美国宇航局的火星毅力技术在国内得到了回报

火星坚持不懈的罗孚样品集合

即使是在“毅力号”接近的时候火星飞船上的技术在地球上得到了回报。

一种可以识别伤口细菌的激光传感器可能听起来很遥远,但它已经成为现实,这在一定程度上要感谢Nasa美国宇航局的火星探测计划。这项技术将在本月登陆火星的“毅力号”上首次登陆火星,但它已经在地球上的制药、废水处理和其他重要操作中检测到微量污染物。

这并不是唯一一项已经在地面上获得回报的技术。在地球上,这些创新也改善了电路板制造,甚至为地质学家带来了一种特殊的钻头设计。

副产品来自火星

自20世纪60年代以来,美国宇航局一直在探索火星,推动创新的前沿,以到达这颗红色星球并发现其秘密。这项新技术在地球上也经常有其他用途。来源:美国国家航空航天局

给地质学家以喘息的机会

自20世纪90年代以来,Honeybee Robotics一直致力于火星和其他行星上的机器人任务,包括一些由美国宇航局南加州喷气推进实验室的小企业创新研究(SBIR)合同资助的项目。这项工作的关键贡献之一是样本采集技术,包括用于提取岩心的钻头。从20多年前开始的研究中开发出来的半打取心钻头现在第一次进入太空,准备在漫游者的炮塔上使用,或者在机器人手臂的末端使用“手”。

蜜蜂机器人旋转式冲击式取芯机

蜜蜂机器人设计了它的旋转冲击式岩芯钻机来收集火星上的岩石样本。“坚韧不拔”号漫游者飞行的版本有关键的不同,但他们共享一项用于分离岩心样本的新技术,这是由蜜蜂公司提供给地球上的地质学家的。信贷:蜜蜂机器人

在地球上,在用空心位钻孔后,地质学家通常使用螺丝刀或其他工具来打破样品并将其拉出。这可能导致碎片或甚至受污染的样本。机器人需要不同的东西。

纽约的Honeybee公司想出了一种在芯钻头内嵌套的分离管。在核心钻孔后,断开管相对于钻头旋转,移动其中心轴并断开核心。不同于其他的分离方法,如捏住岩心的底部,分离管沿着样品的长度施加压力,减少破碎的风险。

Honeybee提供了在以前的火星任务上飞行的研磨机,勺子和其他采样系统。这是公司首次取代技术进入火星,因为它是NASA第一次计划未来的使命,使火星表面的样品返回地球。坚持不懈会收集和包装这些样本。


就在美国宇航局的“毅力”号漫游者接近火星时,其技术在地球上得到了回报。来源:美国国家航空航天局剥离

“这是返回样本任务的关键部分,”负责管理探测器的采样和缓存系统的基思·罗赛特(Keith Rosette)说喷气推进实验室。“如果您没有可以检索它的钻头,您真的无法在火星上收集样本。”

Rosette表示,虽然来自火星的样本返回车辆将提出一系列挑战,但是,它将让研究人员使用各种仪器进行几乎无限的测试。“而不是试图将所有这些乐器带到火星,这对拉回样品更具挑战性,更有价值。”

与此同时,Honeybee公司已经将其在地球上的地质学家取芯工具包中的断裂钻头专利商业化。Honeybee副总裁兼勘探技术总监Kris Zacny说,这些钻头可以与标准钻头一起使用,使技术变得简单和廉价。

光子系统深紫外光谱学

美国宇航局20多年的资助帮助光子系统降低了深紫外线(UV)光谱学的成本,并将其缩小到掌上尺寸。该公司的一种深紫外线激光器将首次搭乘“毅力”号飞船飞往火星。信贷:光子系统

扎克尼说,蜜蜂公司还在与有兴趣使用比特进行核灾难补救的公司进行谈判,因为派人去调查太危险了。“例如,如果有混凝土储罐发生泄漏,那么机器人就可以进去取样检查辐射水平。”

这项技术是由蜜蜂公司已故的总工程师汤姆·麦里克发明的。扎克尼说:“如果汤姆的发明能改变行星任务,他一定会非常自豪。”

