jī)器人身上。研究人員已經(jīng)將它在實(shí)驗(yàn)室和零重力環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明一片相對(duì)較小的粘合物質(zhì)就能拖動(dòng)一個(gè)重達(dá)300千克的機(jī)器人?？茖W(xué)家設(shè)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(jī)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(kuò)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(fā)現(xiàn)，壁虎種類雖然多種多樣，但其腳掌吸附系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(xiàn)出一條條弧狀褶皺，長(zhǎng)度約為1～2毫米。在掃描電鏡下，壁虎的腳掌呈現(xiàn)出一種多分級(jí)、多纖維狀表面的錯(cuò)綜復(fù)雜的吸附結(jié)構(gòu)。每個(gè)腳趾生有數(shù)百萬根細(xì)小剛毛，每根剛毛的長(zhǎng)度約為30～130微米，直徑為數(shù)微米，約為人類頭發(fā)直徑的十分之一。剛毛的末端又分叉形成數(shù)百根更細(xì)小的鏟狀絨毛（100～1000根），每根絨毛長(zhǎng)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(jù)計(jì)算，壁虎在每平方厘米面積上的剛毛數(shù)量多達(dá)1萬余根，如一只大守宮壁虎腳掌上剛毛數(shù)量約為600萬根。攀爬時(shí)，壁虎的這些鏟狀絨毛會(huì)與物體表面完全接觸，產(chǎn)生范德華力。壁虎腳掌上的吸附力高達(dá)1300牛頓，理論上能夠承受兩個(gè)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(xué)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(gè)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(qiáng)勁。原來壁虎腳掌表面具有類似“荷花效應(yīng)”的自清潔能力。所謂“荷花效應(yīng)”，是指當(dāng)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(shí)，水滴就會(huì)在物體表面形成一個(gè)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(dòng)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(qiáng)吸附力。與可逆粘附類似，這種“自清潔能力”是壁虎腳掌適應(yīng)自然環(huán)境的又一種雙重性功能。

早在2006年，美國斯坦福大學(xué)一個(gè)研究小組就研發(fā)出了一種仿壁虎機(jī)器人，它在吸附原理、運(yùn)動(dòng)形式及外形上都比較接近真實(shí)的壁虎，被稱為“粘蟲”。“粘蟲”設(shè)計(jì)有4只粘性腳掌，每只4個(gè)腳趾，并且腳趾上覆蓋著數(shù)百萬根細(xì)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(jī)器人技高一籌

如何清除太空垃圾，已經(jīng)成為專業(yè)人士關(guān)注的緊迫課題。清理垃圾本來是一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，但到了太空卻會(huì)變得十分困難：一是因?yàn)樘湛諝庀”?，接近真空及失重環(huán)境，導(dǎo)致在地球上能抓取物體的智能手臂不起作用；二是因?yàn)樘諟夭罹薮?，很難生產(chǎn)出在這種條件下使用的粘性物質(zhì)；三是因?yàn)槿绻褂么盆F，只能對(duì)磁性材料起作用，適用范圍小。多年來，各國科學(xué)家都在致力于破解這個(gè)難題。目前有關(guān)摧毀或“捕捉”太空垃圾的方案不少，但鑒于現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展水平，沒有一項(xiàng)真正可行。

為此，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院推出了“潔天一號(hào)”航天器研發(fā)項(xiàng)目，希望它能像家用吸塵機(jī)一樣，回收太空中廢棄的衛(wèi)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(hào)”設(shè)計(jì)了兩個(gè)工作方案：一是通過打掃裝置收集太空垃圾，然后將整個(gè)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(fā)項(xiàng)目面臨以下三大難題：一是需要研制出小型發(fā)動(dòng)機(jī)，保證能把打掃裝置準(zhǔn)確送到太空垃圾運(yùn)行的軌道上；二是要能制造出一種仿生學(xué)抓取機(jī)制，就好像?？菢拥挠|手，能夠抓緊高速轉(zhuǎn)動(dòng)的太空垃圾，并且同時(shí)保持自身穩(wěn)定；三是能把太空垃圾引導(dǎo)至地球大氣層中的預(yù)設(shè)地點(diǎn)，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(dòng)”計(jì)劃。其中的“脫軌任務(wù)”旨在搜尋和清除軌道高度在800～1000千米太空區(qū)域內(nèi)的廢棄人造衛(wèi)星殘骸。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行的話，這個(gè)像自動(dòng)的手臂、網(wǎng)或魚叉的捕獲裝置將于2023年鎖定目標(biāo)，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(dòng)的目標(biāo)，然后用一種安全可靠的方式去追逐捕捉它，最后控制著衛(wèi)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(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）成功地將貨運(yùn)飛船“鸛”6號(hào)機(jī)發(fā)射升空，并向國際空間站運(yùn)送物資。2017年1月28日，離開國際空間站后“鸛”6號(hào)機(jī)利用正在開發(fā)的新技術(shù)，“順帶”對(duì)日益嚴(yán)重的太空垃圾開展清理實(shí)驗(yàn)。它的目標(biāo)是將700米長(zhǎng)的金屬纜繩拋出后接通電流，通過與地球磁場(chǎng)相互影響，獲得與太空垃圾行進(jìn)方向相反的制動(dòng)力。然而，由于在向太空拋出纜繩的環(huán)節(jié)中失敗，第一次實(shí)驗(yàn)被迫中斷。隨后再次嘗試，仍未拋出纜繩，實(shí)驗(yàn)以失敗告終。“JAXA原本希望，在本世紀(jì)20年代中期將自己在世界上率先開發(fā)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(shù)實(shí)用化，但此次失敗可能令開發(fā)計(jì)劃延后?！盝AXA負(fù)責(zé)清理垃圾新技術(shù)實(shí)驗(yàn)的隊(duì)長(zhǎng)井上浩一在茨城縣筑波宇宙中心召開的記者會(huì)上表示。

哈佛大學(xué)庫特考斯基實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在最新一期《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱：對(duì)“壁虎漫步”機(jī)器人在模擬太空環(huán)境的太空艙內(nèi)進(jìn)行的檢測(cè)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(tuán)隊(duì)已把“壁虎漫步”機(jī)器人送上國際空間站進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果令人非常滿意。它能在艙壁上堅(jiān)持攀爬數(shù)周，不會(huì)受到空間站顛簸的影響。

根據(jù)計(jì)劃，下一步將在太空中測(cè)試“壁虎漫步”機(jī)器人。“在太空中，有很多任務(wù)都能因此受益，”隸屬NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室極端環(huán)境機(jī)器人科學(xué)組的阿倫·帕尼斯博士展望道，“比如對(duì)接和在軌太空垃圾處理。我們將對(duì)‘壁虎漫步機(jī)器人作進(jìn)一步的改造升級(jí)，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?！?/p>

范德華力：也叫分子間力。分子型物質(zhì)能由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，這說明分子間存在著相互作用力，這種作用力稱為分子間力或范德華力。