火星服修复与纳米机器人

火星是距地球最近的行星，承载着人类无数的遐想和希望。如今，这个距离地球1.9亿千米的行星离我们“越来越近”。

　　日前，有报道称美国国家航空航天局(NASA)预定于2018年派宇航员登陆火星，这意味着人类很有可能在不久的将来实现登陆火星计划。

　　为完成火星表面勘查，宇航员必须在火星表面从事一些艰苦的活动，诸如挖土取样、攀缘岩石和长途步行等。根据美国NASA火星登陆顾问部的预计，这些活动将持续500多天。由于艰苦的作业、复杂的地形和长时间使用等原因，以前的空间活动中从未发生的宇航服磨损和撕裂问题将可能变得尤为突出。因为火星大气有毒，宇航员到达火星后，只能在注入新鲜空气的封闭空间内生活。外出“探险”则需穿上密封制服。因此，宇航员在火星上的安全完全依靠火星服，火星服损伤的自修复技术值得高度关注。

　　基于现代航天技术与纳米科技的发展趋势，有专家认为未来火星服损伤的自修复可通过一种装配纳米机器人和一种火星服修复机器人(MRN，Marssuit Repair Nanorobot)来共同完成，而这些纳米机器人的操纵、传感、控制方法、能量转换以及火星服集成等问题也可通过相应的纳米技术方案予以解决。

　　火星服可能受损

　　在火星上，赤道平均温度是223K(-50℃)，两极平均温度是143K(-130℃)，这种温度的大幅度变化及恶劣的火星环境会导致很多意外发生，如影响液体的黏性，降低材料的弹性，甚至可能造成火星服的撕裂。由于纳米碳管具有杨氏模量(材料力学中的一个概念，就是弹性模量，由英国物理学家托马斯·杨提出)大、比强度高、不发生永久变形等特点，已成为制作未来火星服材料的首选。尽管如此，这种纳米碳管材料制作的火星服在火星环境下依然可能发生以下多种形式的损伤：

　　撕裂损伤。它是指火星服由于摩擦或裂痕造成的材料层与层之间的分离。一条裂缝产生的原因有很多，可能是由一些锋利的器具造成的，也可能是与尖锐岩石的摩擦造成的。

　　刺穿损伤是指火星服上被刺出孔洞。这些孔洞的存在常常会诱发更大的损伤。刺穿损伤产生的原因有可能来自某个机械装置偶然“发射”的小零件，也有可能来自宇航员随身携带的凿子等地质勘测工具。

　　磨损问题。和牛仔裤一样，一条新的裤子往往比较坚韧，但慢慢地膝盖或臀部的面料会变的越来越薄。磨损是一个渐进的过程，它不像前面提到的两种损伤方式会突然造成宇航服的破损，但它最终仍会导致破坏的发生。

　　在地球上，上述几种损伤对人体不会有太大影响，但在火星上，前两种损伤将是致命的，可导致火星服漏气，直接影响到宇航员的生命安全。因此，火星服的修复方案必须能够使宇航员留在作业区继续工作，或者使宇航员有足够的时间安全返回基地。

　　纳米装配机器人与MRN机器人

　　无数科幻小说描都写过这样的情景：一个很小很小的机器人，比细胞还小，可以进入人体内的任何细胞，如果给予指令，它就能在你的身体里随意活动，吞噬病菌，杀死癌细胞，或者干脆把基因中的有害部分一刀“喀嚓”掉……这就是纳米机器人。目前人类还无法制造出纳米机器人，一方面是因为找不到足够小的动力装置；另一方面是尚不能对纳米机器人的复制等进行有效控制。尽管如此，日新月异的纳米科技仍使得人类未来制造各种各样的纳米机器人成为可能。

　　按照数学奇才、计算机之父冯·诺依曼的理论，机器人能够反复生产任何东西，甚至包括它自身。当人们能够使机器人尺寸降低到纳米尺度时，这对于生产修复火星服的纳米机器人来说，无疑将会变得经济而有意义。火星服修复体系可设想包括两种机器人，即纳米装配机器人(简称“装配机器人”)和MRN机器人。其中，装配机器人的任务是复制自身，制造MRN机器人；MRN机器人的任务仅是修复火星服的损伤。这种复制或制造过程可以在一个特殊的装配盒早进行，这个盒子被留在火星基地，能随时根据需要制造MRN机器人和装配机器人。宇航员在离开基地外出工作时，身上穿的火星服只需携带一定数量的MRN机器人。

