機器人充當未來太空園林急先鋒！

（專家：錢航，中國科學院國家空間科學中心博士，現中國運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師，科普中國微平台原創首發）

人類的生存要素無比瑣碎和龐雜，僅在飲食方面，每天攝取的食物和飲用水累積起來就相當可觀。假若要在太空中生存，加上盥洗用水和吸入的氧氣，每人每年消耗的物質總量就至少重達11噸，這在地球上不算什麼，但要帶到宇宙空間就是大麻煩。

截至目前，人類在太空探索活動中應對這種麻煩的方法依然很原始，那就是從地球上將航天員的生活所需一一帶上，例如上個世紀登月時在月面上做短期停留就把所有人的食物帶齊全了；或者用貨運飛船輸送這些物資，這其中就包括食物，比如龍飛船定期為國際空間站進行補給。於是人們設想，假若能把園林搬到太空，人們就可以在太空種植農作物，不但可以實現在太空中自給自足，還能改造太空環境，豈不一舉兩得。最近，我國開展了空間基地生命保障人工閉合生態系統地基綜合實驗裝置「月宮一號」試驗，三位志願者在實驗艙種植糧食作物和蔬菜自給自足。但是，太空種植本身耗費大量時間精力，植物到了太空尤其嬌貴，本身加大了種植的技術難度，更需要航天員們的「特殊呵護」，使得未來肩負使命的航天員們疲於為一日三餐奔命。

最近大學生開發的機器人園藝技術或許可以讓機器人代替航天員充當未來太空園林的急先鋒，航天員得以從繁重的「農活」中解放出來，處理更加重要的科研工作。機器人以其獨特的技術優勢，完全可以大面積、多品種種植，讓太空園林更加豐富，也讓「太空餐桌」更加豐盛！

圖中右側的希瑟爾·哈娃在美國科羅拉多大學攻讀航天工程科學博士學位，她正介紹在X-Hab學術創新挑戰賽中和其他同學一起合作完成的園藝計算機系統。

經過半個多世紀的時間，NASA已經使得很多科幻小說成為了現實。航天員探索地球以外的空間，他們需要使得他們的生存空間盡量能夠做到自給自足，包括種植水果和蔬菜。研究者們一直致力於通過設計機器人在深空領域工作，來為航天員們種植食物。這聽起來像來自星球大戰的超凡概念，但是來自美國科羅拉多大學的在讀研究生團隊正在開展這項創新技術攻關。

「我們希望利用學生們開發的成果使用在未來太空任務中」，位於佛羅里達州的NASA肯尼迪空間中心技術策略經理川西·吉爾說，「這個項目是一個使得大學團隊幫助我們開發新概念的機會」。

科羅拉多大學團隊在X-Hab學術創新挑戰賽的參賽項目是「植物遍地：植物能夠自由生長在太空中」。並沒有只是稱作蔬菜，這個方法叫做「太空中所有可得空間都遍布植物。X-Hab挑戰賽是一個大學水平的項目，目的是讓學生們充分利用科學、技術、工程和數學知識。這個比賽希望能夠將學生的設計項目與高年級的課程聯繫起來，能夠強調動手設計、調查、開發和維修用在地球外的空間和深空探索子系統的功能樣機。科羅拉多大學的學生於6月23日在肯尼迪空間中心向包括中心主任鮑勃·坎巴納在內的一群工程師面前講述他們的X-Hab項目。他們開發的分布式遠程控制植物生產系統是一個可為在遠程任務比如火星上提供可食用植物的創意。

希瑟爾·哈娃正在攻讀航天工程科學專業博士，她的專業側重於生物航天學，她的研究認為有機器人來做很多重複性工作，可以節省航天員的時間。「『遍地植物』的創意設計目的是為了幫助最小化航天員的任務，這使得航天員能夠集中精力到更重要的任務上」，她說。

一年前，科羅拉多大學的學生團隊開發了一個園藝系統，植物生長在一個大型封閉設備里。「我們利用過去兩年能用學到的知識，並將其應用到這個新系統中」哈娃說，「我們決定走出『中心概念』，新系統給了我們更多靈活和利用無用的空間」。

