书城教材教辅走向未来(科技发展大趋势·科学新导向丛书)
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第5章 航空航天的未来(4)

然而,任何事物都无法尽如人意,这两辆探测车的行进速度实在慢得让人难以忍受:在长达20个月的时间里,“勇气”号和“机遇”号分别只行驶了4.8千米和5.7千米。“机遇”号因为陷到一个30厘米高的沙丘而足足被困了一个月;为了攀登地面高度仅82米的小山峰,“勇气”号竟花费了14个月的时间,速度慢得就像蜗牛在爬。

从昆虫身上得到的启发

制造机动性能好、功能多、耗电量少的探测车一直是科学家们努力不懈的追求。怎样才能制造出性能更好的探测机器人呢?科学家们想到了昆虫那超强的适应能力。一些研究人员从昆虫身上得到启发,打算把昆虫适应力强的特点移植到即将研制的机器昆虫上去。

“机器昆虫”的雏形美国西部有一个专门研究生物机器人的实验室,这个研究团队正在研制一种有6条腿的机器人。它的外形看起来几乎就跟蟑螂一模一样,不过尺寸却被放大了近20倍。在实验室里,科学家们先利用慢镜头录像仔细分析了蟑螂的行动方式,然后将这种昆虫的关节结构全部照搬到了机器人身上。机器人的腿共分为5个部分,通过压缩空气促使机器人“腿关节”运转。但是,这种设计非常费电,也很复杂,任何一个部分失灵都可能使整个机器人瘫痪。

基于上述缺陷,这种机器人实用性并不强。于是,科学家们打算把这个机器爬虫进行简化,制作出另一种机器人。把6条腿换成6个装着轮子的腿,每个“腿轮”由3条“小腿”环绕组成一圈,看起来就像带有缺口的轮子。随着轮子的转动,每个腿轮上的3只脚依次着地,推动机器人向前进。这样,机器人仅靠一台发动机,就可以驱使6个腿轮同时运转了,复杂程度也大大降低。

这种机器人的前部还装有2条触角,当碰到障碍物的时候,这2条触角能帮助它判断是绕开、爬过去,还是钻过去。机器人以中间两个腿轮的轴为分界点,分为前后两个部分,当它遇到较大障碍物时,还能像蟑螂一样将前半身抬起,后面4条腿负责提供前进的动力,前面2条腿负责向上攀爬——这些特征都使它和蟑螂的运动方式非常相像。

传统机器探测车还有其他一些缺点,比如:人们是在地球上通过远程遥控对探测车进行控制的,这样会使每个指令从发出到返回,中间有40分钟的延迟。因此,研制出能够完全“自我控制”的机器人是非常重要的,要想通过精确编程来控制6条腿的机器昆虫前进步伐,几乎是不可能做到的。在这种情况下,科学家只好再次将目光转向了仿生学。

神奇的“机器蝎子”

目前,除了美国之外,其他国家也在研制性能先进的仿生机器人。据说,德国不莱梅大学的机器人研制小组,在研究了多种动物运动的生物学机制基础上,正在制造一种有8条腿的机器蝎子。要知道,在动物体内因为有许多神经元连接在一起,所以才能控制肌肉有节奏地收缩和伸展,最终控制运动。机器蝎子体内,则通过电路来模仿这些神经元,产生有节奏的信号,控制发动机操纵每条腿上的关节运动。

机器蝎子比“勇气”和“机遇”要先进得多:它的内部装有许多传感器,用来探测身体、关节、足端的倾斜程度,这些信息再返回给电路进行处理,以确保机器蝎子能在起伏不平的地面上顺利行走。它可以平稳地走过岩石、沙地和陡坡,当传感器感到机器蝎子被绊住时,它们会马上启动预先设定好的程序进行复位。这种机器蝎子还有一个了不起的能力:如果不小心翻了身,它不会像真的蝎子那样动弹不得,它的腿可以翻转过来,使它继续行走。

英国航天中心的一位机器人专家说:“大约在15年内,轮式探测车就很难再胜任科学探索活动的要求。”这位专家正和其他仿生学家一起研究可能用于太空探索的仿生技术。他说:“为了保证太空探索任务源源不断地传回新数据,这种受生物启发的创新是不可缺少的,将来机器昆虫将在太空中大有作为。”培育“火星植物”

现在,探索火星成为热点。与之伴随的各种问题也引起了科学家们的注意。其中,宇航员的吃饭问题十分关键。于是,有的科学家提出了一个大胆的设想:在火星上耕田种地!

火星上的蔬菜水果

计划中的火星基地航天员进行外太空飞行前都要在飞行器里储存大量的食物。可想而知,这些食物就算做得再精美也比不上新鲜食品可口,而且营养价值也未必高多少;另外,随着人类探索宇宙的足迹越来越远,今后宇航员在太空里待的时间也许越来越长,甚至可能要以年为单位来计算。这样的话,新鲜食物的供给对于“太空远途航行”就是一个重要的保障了。于是,有科学家想到:要是以后能够在月球和火星上就地种植各种蔬菜水果,宇航员前来进行考察时能就地采摘,那可比吃罐头食品好多了。在火星上种植蔬果,这看起来似乎是科幻小说里的内容。但是,只要我们耐心等待50年,就会知道这绝对不是科幻,因为到那时不光是宇航员,就连在超市里卖的蔬菜水果说不定也是在火星上培育出来的。

钢筋铁骨的火球菌

为了尽快实现火星种植计划,美国科学家正在进行一项“改造植物生命”的研究,他们打算为地球上的植物植入一些可以忍耐各种极端自然条件的基因——只有这样,普通植物才能够经受住火星的恶劣环境。毫无疑问,50年后的宇航员一旦有了新鲜食物供给作为保障,他们探索太空的道路将走得更远。

研究人员打算用跨物种基因移植的方法,为植物植入能够忍耐极高或极低温度、辐射、干旱和异常重力环境的基因,使植物能在火星上生长,培育一个“外星生物圈”的基础。他们首先用喜欢热能量的火球菌初步验证了这一设想。这种细菌生活在海底火山口或热泉眼附近,能忍耐从0~100摄氏度的极端温度。

在极热或极冷的温度下,大多数生物的细胞会出现氧化现象,过度的氧化会慢慢杀死细胞。而这种火球菌会产生一种过氧化物——还原酶,能抵抗住细胞的氧化,维持细胞的生命。因此,研究人员首先用烟草作为模型植物,将火球菌的还原酶基因植入到模型植物的基因组中。他们发现,增加了新基因的模型植物生长状况良好,并且能生成和火球菌一样的还原酶。

不过,这一成果目前还是被科学家们称为“非基础性的”,它只是开创了“设计极端条件下生存植物”的先例。研究人员还必须花费更多的时间,验证增加基因的“设计植物”能否真正经受极端温度的考验,以及新增的基因会不会对植物产生副作用。他们下一步准备将火球菌的更多相关基因植入到植物基因组内。太空植物需要有强大的生命力:它们除了要对太空冷热温度有所抵御外,还要能经受得住太空中强度非常大的辐射损害。

现在,人们对于太空食品并不十分放心,其中最大的担忧就是其安全性。其实,这个担心是多余的。科学家们解释说:太空食品的安全性不存在任何问题。这是因为,航天育种并不是经过人为方法使植物产生变异,而只是通过一些科学手段,加速了植物需要几十年甚至上百年的自然变异过程。而且,国际原子能机构、国际卫生组织、国际粮农组织已联合认定:利用物理的、化学的等人工诱变技术培育的作物种子,其安全性是毫无疑问的,完全达到规定指标要求,是可以让人放心的安全种子。