　　由于每个装配机器人的能量仅能保证破译和执行发射给它的指令，所以可以避免装配机器人无限复制情况的出现。为降低制造的复杂性，并增加安全性，每个装配机器人会配合一个大小非常有限的携带式电脑，这个电脑主要是用于接收和执行其他微型电脑发射的指令。通过微型电脑的复杂运算，就可以确定那些用来建造装配机器人或MRN机器人的原料的精确位置。

　　在性能方面，纳米装配机器人应比MRN机器人更灵活。装配机器人需携带若干操纵机构，以使它能够执行诸多任务，同时也能保证设计上必要的安全预警功能。MRN机器人专门负责寻找、识别和修理火星服的损伤，任务较为单一。

　　火星服的修复过程

　　设想了MRN机器人修复火星服孔的情形。当火星服出现损坏时，这些MRN机器人应立即向发生损坏的孔洞部位聚拢，当MRN机器人到达损伤区域时，它们需要能够识别损伤部位，对损伤进行检测并开始修复，这就像我们人体生物修复系统一样。在这种方法中，机器人对损坏部位的修复必须迅速有效。这种修复方法的实质就是利用快速移动MRN机器人来填充孔洞，即MRN机器人通过相互结合成连续状，填充裂口，直到损伤得以修复。

　　对于MRN纳米机器人来说，我们可以把它想象成一种主动黏附的密封剂。当裂缝出现时，机器人就会一个接一个连接起来形成一条密封保护层，就和生物学上的向小板的作用一样。当第一批纳米机器人迅速到达目的地后，通过化学或机械信号可使这些纳米机器人在火星服的损伤区域停下来。这种停留可通过某种特定的化学反应来完成，最终生成一种化学粘结剂，把MRN纳米机器人和火星服永久性地胶结起来。

　　要实现这一功能，主要取决于火星服所使用的材料。在任何情况下，MRN机器人都应该能够感受到火星服编织结构表面与边缘在化学上的不同，这样它们就可以确定需要进行修复的具体位置。

　　纳米机器人的控制方法

　　电子计算机中有两种基本的逻辑控制方法，即机械控制逻辑和电子控制逻辑。在制造纳米计算机方面，尺寸是主要的限制条件。电子的运动距离只有几纳米，因此，电子逻辑控制在一定程度上会变得可行。与此同时，机械式逻辑控制具有简洁、低速逻辑运算和存储等特点，似乎更有希望在火星服纳米机器人控制系统中使用。

　　当成千上万的MRN机器人植入火星服后，可考虑给每个MRN机器人配备一个简单的探测器，并在衣服结构中镶嵌的若干“接听站”。MRN机器人的探测器可接收信号，并将信号传送给附近的“接听站”。接听站获取信号后再把信号发送给火星服的主处理器进行分析。主处理器通过分析来自不同位置MRN机器人的信号，就能推断出在衣服不同部位所出现的情况。

　　正常情况下，火星服中只有少数的MRN机器人在运动，在这种情况下接听站能够捕捉到的信号频率就低。但是，当裂纹出现时，裂纹附近的MRN机器人就发生频繁移动，并发射出大量的信号，这些信号是很容易与正常情况下发射的信号相区分的。由于信号随着距离的增加不断衰减，所以和裂缝接近的接听站能够收到的信号脉冲就比相距较远处的接收站接受的信号脉冲多。这样，火星服修复系统就能推断出损伤的位置及严重程度。

　　现代科技正向着大型化和微型化两个方向发展。一方面，人类要迈出赖以生存的星球，开拓广阔的宇宙；另一方面，又要借助显微镜等工具，探索身边的微观世界。火星服修复纳米机器人正是现代科技大型化和微型化发展的集中体现。现今，航天事业日新月异，纳米科技飞速发展，相信在不久的未来，用于主动修复火星服损伤的纳米机器人终将实现，人类将身着具有这种自修复功能的太空服踏上向往已久的火星世界。

　　不过，近期内(2018年美国火星登陆前)制造出真正意义上的纳米机器人可能性不大。也就是说，美国人火星服的损伤问题也许只能依靠增加火星服的韧度和强度，以及规范宇航员的行为来实现。

　　责任编辑　赵　菲