NASA的火星毅力技术回报丰厚

甚至当恒心漫游者接近火星时，机载技术仍在地球上取得回报。

可以识别伤口中细菌的激光传感器听起来可能有些牵强，但由于NASA的“火星探索计划”，这种激光传感器已经成为现实。这项技术将首次在“恒心”号火星上使用，该技术将在本月降落在“红色星球”上，但是它已经在制药，废水处理和地球上其他重要作业中检测到痕量污染物。

这并不是前往火星的唯一一项已经在实地付出努力的技术。在地球上，这些创新也在改善电路板的制造，甚至为地质学家带来了特殊的钻头设计。

自1960年代以来，NASA就一直在探索火星，推动了创新的前沿，从而到达了这颗红色星球并发现了它的秘密。这项新技术还经常在地球上找到其他用途。

自1990年代以来，Honeybee Robotics一直在执行对火星和其他行星体的机器人飞行任务，其中包括由美国国家航空航天局位于南加州的喷气推进实验室的小型企业创新研究（SBIR）合同资助的多个项目。这项工作的主要贡献之一是样品收集技术，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的六种取芯钻头现在首次进入太空，准备在漫游车的机械臂末端的炮塔或“手”中使用。

蜜蜂机器人公司设计了其旋转敲击式中心钻，以收集火星上的岩石样本。在“恒心号”漫游器上飞行的版本具有主要区别，但是它们共享一种用于分解核心样本的新颖技术，而Honeybee现在已将其提供给地球上的地质学家。

在地球上，在钻出带有空心钻头的岩心后，地质学家通常使用螺丝刀或其他工具将样品折断并拉出。这可能导致样品碎裂甚至污染。机器人需要一些不同的东西。

总部位于纽约的Honeybee想出了一个装在取芯钻头内的分离管。钻完岩心后，分离管相对于钻头旋转，移动其中心轴线并折断岩心。与其他折断方法（例如，捏紧岩心​​的底部）不同，折断管会沿样品的长度施加压力，从而降低了碎裂的风险。

蜜蜂提供了以前的火星飞行任务所使用的磨床，铲子和其他采样系统。这是该公司的取心钻头技术第一次进入火星，因为这是NASA第一次计划未来的任务，将火星表面的样本带回地球。毅力将收集并包装这些样品。

即使NASA的“恒心号”漫游车接近火星，机载技术仍在地球上取得回报。

“这是样品返还任务的关键部分，”管理JPL流动站的采样和缓存系统的Keith Rosette说。“如果您没有可以检索的钻头，那么您真的无法在火星上收集样本。”

Rosette说，虽然从火星获得样品返还的车辆会带来很多挑战，但它会让研究人员使用各种各样的仪器进行几乎无限的测试。“与其试图将所有这些仪器带入火星，不如将其带回火星，而且更具挑战性，而且更有价值。”

同时，蜜蜂已经将其获得专利的折断钻头用于地球地质学家的取芯工具包中。Honeybee副总裁兼勘探技术总监Kris Zacny说，这些钻头可与标准钻一起使用，从而使该技术简单易行且价格合理。

NASA超过20年的资助已帮助Photon Systems降低了深紫外（UV）光谱的成本并将其缩小至手持式尺寸。该公司的一种深紫外线激光器是首次在恒心号上飞往火星。

Zacny说，蜜蜂还一直在与有兴趣将这些钻头用于核灾难修复的公司进行谈判，因为这些钻头太危险而无法派遣人类调查人员。“例如，如果有混凝土罐泄漏，那么机器人可以进入并采集样品以检查辐射水平。”

该技术是由蜜蜂公司已故首席工程师汤姆·迈里克（Tom Myrick）发明的。扎克尼说：“汤姆为他的发明为行星飞行做出了贡献而感到非常自豪。”

