火星服修復與納米機器人

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

日前，有報道稱美國國家航空航天局(NASA)預定于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現登陸火星計劃。

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，諸如挖土取樣、攀緣巖石和長途步行等。根據美國NASA火星登陸顧問部的預計，這些活動將持續500多天。由于艱苦的作業、復雜的地形和長時間使用等原因，以前的空間活動中從未發生的宇航服磨損和撕裂問題將可能變得尤為突出。因為火星大氣有毒，宇航員到達火星后，只能在注入新鮮空氣的封閉空間內生活。外出“探險”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技術值得高度關注。

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

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境會導致很多意外發生，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(材料力學中的一個概念，就是彈性模量，由英國物理學家托馬斯·楊提出)大、比強度高、不發生永久變形等特點，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境下依然可能發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誘發更大的損傷。刺穿損傷產生的原因有可能來自某個機械裝置偶然“發射”的小零件，也有可能來自宇航員隨身攜帶的鑿子等地質勘測工具。

磨損問題。和牛仔褲一樣，一條新的褲子往往比較堅韌，但慢慢地膝蓋或臀部的面料會變的越來越薄。磨損是一個漸進的過程，它不像前面提到的兩種損傷方式會突然造成宇航服的破損，但它最終仍會導致破壞的發生。

在地球上，上述幾種損傷對人體不會有太大影響，但在火星上，前兩種損傷將是致命的，可導致火星服漏氣，直接影響到宇航員的生命安全。因此，火星服的修復方案必須能夠使宇航員留在作業區繼續工作，或者使宇航員有足夠的時間安全返回基地。

納米裝配機器人與MRN機器人

無數科幻小說描都寫過這樣的情景：一個很小很小的機器人，比細胞還小，可以進入人體內的任何細胞，如果給予指令，它就能在你的身體里隨意活動，吞噬病菌，殺死癌細胞，或者干脆把基因中的有害部分一刀“喀嚓”掉……這就是納米機器人。目前人類還無法制造出納米機器人，一方面是因為找不到足夠小的動力裝置；另一方面是尚不能對納米機器人的復制等進行有效控制。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器人成為可能。

按照數學奇才、計算機之父馮·諾依曼的理論，機器人能夠反復生產任何東西，甚至包括它自身。當人們能夠使機器人尺寸降低到納米尺度時，這對于生產修復火星服的納米機器人來說，無疑將會變得經濟而有意義。火星服修復體系可設想包括兩種機器人，即納米裝配機器人(簡稱“裝配機器人”)和MRN機器人。其中，裝配機器人的任務是復制自身，制造MRN機器人；MRN機器人的任務僅是修復火星服的損傷。這種復制或制造過程可以在一個特殊的裝配盒早進行，這個盒子被留在火星基地，能隨時根據需要制造MRN機器人和裝配機器人。宇航員在離開基地外出工作時，身上穿的火星服只需攜帶一定數量的MRN機器人。

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

在性能方面，納米裝配機器人應比MRN機器人更靈活。裝配機器人需攜帶若干操縱機構，以使它能夠執行諸多任務，同時也能保證設計上必要的安全預警功能。MRN機器人專門負責尋找、識別和修理火星服的損傷，任務較為單一。

火星服的修復過程

設想了MRN機器人修復火星服孔的情形。當火星服出現損壞時，這些MRN機器人應立即向發生損壞的孔洞部位聚攏，當MRN機器人到達損傷區域時，它們需要能夠識別損傷部位，對損傷進行檢測并開始修復，這就像我們人體生物修復系統一樣。在這種方法中，機器人對損壞部位的修復必須迅速有效。這種修復方法的實質就是利用快速移動MRN機器人來填充孔洞，即MRN機器人通過相互結合成連續狀，填充裂口，直到損傷得以修復。

對于MRN納米機器人來說，我們可以把它想象成一種主動黏附的密封劑。當裂縫出現時，機器人就會一個接一個連接起來形成一條密封保護層，就和生物學上的向小板的作用一樣。當第一批納米機器人迅速到達目的地后，通過化學或機械信號可使這些納米機器人在火星服的損傷區域停下來。這種停留可通過某種特定的化學反應來完成，最終生成一種化學粘結劑，把MRN納米機器人和火星服永久性地膠結起來。

要實現這一功能，主要取決于火星服所使用的材料。在任何情況下，MRN機器人都應該能夠感受到火星服編織結構表面與邊緣在化學上的不同，這樣它們就可以確定需要進行修復的具體位置。

納米機器人的控制方法

電子計算機中有兩種基本的邏輯控制方法，即機械控制邏輯和電子控制邏輯。在制造納米計算機方面，尺寸是主要的限制條件。電子的運動距離只有幾納米，因此，電子邏輯控制在一定程度上會變得可行。與此同時，機械式邏輯控制具有簡潔、低速邏輯運算和存儲等特點，似乎更有希望在火星服納米機器人控制系統中使用。

當成千上萬的MRN機器人植入火星服后，可考慮給每個MRN機器人配備一個簡單的探測器，并在衣服結構中鑲嵌的若干“接聽站”。MRN機器人的探測器可接收信號，并將信號傳送給附近的“接聽站”。接聽站獲取信號后再把信號發送給火星服的主處理器進行分析。主處理器通過分析來自不同位置MRN機器人的信號，就能推斷出在衣服不同部位所出現的情況。

正常情況下，火星服中只有少數的MRN機器人在運動，在這種情況下接聽站能夠捕捉到的信號頻率就低。但是，當裂紋出現時，裂紋附近的MRN機器人就發生頻繁移動，并發射出大量的信號，這些信號是很容易與正常情況下發射的信號相區分的。由于信號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脈沖就比相距較遠處的接收站接受的信號脈沖多。這樣，火星服修復系統就能推斷出損傷的位置及嚴重程度。

現代科技正向著大型化和微型化兩個方向發展。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。火星服修復納米機器人正是現代科技大型化和微型化發展的集中體現。現今，航天事業日新月異，納米科技飛速發展，相信在不久的未來，用于主動修復火星服損傷的納米機器人終將實現，人類將身著具有這種自修復功能的太空服踏上向往已久的火星世界。

不過，近期內(2018年美國火星登陸前)制造出真正意義上的納米機器人可能性不大。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度，以及規范宇航員的行為來實現。

責任編輯 趙 菲