复合型机器人

目前，NASA已经批准了“NASA创新先进概念(NIAC)”项目的资助申请，该项目将奖励超过12名研究人员，鼓励他们研究创新概念的可行性。这些研究人员包括:美国宇航局的研究人员，工业世界和学术界的科学家。以下是美国宇航局选定的16个未来空间技术概念:

1、月球柔性薄膜悬浮铁路(浮子)

设计师:伊森·谢勒，美国宇航局喷气推进实验室。

我们希望在月球上建造第一个铁路系统，它将提供安全、可靠、自动、高效的运输方式，实现有效载荷在月球表面的运输，建立一个持久、长寿的机械装置运输系统，这对于2030年可持续月球基地的正常运行至关重要，就像NASA的“机器人月球表面作业任务2 (RLSO2)的设计理念有以下两个作用:一是运输开采出来的风化表面，作为资源利用消耗品(水、液氧、液氢)或建筑材料；二是围绕月球基地运送有效载荷往返于着陆区或其他前哨。

浮动系统可以在多尘和不适合居住的月球环境中自动运行，并保持最小的场地准备。随着时间的推移，它的轨道网络可以卷起或重新部署，以满足月球基地不断变化的任务要求。

2.具有独立传感功能的微型游泳机器人(游泳)

设计师:伊森·谢勒，美国宇航局喷气推进实验室。

未来几十年的太空探索将聚焦于地外海洋行星，尤其是土卫二、木卫二和土卫六。这些行星的液态海洋位于数千米厚的冰壳之下，这是地球之外最有可能孕育生命的地方。为了到达这些地外海洋世界，美国宇航局正在开发和完善许多进入海洋的任务概念，包括:“探索欧罗巴。”地下“芝麻”级热机械钻孔。机器人我们建议开发“具有传感功能的自主微型游泳器”机器人(游)”，这将大大拓展微体积海洋探索。机器人任务能力，并大大增强探测可居住性、生物标志物和生命证据的可能性。

游泳系统包括厘米级的3D打印游泳模型。机器人，其装配微机电系统(MEMS)传感器由微致动器驱动，通过超声波进行远程控制。微型游泳机器人可以独立部署，也可以从单个SESAME部署。机器人一旦部署在载体上，一旦到达或锚定海洋-冰界面，其灵活性将受到限制。游泳机器人可以扩大海洋采集范围，能力远超芝麻。机器人，从而增加了探测地外海洋生命迹象的可能性。与此同时机器人还可以获取科学研究所需的海洋属性、宜居性指标以及潜在生物标志物的时空分布测量(单机器人不可能实现)。这些能力将使科学家能够在美国宇航局的首次地外海洋调查中更好地描述和理解海洋的组成和生命的宜居性。

3.被动扩展偶极阵列月球探测器(踏板)

帕特里克·麦高瑞，美国宇航局喷气推进实验室。

了解类地行星地下组成和结构是揭示其地质历史演化的关键，包括地壳分异、火山作用、沉积作用、盆地形成和挥发搬运聚集。常用的地下探测设备是雷达，可以通过基于地球的双基站、轨道或地表结构来实现。在每种情况下，组合雷达仪器的任务操作天线都有一个固定的谐振频率，通常限于一个或两个工作频带。目前，MARSIS轨道设备拥有所有轨道探测雷达中最大的天线(40m)，可提供千米级的穿透调查和全球覆盖。但是，由于信噪比低、分辨率低、地表反射模糊，使得测量数据失真程度很高。考虑到使用单个固定长度偶极天线产生的有限频带， 我们建议使用被动扩展偶极子阵列月球探测器(踏板)，它包含一系列离散偶极子天线，通过特殊的组成和短偶极子耦合延伸到更大的区域。通过频率和深度变换可以有效地提高分辨率。踏板的关键创新在于其独特的能力，可以从不同的空间位置测量广泛和连续的深度范围，这是以前的探地雷达设备所无法实现的。踏板使用形状记忆材料被动部署四条系绳，并计划在未来的各种探月任务中使用。驱动踏板的关键科学目标包括比较地壳厚度以了解地壳结构的深度，测量表面风化层中挥发物的分布，并检测地下空等。

