嫦娥五号要到月球上挖土？Nature：人类早就预备好了十八般挖土技艺 -

1965年，毛泽东主席在《水调歌头·重上井冈山》中这样写道

风雷动，旌旗奋，是人寰。三十八年过去，弹指一挥间。可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。世上无难事，只要肯登攀。

1982年，航天工业部成立。

38年后，“可上九天揽月”成为现实，嫦娥五号将首次为我们从月球带回样本。

据新华社报道，2020年11月24日4时30分，在中国文昌航天发射场，长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器。

火箭在飞行约两千秒后，将探测器顺利送入预定轨道。

长征五号遥五运载火箭发射瞬间，来源：新华网

从嫦娥一号到嫦娥四号，嫦娥系列成功完成了绕月、月球表面软着陆、月球背面软着陆和巡月探测等任务。在接下来，嫦娥五号将开启新的篇章。

它将第一次在月球上“挖土”，也就是做地外天体采样。“挖土”是嫦娥五号此次探月行动中最重要的任务之一，目的是通过进一步对月球样品做实验分析，从而理解月球的形成原因和演化历史。

那么，我们目前在“挖土”机器人研发上走到了哪一步了呢？以下这篇由北京航空航天大学等院校发表在Nature上的综述论文“星球采样机器人研究进展”，相信可以给我们描绘一个完整的图景。

论文：The progress of extraterrestrial regolith-sampling robots

太空探索极大地丰富了人类对我们地球所在的空间环境以及太阳系演化的理解。通过对星壤样品的全面分析可以大大加强我们对于一个天体的了解。星球采样机器人有利于获取土壤样品，用于深空探索中的返回或原位分析。

首先，本文系统地总结了星壤采样机器人的研究现状，包括基本概念、历史背景和演变过程。然后，对采样地外天体的挑战和约束进行了探索。然后，对保证地外采样机器人系统的可靠性及安全性的关键地面测试技术进行了深入的分析。然后，给出了新型星球采样机器人研发中主要技术趋势的综合前瞻。最后，提供了未来中国太空探索任务的技术路线图。过去，星球采样机器人取得了巨大成就并改变了我们对宇宙的理解。同时，将继续以更基本的方式创新星壤探测方法，并取得更大成就。

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引言

太空探索通过空间技术来发现地外天体[1]。分析星壤样品不仅是了解天体地质结构最有效的方法，而且对获取科学信息是极其重要的[2]。此外，星壤采样对于探索地外星壤中存在水及生命的证据、建立永久星际生存基地或中转站以及为星际迁移做准备具有重要意义[3]。此外，若地外星壤中的矿物资源能被开发，将有效解决人类的能源问题[4]。

揭示地质历史并合理评估其对人类的宜居性，需要评估目标天体的星壤及岩石的物理和化学特性。为寻找天体上的有机物和生命迹象，必须探索表层以下的星壤，在这里生物标记免受有害辐射[5]。此外，为寻找现存或过去的微生物生命和水源的证据，并确定地外行星和小行星的地质组成，必须采集数十米至数百米深度的次表层星壤样品[6]。因此，天体星壤采样是地外探索中最重要的任务之一。

在太空探索中利用机器人有利于风险最小化并拓展宇航员能力。机器人能在极其恶劣的太空环境中执行极复杂和危险的任务[1, 7]。星球采样机器人是能获取用于返回或原位分析/利用的星壤样品的无人车。由于其他行星极端空间环境引起的苛刻条件，对地外天体进行机器人采样必须克服地球上不常遇到的大量困难[7]。

1970年，苏联机器人Luna 16着陆器成功实施了首次自动星壤采样任务。随后人类对采样其他天体做了更多努力，提高了科学家调查太阳系历史并更好地理解地球的能力[8]。这些机器人已经取得巨大成就，甚至将取得更大成就[9, 10]。因此，下文对现有的星球采样机器人及其相关关键技术和重要趋势进行综合论述。

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星球采样机器人综述

1957年，Sputnik 1号标志着太空探索的开始。迄今为止，在外太空探索历史上已进行89次软着陆/触陆的任务（图1）。其中，有36个任务利用机器人系统来获取星壤样本或穿透星壤，以收集信息或将科学仪器固定在太阳系中的月球、火星、金星和小天体上。

图1 进行软着陆/触陆的深空探索任务中的星球采样机器人。a，1962年至2019年间的太空机器人，根据有无采样器划分。不管任务结果如何，统计数据都是基于任务的探测方式。包括6次载有宇航员的Apollo任务。b，使用星壤采样器的任务在太阳系中月球、火星、金星和小天体的探索次数。c，由美国、苏联、欧洲和日本开发的星球采样机器人数量。

