揭秘|人类探索永夜金星之路，有一天必将显露真身

2017 年 8 月 20 日 机器人大讲堂 堂博士

1.金星环境恶劣

金星比水星表面还要灼热，加上90个标准大气压，使得金星不愧以女神维纳斯为名。阻挡了地球众多为之神往的脚步。战斗民族苏联人1982年发射的金星13号，作为金星探测器中最强能力者，将搭载的所有电子设备严密包裹在封闭钛压力容器之内，也只在金星地表坚持了127分钟。

金星表面气压相当于地球3000米深海的水压。

这是一个黑暗的星球，在超强的地表气压面前，太阳的射线都不堪一击。

2.NASA研制纯机械金星探测器

由于能耐受金星表面464℃高温的电子设备几乎不存在，而像金星13号以及众多其他金星探索计划一样将电子设备层层保护的方法，既烧钱又无法耐久。NASA喷气推进实验室 (JPL) 的科学家们想要摒弃现有电子设备，研制一台纯机械的金星探测器。

科学家们将自己的计划命名为“极端环境自动机械探测车 (AREE) ”，它的动力产生、感应、运动、测量，甚至交流，几乎一切活动都会由机械设备来完成。这个看起来难度很大的计划得到了NASA创新前沿构想计划 (NIAC) 的资金支持，JPL的科学家们愉快地出发了。

古希腊人曾经以汹涌澎湃的脑洞打造了测量神器安提基瑟拉机械，用来追踪太阳月亮的位置，预测日食月食，计算历法。传说还用30+个齿轮的精密咬合，显示出了五颗行星的位置。

3.AREE团队的研究之路

AREE团队受到远古的启发，希望能用机械计算机替换传统计算机。这种在帕斯卡和莱布尼茨的年代红极一时的产物 (下图为帕斯卡研制的机械计算机)，还曾经于二战中功勋卓著。一直为俄国航天器所用，执行位置计算的Globus导航仪也在2002年光荣退役。

主持AREE计划的机电工程师Jonathan Sauder说，他们的第一阶段方案是这样的：

+ 第一步目标是设计一个坚挺的纯机械移动机构。

+ 第二步是将功能分散到尽可能多的简单机械身上，每个结构只执行一个任务但必须精准执行。

总之，要建立一个机动平台，在金星上长期生存，探索更广阔的未知土地。除了泯灭电子设备的高温，探测器还要面临金星的复杂地形。

AREE早期，JPL和大神Theo Jansen合作，就是那个专注机械仿生兽30年且让它们的足迹穿越荷兰海岸线的大叔。于是出现了第一阶段概念图描绘的腿足式探测车。

然而大神说了一句话——The legs have to go，点醒梦中人。在沙滩上能走，不代表在金星那一片未知的土地上也能行动自如。

于是在第二阶段方案中，腿足式结构被履带替换，平衡性更强；科学家们还设计了垂直对称结构，这样探测车就算翻倒依然可以继续行进。虽然造型好像不如之前那样炫酷，但是更坚挺也更可行。当然研发人员也在尝试使用车轮，因为它比履带的移动单元要少。除了平衡性能之外，一些专精的机械也会帮助探测器避开障碍物，顺利前行。

比如，上图所示的障碍躲避系统是由一根保险杆、一个倒档传动装置和凸轮组成的。当探测器的保险杆在正常行进模式中遭遇障碍物，倒档装置会被同步器触发，凸轮转动，使探测器反向行驶；凸轮转动一周后，会将探测器调整回前进模式；在倒车结束时，另外一个凸轮可以帮助车轮转向，以便调回前进模式的探测器能向其他方向继续行进 (如果使用车轮而不是履带式结构的话)。

按照目前计划， AREE 首期将在金星停留116个地球日，横跨 35公里 ；长期任务中，探测车会在三年之内走完 100公里的探测距离。

4.遇到的问题和解决方案

由于AREE计划与其他金星探索活动的模式差异巨大，对于围观群众的一些重点疑惑，Jonathan Sauder给出了听起来天马行空但又绝非空想的思路。

1、比如关于数据如何储存以及传输回地球：

1）一张老式唱盘 (请见下图探测器顶端) 只可以储存1Mb大小的数据；

2）可以用氢气球将数据送上金星高层大气，由高空无人机负责拦截读取，再传输给轨道卫星；

3）也可以在探测器背后搭载雷达反射器，此物在卫星轨道处可见；只要在反射器上安装“快门”，就能在每次微星经过时向其传输1kb数据。若搭载多个反射能力不同的反射器，配上频率不同的“快门”，每天最多可以向卫星传输32kb数据；

2、再比如怎样进行没有电子设备的数据测量：

纯机械系统最大的弱点就是科学测量所需的稳定性。除了交流，需要耐高温的一个重要部分就是测量仪器。更复杂的测量，尤其是地质相关的测量，更需要电子设备来解决。然而就算没有可用的电子设备，还有其他办法。

1 ）AREE将风力储存在表簧中，就像一块怀表。下图所示系统可以用加法器来计算弹簧中储存的能量；

2）靠热膨胀材料来测量温度和气压；

5.未来期望

虽然一切还只是设想，但绝对不是想着玩的。这支团队是真的在为一些技术难题寻找可能的解决方案，AREE计划中的成果或许也会应用于其他空间探索计划。比如表面高温的水星，比如在高辐射下所有电子设备都无法工作的木卫二，甚至地球的地幔。

如今NIAC第二阶段的资金到手，科学家们正在尝试用车轮替换履带；团队也在开发一个雷达目标信令系统，预计明年就会进入测试环节。

有一天，我们可能看到一个从未见过的机器人，刀山火海如履平地。你会期待么？

以下是节选自AREE核心人物Jonathan Sauder访谈的一句话：

Eventually, the goal would be to place a rover that would essentially be a Venus juggernaut that can get over most obstacles and keep trekking forward, driving itself along slowly but steadily, collecting samples and weather data as it goes.

最终，我们希望有一台金星无敌战车，可以碾压几乎所有障碍，勇往直前，踏着缓慢却坚毅的脚步，一路收藏只属于他的宝藏。

谨以此句致敬科学家浪漫的灵魂。