4、太阳系驿马快运系统

约书亚·范德霍克，美国宇航局喷气推进实验室

太阳系快马系统(pony express system)是一个全球性、多光谱、高分辨率的行星探测系统，通过定期的卫星网络访问获取万亿字节的数据，然后传输到地球。这些“信使”卫星使用光通信，每年至少一次从测量系统接收1-3万亿字节的数据，然后卫星将朝着地球运行，并在近距离快速传输数据。通过使用周期轨道，该系统只需要最小的机载推进，可以作为深空网络的扩展和人类探索后勤网络的先驱，持续数十年。

5.风化层自适应校正系统支持地外行星的早期着陆和运行。

美国德克萨斯州农业工程实验站Sabajit Ban Naji。

风化层自适应校正系统(RAMs)旨在选择性地增强和整合月球表面的自然物质。目前，这一概念源于美国宇航局的创新先进概念(NIAC)提案，其重点是设计灵活的轻型着陆平台。目前，对月球风化层改造的研究主要集中在利用大量已有的成功技术，如烧结、地质聚合等。相比之下，风化层自适应校正系统尤其适用于早期着陆期间的支持部署，但也可用于月球和火星定居点完成后更成熟的建设活动。不是动用所有的材料、设备、电源来固定月球表面的风化层，而是要进行防尘、折叠着陆垫等功能性维护工作， 固定着陆垫或铺设通道。RAMs采用独特的微胶囊输送系统，可以输送纳米铝热剂混合物和有机硅烷，将点焊锚点与表面底部的风化层固定在一起，同时采用先进的高强度钢钉进行加固。

该系统还提供额外的地下风化层稳定剂，这些物质植入深层土壤中，通过最初的放热反应活化，从而形成持续的铝热熔融和地质聚合风化层，构筑屏障，提供额外的承载能力。因此，除尘和承重是通过反应/固化的化学和物理网格屏障来实现的。

6.通过散射探索天王星

Sigrid Clauser，美国斯坦福大学

通过研究激光发射器释放能量和远程控制小型探索飞船的能力，研究飞船可以在前往天王星的长期深空任务中间歇性地部署探测器，在那里仅使用光伏和电池电源是不可行的。基于立方体卫星的巡天活动可以使科学家通过单一的探测任务，如磁场梯度，增强科学测量，从而更好地了解太阳系中罕见的冰巨人天王星。

7.电弧烧蚀采矿的现场资源利用

Amelia Gregg，美国德克萨斯大学

随着近年来太空探索的不断拓展，例如人类对太阳系其他天体表面的探索，利用当地资源(ISRU)从当地资源中获取水、建筑材料和推进剂是非常必要的。如何制造水是短期太空任务中最关键的组成部分，因此是许多研究的重点。然而，将来利用同一系统开发其他资源将是至关重要的。因此，一个运行良好的采矿系统应包括水资源的开采和收集，同时还应收集尽可能多的其他当地材料。利用电弧烧蚀表面物质会产生自由电离粒子，这些粒子可以被归类为质量群，通过电磁场输送到相关收集器。每种材料类型的收集器可以并行使用，以实现最大的收集效率和存储条件。

电离烧蚀电弧、电磁传输、分选筛选和收集模块全部集中在一个可移动的地面履带式牵引装置中，可以为人类的太空探索活动提供多样化、高效、广泛的原地资源利用。通过使用风化岩石颗粒的电弧烧蚀和电离，比依靠热采矿技术收集随机样品更容易运输和收集这些挥发物。这将大大提高颗粒收集的速度，减少意外表面的冷凝损失。利用磁场分离挥发物将很容易分类和筛选任何风化层成分，如水和金属离子。