火星家庭录像

收集样本返回地球并不是工程师们为“坚韧不拔”号计划的唯一第一次。美国宇航局首次建立了一个系统,可以发回探测器引人注目的进入和着陆过程的高质量视频。

虽然好奇号传回的一系列压缩图像,图像显示了火星表面在降落的过程中,坚持不懈的条目,血统,和着陆包包含六个高清摄像头和一个麦克风,旨在捕获所有的戏剧“恐怖7分钟”之间的外层大气和触摸。除了观察行星表面外,摄像机还可以观察降落伞的展开,并在降落阶段和月球车分离时进行回望。

Tempo自动化制造仿真

看起来像是印刷电路板的照片,实际上是基于未来电路板的计算机辅助设计文件的计算机生成的模拟。Tempo自动化开发了这种“制造模拟”能力,同时为相机和麦克风系统的电路板工作,设计用于记录“毅力”号漫游者的火星大气进入、下降和着陆。信贷:节奏自动化

相机组件都是现成的模型,但是管理接口和电源的电路板是由喷气推进实验室设计的。它随后由总部位于旧金山的Tempo Automation公司建造。Tempo公司成立于2013年,就在美国宇航局宣布火星2020任务之后,该公司利用这项工作来改进其制造流程。

正如其名,Tempo Automation的重点是印刷电路板的快速、自动化生产,即使是小批量生产。为此,该公司提供的一套工具是使每个部件“可追踪”的过程,以跟踪谁碰过它,在电路板生产过程中的每个点对它做了什么,以及该部件来自哪个批次。Tempo联合创始人沙山克·萨马拉(Shashank Samala)表示,这一信息可以更容易地锁定问题的原因,并查看其他哪些董事会可能受到了影响。

为了满足JPL的严格文档要求,节奏增加了X射线图像,离子清洁度数据以及来自每个组件的自动光学检测,所有这些都是公司标准程序的一部分。

Tempo公司的一种独特工具被称为制造模拟——一种将计算机辅助设计(CAD)模型转换成最终电路板逼真外观的软件。萨马拉说,当喷气推进实验室的工作于2018年初开始时,一个团队正在制作该工具的原型,这项工作帮助他们完成了这项工作。它于次年首次亮相。

他说,这种模拟可以让客户在生产开始前检查他们的设计是否存在任何问题或缺陷。“一个简单的错误就会耗费大量的金钱和时间。”

虽然被设想帮助客户完成他们的设计,但该公司发现它在内部是有用的。萨马拉解释说,制造过程可能导致原始CAD模型和最终产品之间的差异。仿真“用作工厂地板上的真相来源,传达设计师的意图。我们看的第一件事是模拟。“

他说,交付一款符合美国宇航局标准的产品帮助该公司进入了其他几个太空系统,包括卫星和火箭。

Meanwhile, Chris Basset, who designed the circuit board at JPL, looks forward to the moment the camera footage is beamed back from Mars after Perseverance’s landing Feb. 18, 2021. “This is so far outside of what we usually do that it’s super-exciting,” he said. “I can’t wait to see those images.”

紫外线激光器扫描化学线索

另一项可以追溯到美国宇航局火星探索计划的技术,也将在“毅力”号上首次飞行,在地球上有许多潜在的应用。

1997年,两位长期共事的同事建立了光子系统公司,研究显示了光谱仪——一种利用光来确定样品成分的设备——在深紫外线波长下工作的令人难以置信的前景。它们有可能识别出一种细菌,甚至可以检测到最轻微的化学痕迹。但是在220- 250纳米范围内的光源太大、太重、对环境干扰太敏感,而且还有许多其他问题。

William Hug和Ray Reid旨在开发一个微型,轻质坚固的深紫外线激光源,用于该领域的光谱。他们的第一个外界投资来自1998年与JPL的一对SBIR合同,这对可以检测核的光谱仪感兴趣


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸有机物质是所有已知生命的基础。从那以后,这家总部位于加州Covina的公司获得了美国宇航局的许多SBIRs,其中大部分是由喷气推进实验室提供的,同时也获得了美国宇航局旨在为行星和天体生物学科学开发仪器的项目的资助。yabo124