火星的家庭影片

收集样品返回地球并不是工程师为毅力计划的唯一第一步。美国国家航空航天局（NASA）首次建立了一个系统，该系统可以发送流浪者剧烈进出和着陆序列的高质量视频。

当好奇号火星车返回一系列压缩图像以显示火星下降时的火星表面时，毅力的进入，下降和着陆包包括六个高清摄像头和一个麦克风，旨在捕捉“恐怖七分钟”的所有戏剧情节。在撞击外部气氛和着陆之间。除了观看行星的表面之外，还可以使用摄像头来观看降落伞的展开，并同时将降落伞和降落伞往回看，将两者分开。

看起来像是印刷电路板的照片实际上是计算机生成的模拟，该模拟是基于将要使用的电路板的计算机辅助设计文件的。Tempo Automation开发了这种“伪造仿真”功能，同时为照相机系统的电路板和麦克风进行了设计，该麦克风旨在记录恒心漫游者火星在大气中的进入，下降和着陆。

摄像机组件是现成的模型，但是管理它们的接口和电源的电路板是由JPL设计的。然后由位于旧金山的Tempo Automation构建。Tempo成立于2013年，就在NASA宣布2020年火星飞行任务后，Tempo利用这项工作来改善其制造流程。

顾名思义，Tempo Automation的重点是快速，自动化地生产印刷电路板，即使是小批量也是如此。公司为此目的提供的一组工具是使每个组件都“可追踪”的过程，以跟踪谁触摸了它，以及在电路板生产过程中的每个点对它进行了什么操作，以及哪个组件件来自。Tempo联合创始人Shashank Samala说，利用这些信息可以更容易地将问题原因归零，并查看其他可能受到影响的董事会。

为了满足JPL的严格文档要求，Tempo添加了X射线图像，离子清洁度数据以及来自每个组件自动光学检查的数据，所有这些现在已成为公司标准程序的一部分。

Tempo特有的一种工具就是所谓的制造仿真，即一种将计算机辅助设计（CAD）模型转换为最终电路板外观的真实感表示的软件。Samala说，当JPL工作于2018年初开始时，一个团队正在对该工具进行原型设计，这项工作帮助他们完成了该工具。它在第二年首次亮相。

他说，通过仿真，客户可以在生产开始之前检查其设计是否存在任何问题或缺陷。“一个简单的错误可能会花费大量金钱和时间。”

虽然它旨在帮助客户完成设计，但该公司发现它在内部也很有用。Samala解释说，制造过程可能会导致原始CAD模型与最终产品之间出现差异。模拟“是工厂现场的真实来源，用于传达设计师的意图。我们首先要看的是模拟。”

他说，交付符合NASA标准的产品有助于该公司进入其他几个太空系统，包括卫星和火箭。

同时，为JPL设计电路板的克里斯·巴斯塞特（Chris Basset）期待着恒久摄影在2021年2月18日降落后从火星上传回相机镜头的那一刻。他说：“这远远超出了我们通常的做法，令人兴奋。”“我等不及要看那些图像了。”

紫外线激光扫描化学线索

另一项源于美国国家航空航天局（NASA）火星探测计划的技术也首次以恒心飞行，并在地球上具有许多潜在应用。

当两位长期的同事在1997年创立Photon Systems时，研究表明，光谱仪具有极好的前景，光谱仪使用光来确定样品的成分，并且可以在深紫外（UV）波长下工作。它们具有识别细菌或检测甚至最细微化学痕迹的潜力。但是220至250纳米范围内的光源太大，太重并且对环境干扰敏感，并且还有许多其他问题。

威廉·休（William Hug）和雷·里德（Ray Reid）着手开发一种微型，轻巧，坚固的深紫外激光源，用于现场光谱分析。他们的第一笔外部投资是在1998年与JPL签订的一对SBIR合同中，该合同对光谱仪感兴趣，该光谱仪可以检测核酸和氨基酸以及所有已知生命的基础有机物质。从那以后，这家总部位于加利福尼亚州科维纳的公司收到了许多NASA SBIR（主要与JPL一起使用）以及来自旨在开发行星和天体生物学科学仪器的NASA计划的资助。

现在，航天局将通过对技术的长期投资获得第一笔丰厚的回报：毅力配备了拉曼光谱扫描仪和有机物和化学发光仪（SHERLOC）仪器，该仪器使用光子系统激光来寻找以前看不见的线索，以寻找火星上过去的生命迹象。

