在人类探索宇宙的壮丽征途中，月球一直是我们最亲密的邻居，也是科学家们梦寐以求的科研宝地。然而，尽管人类航天器已经多次着陆月球，对月球的了解却依然有限。这其中，月球取芯技术就是一个重要的瓶颈。对此，中国工程院院士谢和平和他的团队提出了一种创新的月球大深度保真取芯探矿机器人系统构想，或许能为我们揭开月球深部的秘密。
月球取芯，简单来说，就是从月球表面钻取月壤和月岩样本，以便科学家进行深入研究。这些样本就像月球的“DNA”，通过它们，我们可以了解月球的内部结构、物质组成和演化历史。想象一下，如果能够从月球深部获取未受污染的月岩样本，那将是对月球科学研究的一次巨大飞跃。
然而，现有的月球取芯技术却面临着两大难题：“取不深”和“取不真”。目前，人类最深的月球取芯记录仅为3.05米，远未触及月球深部的月岩层。而且，即使取到了样本，也往往因为样本在取芯过程中受到污染或破坏，而无法保持其原位信息，导致科学数据失真。
针对这些难题，谢和平院士团队于2020年提出了一个大胆而创新的构想——月球大深度保真取芯探矿机器人系统。这个系统不仅能够实现月球深部的保真取芯，还能确保样本在取芯、存储和返回过程中保持其原位信息。
大深度取芯：突破“取不深”的瓶颈
要实现月球深部的取芯，首先就要解决“取不深”的问题。谢和平院士团队提出的多级分段取芯技术，正是解决这一问题的关键。
想象一下，如果你有一根非常长的绳子，但你想要从绳子的中间某个位置开始取一段出来，你会怎么做？你可能会把绳子分成几段，然后一段一段地取。同样的道理，多级分段取芯技术就是将取芯过程分成多个阶段，每个阶段只取一小段月壤或月岩。
具体来说，这个系统由多个取芯器组成，每个取芯器都可以独立工作。当第一个取芯器完成取芯任务后，它会被留在月球上，而第二个取芯器则会继续向下钻进。这样，通过多个取芯器的接力工作，就可以实现月球深部的取芯。
分段取芯器及护壁原理示意图
而且，为了减小取芯器的尺寸和重量，团队还采用了绳索悬吊自掘进取芯的方式。这种方式利用绳索将取芯器悬吊在月球表面，通过自掘进取芯机器人的工作，实现取芯器的钻进和提取。这样，即使取芯深度达到20米左右，取芯器的尺寸和重量也可以控制在合理范围内。
保真取芯：保持样本的“原汁原味”
解决了“取不深”的问题后，接下来就要解决“取不真”的问题。为了保持样本的原位信息，谢和平院士团队提出了“五保”取芯原理，即保质、保压、保温、保湿、保光。
保质：采用高分子复合材料制成的保真膜来包裹样本，防止样本在取芯过程中受到污染或破坏。
保压：通过深度计算或传感器检测获取取样深度岩土间的压力，并在保真腔中填充同等压力的氮气来实现压力的保持。
保温：在钻头内部开设微流道流通冷却剂，用以冷却钻头在月球样本钻取过程中产生的热量，并通过温度传感器实时测量月球样本的温度，实现温度的保持。
保湿：保真膜不仅具有保湿功能，还能防止样本在取芯过程中失去水分。
保光：在高真空的月球环境下，光线的保持相对简单，但仍需通过特殊设计来确保样本在取芯和存储过程中不受光线影响。
地球深部原位保真技术原理示意图
通过这些措施，团队可以确保样本在取芯、存储和返回过程中保持其原位信息，为科学家提供真实可靠的月球地质数据。
月球大深度保真取芯探矿机器人系统是一个复杂而精密的系统，它由多个模块组成，包括悬吊部、驱动部、存储部和自掘进取芯机器人等。这些模块协同工作，实现了从取芯到样本存储和返回的全过程自动化。
月球着陆器及取芯机器人系统结构示意图
悬吊部与驱动部：系统的“大脑”与“肌肉”
悬吊部是整个系统的吊装机构及取芯器的管线收放机构，它负责将取芯器悬吊在月球表面，并通过管线收放机构实现取芯器的下放和回收。驱动部则包含了用于坐标定位的坐标机器人和固定于支撑壁上的自掘进机器人。坐标机器人负责实现取芯器的精确定位和提取，而自掘进机器人则负责实现取芯器的钻进操作。
存储部：样本的“保险箱”
存储部位于系统的最下方，包含了蜂窝式样本保真腔及相应的旋转驱动部件。保真腔在取芯操作前用于存放取芯器，在取芯器取芯后用于存储样本。每个保真腔都设有不同的温度、压力等环境保持装置，以满足不同深度月球样本原位环境保持的需求。
当取芯操作完成后，存储部会与驱动部分离，并通过着陆器上的空间机械臂抓取存储于样本回收舱中，返回地球。而驱动部和其他机构组件则会留在月球上，以减少样本返回起飞的重量。
自掘进取芯机器人：系统的“钻头”
自掘进取芯机器人是整个系统的核心部件之一。它由搭接装置、自掘进机器人本体和取芯部三部分组成。在取芯过程中，自掘进取芯机器人通过气压膨胀固定环与孔壁接触提供支撑固定，并通过旋转复合超声振动钻进技术实现钻进操作。
取芯部包含钻杆和取芯器，钻杆末端安装有钻头，取芯器放置于钻杆内侧。钻头内部开设有微流道用于流通冷却剂以实现温度控制。同时，取芯器内部还套有保真膜以保持样本的原位信息。
月球大深度保真取芯探矿机器人系统构型图
这一创新构想不仅为月球取芯探矿提供了新的解决方案，也为人类探索其他行星提供了技术参考。未来，随着该系统的不断完善和实际应用，我们有望揭开更多月球乃至太阳系的秘密。
想象一下，当科学家们利用这个系统获取到月球深部的月岩样本时，他们将能够更深入地了解月球的内部结构和物质组成。这些宝贵的科学数据将为我们揭示月球乃至太阳系的起源与演化提供重要线索。
而且，随着人类对月球资源的开发需求日益增加，这个系统也将为月球资源的勘探和开发提供有力支持。无论是寻找月球上的稀有元素还是开发月球上的矿产资源，这个系统都将成为我们不可或缺的助手。
*文章引自：谢和平,张国庆,罗通,等.月球大深度保真取芯探矿机器人系统构想与设计[J].工程科学与技术,2020,52(02):1-9.DOI:10.15961/j.jsuese.202000082.
