太空建造迈出关键一步：机器人首次在太空自主组装天线桁架，未来或建造千米级结构

IT之家 11 月 10 日消息，将大型设备送入地球轨道并不容易。如果先把大量小型零部件送上太空，再在轨道上将它们组装成大型结构，难度可能更低，但传统方案往往仍需要宇航员参与。 考虑到太空环境充满辐射，宇航员在轨道上工作的时间自然是越短越好。由美国加州理工学院（Caltech）研发、美国国防高级研究计划局（DARPA）资助的一款机器人，近日展示了一种新的太空建造方案：其成功在轨道上将独立零部件组装成了天线桁架结构。 研究人员将其称为首次在太空中实现的自主结构建造。这项成果有望为未来在轨道上建造大型空间设施提供新的技术路径。 像组装平板家具一样，在太空搭建天线 据IT之家了解，这款机器人是“自主太空张紧式反射器组装项目”（Autonomous In-Space Tensioned Reflector Assembly，简称 ASTRA）的核心设备之一。 项目原计划利用复合材料管、铝制连接件和反射薄膜，组装一面直径 1.4 米的反射天线。 受时间限制，机器人此次只负责组装其中一个支撑结构。任务开始前，两个桁架部分已经预先组装完成并运送至太空，随后机器人在轨道上完成了第三部分的组装。 虽然这还不是一面可以直接用于通信的完整天线，但已经证明机器人能够在太空环境中，将分散的零部件逐步组合成更大的结构。 美国国防高级研究计划局“新型轨道与月球制造、材料及高效质量设计”（NOM4D）项目负责人安德鲁 · 德托尔（Andrew Detor）表示，这次演示是迈向太空建造大型结构的重要一步，未来目标甚至包括建造规模达到数千米的设施。 “目前还没有任何接近这一规模的结构能够通过现有技术实现。”德托尔说。 未来直接在太空制造天线、光学设备和太阳能阵列 NOM4D 项目的更大愿景，是将原材料运送到轨道上，再直接在太空中制造适应空间环境的结构。 这样一来，天线、光学设备和太阳能阵列等设施就可以根据实际工作环境进行设计，而不必像传统航天器那样，首先考虑如何承受火箭发射时的巨大载荷。 DARPA 将这种建造方式比作 Tinkertoys 或 K'Nex 等拼装玩具：机器人只需要重复相对简单的组装步骤，就有机会制造出远大于自身尺寸的结构。 德托尔解释称，在自动化组装设备内部，每个结构部件都会逐一完成制造，随后安装反射网。各个部分完成后，再逐步展开并连接起来。 他表示，整个过程并不依赖复杂的机器人系统或先进算法，关键在于加州理工学院团队通过扎实的工程设计，将各项操作整合成一套能够扩展规模的流程。 所谓“自主”，目前仍离不开地面团队支持 不过，这次演示中的“自动化”还不能完全理解为机器人能够独立完成所有工作。 在机器人执行组装任务期间，地面支持团队仍然承担了大量工作。由于地面与机器人之间每天只有几次通信窗口，每次仅有 15 分钟，工程师需要利用这些时间检查机器人传回的照片，并在实验室中通过一台完全相同的模型排查问题，之后再向太空中的机器人发送操作指令。 也就是说，机器人能够在轨道上执行实际组装动作， 但任务规划、故障判断和操作指令仍需要地面人员参与。 太空机器人建造并非从零开始 事实上，利用机器人在太空中建造结构并不是一个全新的概念。 国际空间站的组装就曾大量依赖加拿大机械臂 2 号（Canadarm2）。它能够移动大型组件并将其送到指定位置，再由宇航员完成安装工作。不过，这种方式组装的是已经在地面制造完成的部件，并非让机器人从大量小零件开始，逐步制造更大的结构。 2014 年，国际空间站上的一台 3D 打印机曾打印出自身挤出机外壳的面板。这是太空制造领域的一项重要尝试，通过打印设备自身的替换零件，证明了轨道上的小型制造车间具有实际价值。 NASA 此后还推进过名为 Archinaut One、又称 OSAM-2 的项目，计划在国际空间站之外开展太空制造，利用 3D 打印技术在轨道上制造结构梁，并通过机器人操作展开太阳能阵列。该项目曾在地面测试中展示出一定潜力，但最终于 2023 年终止。 相比之下，ASTRA 此次提供了一个真正的在轨验证案例，证明机器人可以在太空中将多个独立部件逐步组装成更大的结构。 虽然距离完全自主建造大型太空设施还有很长的路要走，但从组装第一个桁架部件开始，太空制造已经迈出了新的一步。毕竟，在太空建造大型设施，最近的五金店可远在数百公里之外。