尽管研究小组预计不会在火星上发现细菌，但可以使用SHERLOC识别近地表中存在的有机物。在地球上，相同的技术可用于识别多种其他目的的有机物。

深紫外线光子与许多材料（尤其是包含有机分子的材料）强烈相互作用。与红外或什至可见光的激光源相比，这将导致更高的检测灵敏度和更高的准确性。

深紫外光谱已经在研究实验室中完成，但是Hug和Reid提出了一种结构，该结构比任何现有替代方案都更小，更简单且更便宜。“深紫外激光器的起价为100,000美元。休格说，并指出使用该技术的实验室仪器可能要占用三个实验室工作台，并且要花一个月的时间才能安装。

一项主要挑战是技术所需的完美水平。相同的灵敏度使微小的高能量波长甚至可以检测到病毒，从而使它们容易受到最小的缺陷的影响。镜头或其他表面的微观缺陷会破坏或分散它们，Hug说，为了满足必要的标准，它已经跨多个行业取得了进步。

Photon Systems专注于两种类型的光谱学，其中深紫外激光源比长期的光谱仪技术具有主要优势，而SHERLOC会同时使用这两种光谱学。荧光光谱法观察到大多数有机物和许多无机材料在被某些紫外线波长激发时会发出的光，就像洗涤剂在黑光下发光一样。每一个都发出独特的光谱“指纹”。

另一方面，拉曼光谱法观察分子散射的光，由于与样品中分子键振动的相互作用，其中一些散射到不同的波长。这些波长的变化可用于识别样品中的材料。紫外线的高能光子从有机分子中引起的拉曼散射信号要比低频光强得多。而且由于自然荧光或阳光中不存在深紫外线，因此使用这些非常短的波长可以消除干扰源。

近年来，该公司已开始将该技术开发到产品中，包括手持式传感器和监测个人暴露于污染物的设备以及实验室设备。休格说，他们目前最大的市场是制药，食品加工和废水处理行业。Deep UV可以以比其他任何方法低得多的浓度鉴定和测量某些化合物，从而提供了前所未有的质量控制精度，无论是测量药物中的活性成分还是确保机械和设施的清洁度。

在废水处理中，该技术可以识别和测量污染物，使操作员可以定制处理过程，并节省臭氧注入和曝气的电力。休说：“对于一个小型废水处理厂，整个系统可以在不到一个月的时间内收回成本。”

军方投资的一种应用是识别细菌和病毒。例如，弄清楚伤口中存在哪些细菌，将有助于确定正确的抗生素进行治疗，而不是使用可能引起耐药性的广谱抗生素。

快速，负担得起的深紫外光谱技术为医学研究提供了希望，从诊断到鉴定蛋白质，肽和其他生物材料。

休格说：“迄今为止，美国国家航空航天局一直是我们旅途中的伴侣，而激光只是其中的一部分。”“这也是我们多年来为NASA和国防部建造的深紫外拉曼光谱仪和荧光仪，这些仪器现在在制药，废水和水质总体上都取得了突破，现在也对病毒进行了临床测试。”

JPL SHERLOC首席研究员Luther Beegle说，在火星上，SHERLOC会寻找有机材料并分析可能存在生命迹象的矿物质，以便研究人员能够理解其背景。这将提供有关火星历史的更多详细信息，并有助于识别返回地球的样本。该仪器还包括能够进行显微成像的摄像头，将能够详细绘制岩石的矿物和有机成分，提供大量重要数据。

“我们将对火星进行全新的测量，”比格尔说。“这是以前从未尝试过的东西。我们认为我们真的将在火星科学上发扬光大，并找到一些可以带回来的好样本。”

NASA将技术转让给私营部门的历史悠久。该机构的Spinoff出版物介绍了已转化为商业产品和服务的NASA技术，证明了美国对其太空计划进行投资的广泛利益。Spinoff是NASA太空技术任务局技术转让计划的出版物。