8.部署一个千米级别的空间结构。

扎卡里·曼彻斯特，卡内基·梅隆大学

长期太空飞行会给人体带来严峻的挑战，包括:肌肉萎缩、骨质疏松、视力下降、免疫力受到抑制等。这些影响都与重力不足有关。自从人类首次实现太空探索以来，就一直期望在太空栖息地形成重力环境。在科幻小说中，有人提出旋转的太空基地可以产生人造重力。但是旋转的太空基地产生的人造重力会对人体造成很多不良反应。当人体长时间暴露在每分钟几转的环境下，人体会感到不舒服，头晕目眩。为了在1-2RPM的速度下产生接近1g的人造重力环境，需要千米级别的空间结构。为了解决这个问题， 我们将利用机械超材料的最新进展，设计出膨胀率超过150倍的轻量化展开结构。像这样的结构可以部署在猎鹰的重型火箭整流罩中，并在太空轨道中拉伸，达到长度超过1公里的最终尺寸，无需复杂的在轨组装或制造。我们的研究将适用于类似“月球轨道空间站”的概念设计，超过1公里的可扩展结构将成为大型旋转空间站的支柱。

9、自主深井钻井机器人

奎恩·莫利，行星企业公司

现在人们相信火星存在。地下液态水位于南极层状沉积物(SPLD)下1.5公里处。美国宇航局艾姆斯研究中心的高级科学家克里斯·麦凯表示，如果我们想要研究天体生物学，我们不仅需要看到它，还需要获得一些样本，因为我们有必要在火星等地外行星上进行深度钻探。此外，2019年的一份后续报告指出，如果地壳下火山活动产生的热量使液态水成为可能，那么这个地层和冰下湖泊很可能孕育外星生命。此前，南极层状沉积物是火星上科学探索最重要的区域之一，见证了40亿年前大气和气候的变化。目前，科学家们还没有完全准备好使用深钻系统来完成这项任务。

我们提出的是一个自动钻井系统，它将使用一个类似于“毅力”号火星车的探测器作为钻机，它将配备最少和适当的科学仪器，并采用高度冗余的钻井策略，不依赖电缆，相反，它是自给自足的。机器人可以在钻孔中自动上下移动，这些机器人被称为“钻探”机器人(borebots)”，长约1米。

钻井机器人探测器面板上的简单线性致动器移动到指定位置的管道进行部署，当钻入钻孔时，它们可以连续钻孔。机器人运动是通过橡胶罐轨道系统实现的，橡胶罐轨道系统压在钻孔的两侧。机器人在每次勘测中，将钻150毫米深，然后通过钻孔向上移动，将冰芯分离并带到地表。当冰芯被钻开时机器人提取后，探测器将对冰芯进行原位分析，并通过内部处理设备进行存储，这意味着冰芯样本要么用于原位分析，要么存储起来供以后检索。

10.适用于太阳系目标拦截和样本收集的空间推进器(使用紧凑型、超大功率和高密度放射性电池)。

克里斯托弗·莫里森，超安全核技术公司

超安全核技术公司(USNC理工大学)提出制造20千瓦(千瓦，磁通量单位)级，500公斤干质量放射性同位素电子推进器，由一种新型的可充电原子电池(CAB)供电。使用这种推进器的航天器可以飞得非常快，并可以在10年内调查太阳系外的物体，收集样本并返回地球。样本采集数据和星际天体数据可能会从根本上改变我们对宇宙和地球位置的认知观。在过去的三年里，已经有两个太阳系外天体(Oumuamua和C/2019 Q4)穿越了太阳系，所以我们必须做好准备，去勘察下一个进入太阳系的太阳系外天体。

11.轻型太阳帆(苹果)

约瑟夫·内曼尼克，航空航天公司

轻量级太阳帆是一种可以在低质量快速运行的空间平台上执行深度太阳系任务的架构。我们开发了一种替代的车辆架构，它集成了模块化的动力系统和太阳帆推进系统，具有长寿命、峰值功率，可用于完成最新的太空探索任务。新太阳帆飞得很快，可以到达太阳系的远端，比如到达木星需要6个月，到达土星需要1年，到达冥王星需要4年。虽然推进系统是太阳帆设计的关键环节，但任务必须有动力系统，苹果包括耐用的抗辐射电池。