由于不同天体之间存在明显的环境差异，因此很难设计一种能够满足所有行星采样要求的通用机器人。为了应对不同材料采样需求的挑战，全世界的科学家和工程师已经开发了多款星球采样机器人。根据采样方式和操作模式，已有的星球采样机器人可被分为8类（图2）。

图2 不同星壤采样技术。a，带钻头和螺旋钻的钻探采样器[4]。有三种方法来保存样品：通过外部螺旋钻屑槽（左），通过空心螺旋钻管（中）和通过软袋（右）。b，基于机械臂平台的挖掘采样器[72]。c，带有高速弹丸和收集腔的投射采样器[73]。d，高频振动致动的超声波/声波采样器[63]。e，依靠气压差传送星壤颗粒的气动采样器[74]。f，带闭合机制的抓取采样器。g，带岩石研磨/抛光机制的岩石研磨工具，可观察岩石的原始内部结构[75]。h，生物启发的采样器，受到挖洞动物的启发[76]。左边：通过挤压星壤进行穿透的似鼹鼠采样器[77]。右边：通过移动两个切削瓣进行穿透的似木蜂采样器[78]。

2.1 星球采样机器人研究进展

在上述采样技术中，地外采样任务通常采用单一技术或组合技术来执行多个采样任务。表1列出了已有的太空采样任务中使用的典型方法。

注：MERs, Mars Exploration Rovers; OSIRIS-REx, Origins,Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security-Regolith Explorer.

此外，提出和开发了许多杰出的星球采样机器人原型，用于科学研究或未来太空任务，如Icebreaker, Lunar-Prospecting, Rotary Percussive Coring (RANCOR),Venus, Planetary-Deep，由Honeybee Robotics公司开发的Nano and Life In The Atacama (LITA)钻进装置[11-14]，由日本航空探索局研发的Contra-rotor Screw钻进装置[15]，由赫尔辛基工业大学开发的MArs Sample Acquisitor (MASA)钻进装置[16]，由东北大学开发的Robotic Planetary Drill[17]，由北京航天航空大学开发的Drilling, Sampling, and Sample-Handling System (DSSHS) [18]以及由NORthern Centre for AdvancedTechnology (NORCAT)开发的Sample Acquisition, Processing and Handling (SAPH)钻进装置[19]。

当前星壤采样探索仅限于表层和次表层。深层采样有助于了解地外天体的历史，并可能发现（古代）生命存在的证据。考虑到这一点，Honeybee Robotics公司和NASA喷气推进实验室的研究人员开发了Auto-Gopher-2钻进采样器，其穿透深度为7.5米[20, 21]。目前，用于北部冰盖次表层观测的Wireline AnalysisTool被运送到格陵兰，可钻至冰下120米[22]。正在制造的Search for Life UsingSubmersible Heated (SLUSH)钻进装置能穿透木卫二15千米深[23]。多杆连接是获取深层星壤样品最广泛研究的技术。基于螺旋钻直径，这种方法有两种典型类别。第一类钻杆的直径沿长度方向上相同，这些螺旋钻杆通过钻杆存储和转换机构实现连接，如北京航空航天大学开发的Multi-Rod Deep Driller[24]。第二类螺旋钻的直径是不同的，可以从较大的钻杆中提取出较小的钻杆，比如NASA提出的概念钻探系统，其可以穿透200米深，并从火星次表层中采样[25]。

2.2 采样方法对比

不同的采样技术具有固有的优缺点。钻探是最有效的方法，以前所有类型天体的星壤采样任务都使用钻探采样器[26, 27]。挖掘采样器在获取大体积方面具有优势，而气体提升法在传输星壤颗粒方面有很高效率[28]。选择最适合的技术取决于很多因素，如科学目标或目标天体。表2给出了不同采样技术的深入对比。

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挑战与约束

星球采样机器人必须能够应对各种极端苛刻的挑战和约束（图3），主要包括受限的功率、能量和质量，低或零重力加速度，温度波动大或极端温度，低压或真空条件，地质不确定性和通讯延迟[29]。

