中國神舟十二號航天員劉伯明和湯洪波完成天宮空間站首次出艙任務(wù)，經(jīng)過6個多小時太空行走后安全返回氣閘艙，這是中國航天史的一次偉大成就，華夏兒女為之振奮，全球各大媒體也對此進(jìn)行了報(bào)道。
美國僅剩4套艙外航天服
某國對中國空間站機(jī)械手的想象
中國空間站首次太空行走
幾乎就在同時，有西方媒體爆出，美國現(xiàn)在能用的艙外航天服只有4套了。這僅剩的4套航天服是1975年開始為航天飛機(jī)項(xiàng)目制造，早就超過了15年服役期，存在嚴(yán)重故障風(fēng)險(xiǎn)，其中的一些關(guān)鍵部件比如二氧化碳傳感器等等早已不再生產(chǎn)，甚至連當(dāng)初的供應(yīng)商都消失多年。照這樣下去，國際空間站出艙維修活動將被迫停止。
美國僅剩4套艙外航天服
NASA對這一切似乎并不著急，他們投入25億美元研制的新航天服xEMU不適用于國際空間站，它專為阿爾忒彌斯登月計(jì)劃設(shè)計(jì)，并且目前這套史上最貴航天服的研發(fā)進(jìn)展似乎不太順利。
新航天服是為登月設(shè)計(jì)
有美國NASA專家認(rèn)為，ISS已經(jīng)老舊，幾年內(nèi)退役似不可避免；依靠宇航員太空行走來維修維護(hù)航天器是一種過時的技術(shù)，未來美國應(yīng)瞄準(zhǔn)艙外機(jī)器人來接替人類活動，以降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。
即便有厚重的航天服保護(hù)，宇航員在太空中依然會受到微流星和太空垃圾的威脅，太陽耀斑爆發(fā)拋射出來的帶電粒子風(fēng)暴和致命宇宙射線也時刻威脅宇航員健康，在太空惡劣環(huán)境里，航天服所能提供的保護(hù)非常有限，與其讓宇航員用生命去冒險(xiǎn)，不如想辦法用機(jī)器代替他們工作。
NASA試圖用機(jī)器人取代人類出艙
2007年，NASA與通用公司聯(lián)合在第一代空間機(jī)器人Robonaut 1的基礎(chǔ)上研制新一代機(jī)器人宇航員Robonaut 2（R2），2011年初，R2被送到國際空間站進(jìn)行在軌試驗(yàn)。R2被做成人的形狀，2014年又被裝上兩條修長的大腿，可以手腳并用在空間站里爬行。
機(jī)械宇航員R2全身共有42個自由度，它有比較靈活的雙手，集成了三維腕力傳感器、接觸力傳感器、角度及位移傳感器等共約300多個傳感器，其手臂最快移動速度為每秒2米、負(fù)載能力約18公斤、手的抓握力約2.2公斤。
R2并不智能，準(zhǔn)確說它就是一臺人形遙控機(jī)器，控制人員通過安裝在機(jī)器人頭部的視覺相機(jī)觀察目標(biāo)，同時穿戴一套人機(jī)交互設(shè)備來控制機(jī)器人的動作。
Robonaut 2
作為航天大國，俄羅斯也沒閑著。2019年8月，一個名為費(fèi)多爾（Fedor）的人形機(jī)器搭乘聯(lián)盟號飛船進(jìn)入空間站，俄羅斯宇航員對它進(jìn)行了在軌試驗(yàn)。在宇航員的操控下，費(fèi)多爾既能完成開閉艙門等粗重工作，也能做諸如拔插頭之類的精細(xì)活兒，但在9月6號它再返回地球時就無法啟動了。
日本做的小機(jī)器人在空間站里只是個用來逗樂解乏的玩具，此處略過不提。
俄羅斯機(jī)器人Fedor
如果你認(rèn)為機(jī)器人宇航員這種高大上的東西只有美國和俄羅斯在搞，那就大錯特錯了。2016年9月天宮二號發(fā)射時，它就隨艙攜帶了一個與人手一樣的機(jī)械手。
中國機(jī)械手由哈工大、航天五院和北理工聯(lián)合研制，它與你我的手看起來并沒什么差異，但相比于美俄的機(jī)器人卻靈巧許多。中國機(jī)械臂不僅能進(jìn)行7個自由度運(yùn)動，機(jī)械手還能完成旋擰插拔電電纜插頭、撕開多層防護(hù)層、熟練使用電動工具松緊螺釘；它可以按照要求將物體放到規(guī)定位置，還可以輕松抓住漂浮在空中的小球。
中國機(jī)械手在天宮二號的實(shí)驗(yàn)照片
做拔插頭按開關(guān)之類的動作離不開手眼相機(jī)與機(jī)械手的配合，空中抓放運(yùn)動物體實(shí)驗(yàn)還需要仰仗一種被稱為全局相機(jī)的視覺傳感器和視場靶標(biāo)。如果你稍細(xì)心些，就能發(fā)現(xiàn)咱們天和核心艙里也有這么一個視場靶標(biāo)，至于說這個靶標(biāo)到底是拿來干什么用，咱也不敢亂講，你可以試著猜一猜。
機(jī)械手實(shí)驗(yàn)與視場靶標(biāo)
可能有小伙伴說，人家美國俄羅斯已經(jīng)做出了機(jī)器人，總的說來還是領(lǐng)先了一步。這你就有所不知，美國的R2盡管有胳膊有腿，它可是一步也沒邁出過國際空間站的艙門。為啥？因?yàn)榕撏猸h(huán)境與艙內(nèi)環(huán)境它完全不是一回事。
機(jī)械手之所以能靈巧地運(yùn)動，要仰仗它里邊精密的電動機(jī)、高可靠性電路、高度敏感的各種傳感器，還有一大堆處理器配合運(yùn)算，這些東西能在空間站嚴(yán)密保護(hù)的艙體內(nèi)運(yùn)行，不代表在真空、極端溫度和強(qiáng)烈輻射環(huán)境下也能保持正常。而萬一其中某些電路出現(xiàn)問題，它造成的后果可能是災(zāi)難性的，因此科學(xué)家們必須慎之又慎。
機(jī)械手電路與控制圖
到目前為止，無論是國際空間站外的幾條機(jī)械臂還是中國空間站天和機(jī)械臂，都已經(jīng)經(jīng)受了嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，這證明只要做好防護(hù)，敏感的電子器件也能長時間在艙外運(yùn)行。
通過天宮二號任務(wù)對機(jī)械手的在軌實(shí)驗(yàn)，我們驗(yàn)證了機(jī)械手的軟硬件設(shè)計(jì)、人機(jī)協(xié)同以及遠(yuǎn)程遙控操作等技術(shù)，相信經(jīng)過這幾年的升級與改進(jìn)，咱們中國機(jī)械手將能率先在實(shí)驗(yàn)艙外實(shí)驗(yàn)平臺大顯身手。
某國對中國空間站機(jī)械手的想象
至于說航天員太空行走會不會過時，我認(rèn)為從長遠(yuǎn)來看，機(jī)械手、艙外機(jī)器人協(xié)助或取代人類進(jìn)行高危操作是必然趨勢。但在未來五到十年中，空間站外的照料工作始終離不開人類親力親為，因?yàn)槿斯ぶ悄艿陌l(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步還需要時間來積淀。在先進(jìn)與穩(wěn)妥之間，航天機(jī)構(gòu)往往會傾向于后者，所以航天員出艙活動在相當(dāng)長時間里依然是必要的。
