我国首个太空采矿机器人诞生！“星际矿工”如何在宇宙“掘金”

无垠宇宙的深邃黑幕下，亿万星辰闪烁，看似遥不可及，实则蕴藏无尽宝藏。地球，我们赖以生存的家园，资源却在人类的高速发展中逐渐吃紧。为了从太空中获取宝贵资源，一场关乎生存与发展的星际资源赛已然打响。

近日，我国首台太空采矿机器人在中国矿业大学诞生。曾经只存于科幻作品里的太空采矿，或在不远的未来成为现实。

仿生结构“抓”住疏松星壤

三只轮足，三只爪足，这个外观仿佛六足“螃蟹”的机器人，正是中国矿业大学刘新华教授团队所研发的多功能集成化太空采矿机器人。

刘新华告诉记者，由于月球距离地球最近，且资源丰富，一直以来被视为太空资源探测的前沿阵地。据估计，月球上的氦－3储量（一种清洁、高效的核聚变燃料）可达数百万吨，能够满足人类未来数万年的能源需求。此外，月球还富含铁、钛、铝等多种金属矿产资源，具有极高的开发价值。

然而，太空采矿并非易事。月球、火星等天体表面环境恶劣，地形复杂多变，对采矿设备的要求极高。传统的太空探索设备，如月球车和火星车，大多功能单一，难以胜任复杂的采矿任务。因此，开发一种高集成化、高可靠性的太空采矿机器人，是当前科技界的研究热点。

自2018年起，刘新华团队将目光锁定月球及近地小行星资源探测。尽管传统采矿机器人相关技术已经比较成熟，但如何在太空极端环境下进行采矿作业的难题尚未被攻破。

中国矿业大学机电工程学院副教授华德正解释，月球表面重力加速度约为地球的六分之一，物体在月球所受重力显著小于地球，近乎“失重”。此外，与地球土壤不同，月壤颗粒细小、质地疏松，这使得开采任务更为艰难。“为解决失重带来的漂移等问题，我们模拟节肢昆虫，将机器人设计为六足，其中三足采用特殊的阵列式爪刺结构，并模拟‌啄木鸟的攀附结构，增强其附着力和抓地力，使之不仅可以自由穿梭于疏松的月壤上，还可以在作业时牢牢扎入星壤深部，锚固住进行采样。”

据介绍，这名“星际矿工”还配备了一套差动系统。通过悬架、离合器、差动器和张角调节器的协同工作，机器人可以根据当前的工作环境调整移动模块的结构形状。目前，该机器人原型机已经向有关部门申请专利，并且通过了初审。

模拟月球原位环境下的“魔鬼训练”

2018年，美国“鼹鼠”火星探测器随“洞察号”火星着陆器成功降落在火星表面，其主要任务是将钻头打入火星地表5米深的位置，从而测量火星内部的温度。然而，由于火星土壤与预期的不同，无法为“鼹鼠”提供足够的摩擦力，首只“星际鼹鼠”最终宣告“打洞”失败。

这也让团队更深刻地意识到，面对月球低重力、极端温差、超高真空、高辐射等的严苛环境，太空采矿机器人还需要接受一系列“魔鬼训练”。

“测试阶段，我们为太空采矿机器人搭建了一个沙盘训练场，一方面用沙土来模拟月表的沙壤环境，另一方面设计悬吊机构，将机器人垂直悬吊起来以抵消它的部分重力，模拟月球的1/6 g重力环境。目前，无论是崎岖不平的月球表面，还是布满陨石坑的小行星地表，这款机器人都能保持平稳运行，对环境的适应性极高。”华德正说。

此外，一个合格的“星际矿工”还将接受深空极端环境星壤工程物理模拟试验系统的考验。

在中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室内，记者见到了这一“庞然大物”。这套可以模拟月球原位环境的试验系统占据了100多平方米的实验室空间，而实际试验空间仅为长度为半米、直径为半米的圆柱形空间。

实验室副教授李瑞林告诉记者，设备整体之所以那么大，原因就在于月球环境交杂。“除了1/6 g重力场，月球上白天可以达到130℃的高温，晚上可以达到-180℃，甚至在极区可以达到-250℃的低温。因此，想要模拟其原位环境需要一系列复杂的附属部件。”

李瑞林以模拟中最难的低重力场举例，通常模拟失重状态的方法有两种，一种是让高空中的飞机加速向下俯冲，另一种则是高空中自由落体，但这些方法的弊病就是持续时间很短。“而我们是利用磁悬浮的原理，借助超导磁体产生强磁场，材料磁化后使测试物悬浮起来。这样的好处在于可以长时间使测试物处于悬浮状态，构建低重力环境。”李瑞林介绍，此外团队还通过液氮、真空泵等实现月球超低温、超真空等环境的模拟。

华德正表示，下一步团队还将联合新材料方面的专家，为“星际矿工”设计适合的骨架和外衣，使之更好地应对极端环境挑战。

目标是实现太空资源原位利用

太空资源的开发是人类摆脱地球资源桎梏，迈向多星球文明的关键一步。

放眼国际，当下各国纷纷投身太空资源探测之中。美国NASA开展的“阿耳忒弥斯计划”将月球南极水冰列为重点目标；中国“嫦娥工程”通过多次月壤采样，验证了月球稀土和氦－3的提取潜力；而就在今年初，SpaceX携带“奥丁”探测器探寻“2022 OB5”小行星是否具备被开采的潜力，挑战太空采矿……据中研普华报告预计，到2029年，中国商业航天市场规模将达4.8万亿元，深空探测、太空采矿等新场景贡献率超30％。

李瑞林表示，目前，实验室还在同步开展“月球资源特征与储层物性原位探测方法与装备”“月球极区水冰资源温控贯入开采与原位制氢方法与装备”等多项研究，这些都是太空采矿领域的重点科研项目。“太空采矿机器人作为月面移动的载体，不仅可以实现矿产、水冰等不同资源的开采，未来也可以搭载不同的智能模块，为深空探测和星际旅行提供技术支持。”

在李瑞林看来，我们目前所采集到的太空矿产资源基本是带回地球进行研究和利用，而太空资源开发的未来目标是实现资源的原位利用。比如，月球土壤可通过太空3D打印技术转变为建筑材料，支撑月球基地建设；火星大气中的二氧化碳可转化为甲烷燃料等。“随着越来越多新技术的涌现，相信这些场景的实现将不再遥远。”

记者 谢诗涵