这些挑战和约束根据其来源可分为四类：

（1）多种地面资源约束：太空探索花费极其昂贵——仅发射一颗卫星至地球轨道就需要花费数百万美元。星球车/着陆器的质量通常受到几个关键因素的限制，包括发射成本，运载火箭的尺寸和着陆技术。星球采样机器人的质量必须优化，比如使用高刚度的轻质量材料。星球车/着陆器通常由太阳能电池板供电，分配的采样消耗量极为有限；因此，必须考虑低功率技术。此外，由于受限于运载火箭的尺寸，星球采样机器人通常飞行中为折叠状态，到达后展开。因此，需要复杂的机制来完成压紧状态和释放状态之间的配置转换。

（2）极具挑战的苛刻环境约束：严峻的地外环境条件对星球采样机器人具有重大影响。在小型小行星上钻探的情况下，火星车/着陆器的低质量极大地限制了可实际应用于星球采样机器人上的最大钻头重量[30]。因此，需要特殊机构锚定着陆器，或设计通过“一触即走”的方式采样。低温要求材料不经历韧性到脆性转变，而大的热波动要求接触的材料具有相似的热膨胀系数[31]。低温限制了热量的散发，并且在真空条件下进行钻探很容易到达高温。因此，必须考虑对苛刻温度和低/超低气压的适应性。

（3）地质多样性/不确定性：到现在为止，人类进行的所有星壤采样任务都旨在更好地了解目标星球[32,33]。地质多样性/不确定性的产生主要是因为每个采样位置都不同，因此很难预测这些条件。地点间的星壤特征不同或者甚至同一位置不同深度不同[34]。星球采样机器人的性能受星壤的机械和热物理性质、化学和矿物组成和其他特性的影响很大[35]。因此，星球采样机器人必须能够处理各种极端状况。

（4）通讯延时约束：长时间的通讯延迟进一步挑战了采样操作，这使实时操作变得不可能，并且将人移出控制环。通讯延迟可能是决定星球采样机器人自主控制级别的最重要因素[36]。尽管地球与其他行星之间的距离并不影响采样操作本身，但它们会影响任务持续时间。例如，火星与地球之间的最小通讯延迟为3分钟，但是当火星位于太阳的另一侧时，最大通讯延迟可能达到20分钟。这完全消除了从地球实时远程操作星球采样机器人的可能性；因此，星球采样机器人必须具有高度自主性，并具有可靠的故障检测和恢复协议。

图 3太阳系中典型天体的环境条件。a，平均表面温度，从最热到最冷。b，重力加速度：大多数天体存在极低重力环境。c，大气压：气态行星的大气压未给出。d，平均密度：星壤密度极大的影响星球采样机器人的操作力。e，在距离地球最近点和最远点处地球和其他天体间的通讯延迟。

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地面测试

星壤采样几乎是盲进行的，因为它不涉及基材的任何提前地震成像，或故障产生时不涉及人类的任何协助[37]。验证操作行为的地面测试为开发星球采样机器人提供了根本帮助，并极大地提高了最终产品的质量[38]。有两种典型的测试环境：人为控制或模拟的实验室环境和地球上高度相似的地外环境。在地面测试中，最关键的如下（图4）。

（1）常规测试：在大气压下最常见的测试，并且大多数性能参数都是以此方式测试的。主要目标是在不同的实验条件下验证星球采样机器人，包括它们可能遇到的最极端条件，并估计相应的性能和可靠性[39]。通过执行此类测试，可以监视一系列连续参数，并可以识别其潜在缺陷[40]。最关键的因素之一是工具与星壤的相互作用力，因为它在结构设计、功耗优化、性能评估，动态控制和自主星球采样机器人仿真中起着重要作用[41]。在之前的地外星壤探索任务中，进行了大量实验，并提出了无数设计改进方案[42-44]。

（2）热真空测试：旨在在模拟太空环境中验证星球采样机器人的性能。这更难实施，因为环境模拟器对于建立地外环境条件（例如低/超低真空度，低/高温和无水星壤）是必不可少的[45, 46]。在模拟环境中，可以使用不同的操作参数和环境条件进行采样实验，甚至可以涵盖星球采样机器人可能遇到的最严酷条件。最关键的因素之一是产热和耐热性。尤其对于钻探采样器，产热是局部的，且机土相互作用时间长。这会引起钻头温度急剧上升或甚至威胁到钻机[47-49]。采样时生热的另一个不良结果是星壤成分的改变及样品科学有效性的丧失[50, 51]。