在他們的新系統中，一個遠程操作的園林機器人，在棲息地巡遊，像是一個智能模擬器的腳，將會遍布在深空棲息地的居住區域。園林機器人培育植物生長在一個小型傳統意義上的水培生長室，並有計算機系統來監視蔬菜的生長，每個植物都嵌入了計算機的感測器。

「我們設想有很多園林機器人在太空棲息地」，丹尼·拉森正在攻讀計算機科學的碩士學位。「在每個系統上的測試系統都會輸出植物狀態數據並提供給計算機顯示」。這些機器人和植物是聯網的，並且園林機器人能夠監控水果和蔬菜的土壤濕度和缺水情況。

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「這些園林機器人還能夠測量空氣和水的溫度，LED燈提供的光照，以及濕度，營養水平和PH值」，哈娃說。在化學中，「PH」是可以量測土地酸度的指標。

每個系統監測和照顧它的植物們，它能夠決定何時太空漫遊者需要進行植物維護任務。太空漫遊者是一個車輪上的機器人，能夠推動園林機器人移動，一個用來修剪植物的機械臂，和一個液體傳送系統來提供水或者營養液。拉森說這個系統能夠用一個類似遊戲中的控制器進行遠程操作。太空漫遊者機器人可以為特定植物提供水或者採摘水果或者蔬菜。如果航天員需要西紅柿做沙拉，這個系統會確定哪些植物會結出成熟的西紅柿並且分配機器人去採摘回來。

雖然在太空棲息地基本上都是機械環境，哈娃說，然而人類仍然需要自然環境來生存。「我們希望優化這個系統使得人類通過與植物交流得到心理上的安慰」她在科羅拉多大學的一個網路視頻採訪中提到，「我們也希望這些植物在航天員的環境中，這樣他們就能夠看到它們，聞到它們和它們在一起。誰會不喜歡採摘一個新鮮的草莓呢？」

對於丹尼爾·朱可夫斯基，他也是在計算機科學專業攻讀碩士學位，X-Hab比賽提供一個利用地面上知道怎樣做，並且把它提高到一個新的水平。「在參加這個項目前，我一直在開發機器人園藝系統，現在我有這個機會將地面園藝系統利用到太空中」，他說。

哈娃提到這個團隊受益於來自NASA前航天員喬·唐納爾的支持，現在是科羅拉多大學航天工程科學課程的高級指導老師，以及一位計算機科學的助理教授。

吉爾說學生參與NASA項目會是將來的一門課程。「這是一個為下一代航天工程的工程師，科學家和探索者做準備的機會，」他說，「他們告訴我們怎樣將他們的系統開展。在系統工程化階段這提供給他們一些真實的條件」。吉爾提到有國際空間站地面處理和研究項目辦公室的博士、NASA地面工程指揮，以及在NASA工程和技術指揮處地面系統辦公室的博士，也為科羅拉多大學的團隊提供指導。他們也是幫助學生開發系統並且幫助他們組織展示，他們曾評論說「這些科羅拉多大學的學生是一個令人印象深刻的團隊」，「這是一個很棒的項目，他們也投入了很多努力」。

NASA和國際空間基金會在2013-2014年X-Hab學術創新比賽的6個參賽大學中選擇7個項目。這些大學研究生和本科生學生為了完成一系列裡程碑意義的項目來開發可能會用在未來深空探測領域的系統或概念。在此期間，他們和NASA高級探索系統工程深空領域項目團隊密切合作。這個比賽鼓勵採用多學科方法，工程師和科學家以及工廠合作。參賽者需要探究NASA在深空領域的發展工作以及幫助集合新的創意到現在的研究和開發中來。

科羅拉多大學也是被NASA挑選為2015年X-Hab學術創新比賽五個大學之一。這個團隊項目會集中為深空任務設計可部署的食物生產溫室。明年的參賽大學包括威斯康星-密爾沃基大學、南阿拉巴馬大學、佛蒙特州大學和俄克拉何馬州立大學。

哈娃說她希望有機會能夠將她的研究應用在深空探索任務中。「這項研究是很令人興奮的」，她說，「我希望能夠到火星去探索，我相信自己將會成為第一個火星的團丁」。

編輯：趙翠 魯凡英