把太空“搬到”实验室里没有什么难题是他们破解不了的

2024-08-11

<article><section data-type=“rtext”>空间站里，中国航天员的各项工作有序推进；空间站外，中国航天的探索脚步也在稳步前行。由蔚蓝星球飞向浩瀚星空，从月球挖土到着陆火星，中国航天科技自主创新能力不断提升，而这背后都离不开未来空间产业的发展。此外，在深海探测、深地资源探采等领域，未来空间产业也同样发挥着重要作用。《从实验室到生产线》带你去看，各个高校实验室在未来空间技术中如何跑出新赛道。土槽实验室：体验火星上的“脚感”中国航天向着未知的太空，不断刷新着纪录。目前，我国已经相继向月球和火星发射探测器。今年6月，嫦娥六号更是在国际上首次实现在月球背面采样、返回的创举。探测器着陆月球，并完成相应的月壤采样，这一过程中对降落地的地质土壤结构提前研究和分析就显得尤为重要。而这一研究中，就有来自吉林大学科研团队的助力。眼下，这支团队又在为未来星球车的设计展开新的研究，一起走进他们的实验室。吉林大学生物与农业工程学院有个很接地气的实验室——土槽实验室。土槽实验室里，这些红色的土壤是仿真火星壤，走在上面就能体验火星上的“脚感”。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/02763959fa29e8e7d6e4dd732bbcd9d5.jpg?imageView2/2/w/750" />土槽实验室里正在模拟未来星球车在火星上可能遭遇的“路况”。在松软的火星壤上行驶，面对高度超过20厘米的障碍物，却根本难不倒这台四驱车。通过车轮上的传感器，科研人员可以精确分析星球车在不同环境中运行的情况。每一次的数据收集，都将为星球车的“智能大脑”提供数据。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/930a5866bac4457fe9cd528a66825732.jpg?imageView2/2/w/750" />吉林大学生物与农业工程学院（工程仿生教育部重点实验室）教授邹猛：天上的一个动作，你在地上基本上就是成千上万次实验来积累的。火星的表面更复杂，它除了有这种沙土的地面，它还有这种大量的石块分布的地面。在月面上这种情况很少，月面上主要还是以沙土地面为主。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/4469ff3feac94a288ac58703a6e61e0e.jpg?imageView2/2/w/750" />这个看上去和月球非常相似的环境，是吉林大学科研团队“纯手工”打造的仿真模拟测试场。科研人员白天挖坑，晚上实验，他们要在几乎没有光照的环境中，对星球车的“智能大脑”进行训练。吉林大学生物与农业工程学院博士生申彦：说到底我们这个事情就是一个挖坑，月球车遇到坑它应该如何走。我们挖的坑是服务于我们未来的月球车，在月球南极这样一个纯黑暗条件下的行驶。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/0eb50b13122cee2d001f049059527115.jpg?imageView2/2/w/750" />从“搬砖”到“挖坑”，从星球车的车轮系统到整车智能系统，科研团队都已经进行了多次迭代。想在地球上对火星车和月球车进行实验，首先需要的就是模拟星球土壤。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/2bee7f5165c75188f0b527e1ff03dcf5.jpg?imageView2/2/w/750" />吉林大学生物与农业工程学院（工程仿生教育部重点实验室）正高级工程师李秀娟：现在我们在做模拟火壤、模拟月壤，通过对它们的研究，我们可以为深空探测提供更强有力的基础保障。这些标记着不同尺寸、不同地区的矿物颗粒，都是科研人员一锤一铲制作出的星壤的模拟“大数据”，它们为这场奔赴星辰大海的“旅行”提供了支撑。吉林大学生物与农业工程学院（工程仿生教育部重点实验室）正高级工程师李秀娟：模拟月面的地面环境，然后让巡视器或者相应载荷的车在我们模拟月壤表面来进行通过。它遇到石块、遇到障碍物有什么样的反应，然后我们及时进行调整，以便于我们在月球上也能应付一切我们所能预见到的困难。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/452864511a2e2dfb8bdf04ef614b20c5.jpg?imageView2/2/w/750" />通过对月球、火星土壤力学的研究，吉林大学科研团队已经取得相关的关键核心技术。今年6月，嫦娥六号在月球背面取回月壤，这项重大创举中就有吉林大学这支科研团队的身影。吉林大学生物与农业工程学院（工程仿生教育部重点实验室）教授邹猛：嫦娥六号在月球表面挖土之前要“触月”，我们做的一项工作就是根据“触月”的压痕来判断土的一个软硬程度。如果土软一点，我们这铲子适当地可以稍微多挖一点点。从地球到太空因地制宜培育创新沃土“挖土”，可以说是吉大这支科研团队的“看家本领”，团队所在学院叫生物与农业工程学院，简称农机学院。近年来，瞄准国家重大科研需求，学校因地制宜，协调前沿导向的基础研究与需求导向的应用研究，走出了一条从实验室到生产线的新赛道。结合区域优势和产业特色，吉林大学近年来积极鼓励科学家自由探索，赋予战略科技人才更大技术路线决定权、更大经费支配权、更大资源调度权。农机团队向深空探测华丽转身，得到了学校的大力支持。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/8c04b568f3ca071ec30990e1fa2f3347.jpg?imageView2/2/w/750" />吉林大学生物与农业工程学院（工程仿生教育部重点实验室）教授张锐：我们农机团队是做松软地面研究，做水田、沙漠研究。真正的月球、火星的表面介质和沙漠是比较接近的，这也是我们为什么能从地面力学跨越到行星力学的桥梁。