（3）自主性能测试：旨在验证当人被移出控制环后的长时间、可靠和智能化采样操作。由于质量，功率和能量的物理约束，星球采样机器人很容易失速和卡住，因此，很难对所有类型的材料进行采样。考虑到通讯延迟，必须建立可以识别故障或潜在故障情况并采取适当的措施来纠正的高度自主的策略。因此，必须为鲁棒的星球采样机器人开发自主结构健康监测系统并测试。作为火星探测的前沿机构，NASA已经完成了大量测试以提高星球采样机器人的自主性，比如全自主的原型MARTE（火星天体生物学研究与技术实验）和DAME（火星探测钻探自动化）[52, 53]和旋转冲击的原型钻机CRUX（建筑与资源利用探测器），Icebreaker和LITA[54, 55]。

图4 星球采样机器人关键地面测试。a，常规测试。左：NASA在Atacama沙漠寻找生命的火星技术[79]。中：在南极洲模拟火星站点的Icebreaker火星钻机[80]。右：在实验室模拟环境中的月球钻机[41]。b，热真空测试。左：在热/真空环境模拟器中的中国月球深钻[45]。中：在热/真空腔中的月球钻[81]。右：真空测试设备中的原位资源利用星壤钻[82]。c，自主性能测试。左：德文岛模拟地点的DAME钻机[53]。中：霍顿陨石坑模拟地点的CRUX钻机。右：Río Tinto模拟地点的MARTE钻机[83]。图片来源：a，左，NASA/Campo Alto/V.Robles；a，中和b，中，Kris Zacny，Honeybee Robotics；b，右，Julie Kleinhenz；c，左和中，Brian Glass/NASA/Ames；c，右，Carol Stoker

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发展趋势

随着探测任务变得更小、更轻和更便宜，深空探测的模式正在发生改变，然而仍取得了巨大成就[56, 57]。星球采样机器人对于苛刻环境的适应性和高工作可靠性仍然是关键挑战。系统创新和智能控制将成为未来的主题，而纳入多学科要素是不可避免的。来自月球的最新数据表明，两极附近永久阴影的陨石坑的星壤内部冻结了大量水冰和其他挥发物。如果这些挥发物能够得到验证和利用，那么太空飞行将发生革命性的变化，因为它们可以作为地球引力井之外随时可用且廉价的推进剂来源，并且可能在星际航行和永久居住中发挥重要作用[58]。

5.1 未来发展的三大阶段

随着空间技术的发展，正在开发许多新颖的星球采样机器人。下文将星球采样机器人的技术趋势分为三个阶段。

（1）近期：在相当长的一段时间内，原位资源勘探仍是主要主题，并且将开发出可以穿透几米到几百米深度的低功率、低质量、可部署行星车的星球采样机器人。这些星球采样机器人必须能够进行自主采样，拥有向下钻进的科学仪器，能诊断故障并进行自我恢复。将实施越来越深层的采样，以寻找生命的存在，探索地质结构并彻底了解所研究的星壤。当前。对开发更智能、自主、可靠和高效的机器人钻探采样器的关注日益增加。可以在高度紧实的壳层中使用仪器分析子系统收集样品的小型星球采样机器人也越来越受到关注[59]。星球采样机器人为未来的软着陆任务提供了选择性确定毫米级多种多样的表面星壤样品组成的能力[60]，并且它们还旨在进行多日的科学分析[61]。未来对金星星壤的原位科学研究需要能在高温和高压下承受超临界二氧化碳的星球采样机器人[62]。将提出功能更强大的超声/声波采样器，以克服传统钻探采样器钻头上具有高的最大重量时所面临的局限性[63]，因为这允许使用小的反作用力对坚硬的星壤或岩石进行采样[64]。

（2）中期：地外表层/次表层星壤的提取对于中期阶段成功利用资源来生产推进系统和生命维持系统所需的氧气，水和其他消耗品至关重要。提取表层星壤是获得用于土木工程应用（如修建护堤、道路和沟渠）的挥发性物质的第一步。通常，挥发物的浓度很低；因此，必须挖掘相对大量的星壤，这是星球采样机器人中期最重要的任务。可以使用地球上常见的采样机构，例如挖掘机和推土机。无旋翼飞机，飞艇和气球也可用于远程采样任务。行星挥发物提取器和铲斗轮式挖掘机受到关注，以实现星壤利用的中期目标[65, 66]。当前关于这类采样器的研究主要集中在将其与冲击机构或气动样本传输系统相结合[67, 68]。在中期阶段，勘探范围和深度将更大，以便全面了解目标天体的地质情况[69]。将根据采样技术为所有类型的地形创建轮廓图，包括赤道和极地地区的山脉，峡谷，盆地和湖泊。这将是人类建立地外永久居住地的重要先驱。