现在太空署将第一大其长期投资回报率技术:毅力配备扫描居住环境与拉曼和发光有机物和化学品(SHERLOC)工具,它使用一个光子系统激光点以前看不见的线索在其搜索过去的火星上存在生命的迹象。

尽管该团队并不期望在火星上发现细菌,但可以使用SHERLOC识别火星近表面的有机物。在地球上,同样的技术也可以用于识别有机物的各种其他目的。

深紫外光子与许多材料,特别是含有有机分子的材料发生强烈的相互作用。这就导致了更高的检测灵敏度和更大的精度与红外甚至可见光激光源相比。

深紫外线光谱学已经在研究实验室完成,但Hug和Reid提出了一种比任何现有的替代方法更小、更简单、更便宜的结构。“深紫外线激光器起价10万美元。这就是为什么它们没有在工业中使用,”Hug说,并指出使用该技术的实验室仪器可能要占用三个实验室桌子,需要一个月的时间来设置。

一个主要挑战是技术所需的完美水平。相同的敏感性,使能微小的高能量波长来检测甚至病毒使得它们容易受到最轻微的缺陷。镜头或其他表面中的微观缺陷可能会破坏或散布它们,并且拥抱说它已经在多个行业方面取得了进步,以满足必要的标准。

光子系统专注于两种类型的光谱学,其中深紫色激光源提供了超强光谱仪技术的主要优势,并且Sherloc将使用两者。荧光光谱观察大多数有机和许多无机材料在由某些紫外波长激发时发射的光,就像黑光下的洗涤剂一样发光。每个都会发出一个不同的光谱“指纹”。

而拉曼光谱则是观察分子散射的光,其中一些光会由于与样品内部分子键振动的相互作用而转移到不同的波长。这些波长的变化可以用来识别样品中的材料。与低频光相比,高能紫外光能从有机分子中诱发更强的拉曼散射信号。由于深紫外光不存在于自然荧光或阳光中,使用这些非常短的波长消除了干扰源。

近年来,该公司已开始将这项技术开发成产品,包括掌上传感器和监测个人接触污染物的设备,以及实验室设备。他们最大的市场是制药、食品加工和废水处理行业,Hug说。与其他方法相比,深紫外线可以在较低的浓度下识别和测量某些化合物,无论是测量药物中的活性成分还是确保机器和设施的清洁,都提供了前所未有的质量控制精度。

在废水处理中,该技术可以识别和测量污染物,让操作员定制处理过程,并节省臭氧输注和通气的功率。“对于一个小型污水处理厂,整个系统在不到一个月内为自己付出代价,”拥抱说。

军方投资的一项应用是识别细菌和病毒。举例来说,弄清楚伤口中存在哪些细菌,将有助于确定治疗伤口的正确抗生素,而不是使用可能导致耐药性的广谱抗生素。

快速、廉价的深紫外光谱技术为医学研究带来了希望,从诊断到鉴定蛋白质、多肽和其他生物材料。

“到目前为止,NASA一直陪伴着我们的旅程,激光只是故事的一部分,”Hug说。“这也是我们多年来为NASA和国防部建造的深紫外拉曼和荧光仪器,现在为制药、废水和一般水质,以及现在的病毒临床测试提供突破。”

在火星上,Sherloc将寻找有机材料,并分析围绕任何可能的生命迹象的矿物质,因此研究人员可以了解他们的背景,Sherloc的主要调查员在JPL。这将提供有关火星历史的更多细节,并有助于确定样品以返回地球。该仪器还包括能够进行微观成像的相机,将能够高细节映射岩石的矿物质和有机组合物,提供许多重要数据。

“我们将在火星上进行一次全新的测量,”比格尔说。“这是以前从未有人尝试过的事情。我们认为我们真的会推动火星科学的发展,找到一些很棒的样本带回火星。”

NASA在向私营部门转移技术方面有着悠久的历史。该机构的衍生出版物介绍了NASA的技术,这些技术已经转化为商业产品和服务,展示了美国投资太空计划的更广泛好处。《副产品》是NASA空间技术任务理事会的技术转让项目的出版物。