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/e4f51dd68df8b75806227756558e1363.jpg?imageView2/2/w/750" />面对重大科学问题研究和前沿技术研发，吉大农机学院成立专项课题组，打破传统的科研育人模式，组建起包括地面力学、仿生学、材料、机械等专业交叉融合团队，对星球车的车轮结构、移动系统和星球土壤环境展开全方位的基础研究，并开展硕士和博士人才培养。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/45b1486540d1ea1543af596edc8973ea.jpg?imageView2/2/w/750" />从地面到深空，郑州大学橡塑模具国家工程研究中心，也走出了一条新的赛道。研究中心成立之初的研究方向是塑料模具计算机辅助工程和设计，为服务重大科学问题研究，中心调整方向，从民用领域的研究拓展到深空。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/b936710653bfd0b570e237454772964b.jpg?imageView2/2/w/750" />郑州大学橡塑模具国家工程研究中心副教授刘虎：这个实验平台可以实现多场景月面环境真实模拟，包括辐射、高低温的模拟，对我们后期航天面窗材料的性能评估，提供一个非常大的实验条件的支持。出舱活动，无疑是航天员“太空出差”中最具考验的环节之一。直面太空极端环境，航天面窗需在极高温和极低温的极端环境下保持其性能的稳定。为了破解难题，郑州大学橡塑模具国家工程研究中心组建计算机科学、材料科学、力学在内的多学科研究。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/983b03c1d56154c787a9fba2ac405692.jpg?imageView2/2/w/750" />郑州大学橡塑模具国家工程研究中心助理研究员周兵：这是一根铁棒，它的重量是10千克，这个铁棒和航天面窗样品的距离是1米。垂直降落时大概会产生100焦的能量，这相当于太空中的陨石对面罩（航天面窗）冲击的能量。这个试验来检验面罩（航天面窗）对陨石的抗冲击能力。向着星辰大海接力出征，郑州大学已参与三代航天员面窗产品的研发制造。从太空出舱时间18分钟延长至8个小时，科研团队的不断攻关，让中国的航天面窗有了更长的寿命，更高的安全可靠性。跨越千里为卫星打造3D“眼镜”因地制宜，向新而行。西安电子科技大学在杭州开设了研究院，主动打破高校传统学科组织模式，以长三角先进制造集群为牵引，加快产学研转化。他们研发的偏振相机，也已经出差太空，让中国的卫星看见更多维的世界。在西安电子科技大学杭州研究院的先进视觉研究所，一场计算成像实验正在进行。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/245e2ee362d1cc096fb0340786ee7d09.jpg?imageView2/2/w/750" />西安电子科技大学杭州研究院先进视觉研究所全职博士后王越：如果我们的宇航员在太空想拍摄地球家园的立体图像，总共需要几步？第一步，拍摄目标场景的第一幅视角图；第二步，移动到数公里之外，拍摄目标场景第二幅视角图；第三步，带入我们计算模型之中，合成三维图像。但是如果想要更加快速实现三维成像功能，就不得不提到我们的计算偏振三维成像相机。我们的计算偏振三维成像相机，只需要在单一视角下，拍摄目标场景的四幅二维强度图像，利用其中人眼看不到的偏振数据，带入我们的计算模型当中，就可以实现更加精准高效的三维成像功能。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/5d966a14b52c22fb78c0b6f00697d2a4.jpg?imageView2/2/w/750" />不久前，这支团队与中国航天科技集团五院等单位联合研制的“计算偏振三维成像相机”，随东海一号卫星进入了距地500公里外的太空，我国首次实现星载对地目标的实时被动三维成像。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/3b77dc9428305f3cdf347958353fe004.jpg?imageView2/2/w/750" />如今，有了这台相机，在太空就可以给地球做“CT”。这是一张喜马拉雅山脉二维图像，通过计算偏振立体成像算法，团队成员恢复出了它的高精度立体轮廓信息。而将这项科研成果从实验室搬到生产线，西安电子科技大学杭州研究院的科研团队只用了三年多的时间。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/18fbba71d857e1c0f12d53c778742002.jpg?imageView2/2/w/750" />西安电子科技大学杭州研究院副院长张海宾：对于科研成果转化，往往最大的问题可能就在于成果到市场的最后一公里。最后一公里的难题有两个方面，第一方面就是我们的科研成果怎么样适应企业或者市场的需求；第二个可能就是资金的支持。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/fb235dc5f9c516577bddaf46a2e079ab.jpg?imageView2/2/w/750" />从西安奔赴杭州，西安电子科技大学杭州研究院根据长三角特色产业集群，设立了包括先进视觉研究所、卫星互联网研究所在内的6个研究所，同时联合东部地区的行业头部企业和优势科研院所，三年的时间已与企业签订联合实验室（创新中心）27家，撬动企业研发投入6.3亿元。去年杭州亚运会，由西电杭州研究院打造的空中安防系统得到广泛应用。<img data-alt="" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/c2f79648519745bcd6dd281f7414b639.jpg?imageView2/2/w/750" />西安电子科技大学杭州研究院副院长张海宾：从校本部的话，我们老师主要的工作在于科研的研发，不管是技术领域研发，还有我们应用成果的研发。那么对于杭州研究院，我们主要的职责就是把学校的成果能够面向长三角，然后进行落地转化。</section></article>