（3）远期：近年来，3D打印和增材制造领域已取得了重大进展。整个房屋都可以使用可再生且取之不尽的星壤材料进行3D打印，这对于人类永久居住在其他行星上至关重要。美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）的目标是通过3D打印大型物体（包括整个住宅）来开始对地外行星的殖民化，这是未来深空探测中具有前景的技术。2013年，ESA开始了一个项目，该项目利用模拟的月球星壤生产永久性月球基地的空心细胞建筑块。NASA也一直在研究一种类似的技术，称为“轮廓制作”，该技术也旨在使用3D打印从星壤资源中构建整个住宅。“世界不够用（WINE）”是一种探索太空的新技术，它将现有CubeSat技术与3D打印的优势相结合[3]。此外，3D打印用于设计制造永久性地外基地的新一代星球采样机器人。在远期阶段，3D打印和星球采样机器人的设计和开发一样将改变航空航天星壤采样和利用方法。星壤将被广泛地用于原位外太空居住，而星壤探索和利用的最终目标是建立永久性的人类居住地或星际航行。

5.2 未来探测的技术趋势

阻碍实现科学目标的巨大挑战在很大程度上推动了星球采样机器人的发展。新颖的采样方法、设计理论和测试技术不断出现，并呈现出如下趋势。

（1）更强的极端环境适应性。在之前和当前的星壤探测任务中，通常首选地形平坦的着陆点。然而，采样平坦的地形将无法满足我们不断增长的需求。不平坦的地形、丘陵阶地和悬崖地区也可能引起人们对阐明行星演化信息的兴趣。此外，极冷/热、黑暗和遥远的地区对于调查天体的全部特征也很重要。所有这些因素都要求星球采样机器人具有更强的环境适应性。

（2）更智能和自主的控制。远程操作始终是星球采样机器人在复杂且非结构化环境中的优先选择；即使月球和地球之间的距离也适用。对于更遥远的太空探索（例如火星和小行星），由于通讯延迟，在意外情况下进行操作时，更智能、更自主的控制至关重要。随着人工智能的发展，将更加关注和努力建立强大的智能和高度自主的星球采样机器人。

（3）人机协作探测。使用智能机器人探索星壤具有许多优势，并且将是有利于长期生存的主要方法。然而，机器人在相对长时间方面无法取代人。人机协作探测将是星壤探测的重要趋势：机器人承担简单或危险的任务，而人类从事机器人难以完成的活动。当宇航员到达地外天体时，这种趋势将成为一个强有力的补充。

（4）实验-模拟联合验证。稳定性和可靠性始终是深空探测中的首要原则。为了确保任务成功，大量资源被投入到开发原型和地面试验台上。随着更全面的设备和功能更强大的软件的发展，实验-模拟联合验证将大大提高验证星球采样机器人环境适应性和操作可靠性等各个方面的性能。

5.3 中国未来的太空探测战略

空间科学和技术是衡量一个国家技术实力的综合指标，是世界各国要抓住的战略制高点。2000年，中国政府宣布了极具挑战的深空探索白皮书，开始了探索地外天体的旅程，并希望到2050年成为太空强国。对此进行了大量投资，并且在过去的19年中取得了许多突破[70,71]。图5给出了中国在本世纪上半叶未来太空探索任务的路线图，其科学目标和重点见表3。

图5 中国未来的深空探测任务。a，中国成为太空强国的路线图。b，探测月球背面的嫦娥4号。c，获取并返回月球星壤样品的嫦娥5号。d，火星探测-第一阶段的环绕探测和表面观测。图片来源：地球，火星，月球，木星和小行星，NASA

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结论

星球采样机器人是深空任务中探测星壤的关键技术。这些机器人展示了新颖的访问地外天体能力，可以扩展我们对太阳系中天体的了解。基于之前和目前的星壤采样技术，本文回顾了外太空探测的星球采样机器人的发展现状。全面总结了关键的技术约束，挑战和地面测试，并就未来深空探测的星球采样机器人的发展提出了详细的观点，这可能为新型星球采样机器人的开发提供新思路。过去的星球采样机器人增加了人类广泛的科学学科知识，增强了人类了解客观物质世界的能力，并扩大了人类活动的范围。未来的星球采样机器人将继续以更基本的方式改变探索星壤的方式，以更低的成本，更灵活的操作和更广泛的适应性进行探测，并将在更极端的环境中进行探测。

原文：Zhang T, Xu K, Yao Z, Ding X, Zhao Z, Hou X, et al. The progress of extraterrestrial regolith-sampling robots. Nature Astronomy. 2019;3:487-497.

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