12.使用原位推进剂返回泰坦样品。

史蒂文·奥尔森，美国宇航局绿色研究中心

使用原位推进剂返回土卫六样本的方案引起了NASA的关注。这种方案“就地取材”，利用泰坦表面材料制造挥发性推进剂。这一方案与所有其他原位资源利用的传统概念有很大不同，它将实现对行星科学、天体生物学和理解生命起源的重大科学价值的回归。同时比其他样品返回任务(距离和能级)难度高一个数量级。

13.洞穴机器人:在火星洞穴中执行移动操作任务的小型机器人。机器人

凯尔·帕沃恩，美国斯坦福大学

该任务的目标是开发一个任务架构，其中包括一个远程爬网。机器人，锚定位置机器人，它可以使用延伸臂在行星洞穴的复杂地形中移动、探索和采样，特别适合执行火星探测任务。机器人命名为“洞穴”机器人“，利用伸缩臂作为操作臂，是一种高度可重构的机械装置。据悉，这位机器人设计集合了美国斯坦福大学的独立性机器人、机器人运营、机械设计、仿生抓取、地质行星科学等领域的跨学科专家团队。

14.“远视天文台”:原地建造月球远程射电天文台。

罗纳德·波利丹，月球资源有限。公司

我们提出开展远程对接的系统级研究，研究如何利用风化层材料在月球远侧建造巨大的低频(5-40 MHz)射电天文台。它被称为“远视天文台”，将是一个分布在20×20公里区域的大型偶极子天线阵列，它将打开一个了解早期宇宙的观测窗口(低频射电)，其作用类似于激光干涉引力波天文台(LIGO)。因为地球会产生无线电噪声和电离层干扰，所以在地球表面建立低频射电天文台不太现实。“远视天文台”的概念将使用原位制造技术，有时会升级地球上的系统。通常情况下，天文台会使用很长时间。与地球发射的完整天线阵任务相比，成本更低，使用寿命更长。

发展月球表面基础设施(电力系统、能量储存系统、空间制造资产、空间采矿资产)，以实现月球表面未来的科学和商业任务，并从风化层加工活动中提取和提炼氧气和金属，用于未来的月球前哨和其他空间制造，以及人类在月球表面和空间的活动。

15.在小行星旁播种真菌，为太空栖息地创造土壤。

简·塞维特索夫，跨越太空飞行。公司

任何大规模、长期的太空栖息地，都需要自己种植大部分食物，回收养分。对于简单的补给任务来说，通过水培的方式种植作物是非常有意义的，但是对于无法补给地球物质的大型太空基地来说，土基种植系统有着重要的优势。

科学家提出的太空栖息地设计之一是一个旋转的圆柱体，从而创造了人造重力，最多可它可以容纳8000人进行小行星采矿、太空制造和研究等。栖息地是为了实现充足的食物和绿色空间，不仅支持宇航员的心理健康，还可以作为生命支持系统的一部分。在这种情况下，作物的水培方法会遇到困难，因为基地需要大量的机械，同时也会出现故障点，比如水泵、油管等。此外，水培系统还需要营养液，这使得农业和人类排泄物的回收很困难。然而，在以土壤为基础的种植系统中，通过将人类排泄物制成堆肥并放入土壤中，这是很容易做到的。

目前我们建议利用富含碳的小行星制造土壤，利用真菌物理分解这些物质，从化学角度有效降解有毒物质。我们将利用真菌将小行星物质转化为土壤。基本思路是在富含碳的小行星上植入真菌，促进土壤的形成。真菌擅长分解复杂的有机分子，包括那些对其他生命形式有毒的分子。例如，已经证明平菇可以通过消化石油中的碳氢化合物，成功地清理被石油污染的土壤。菌丝可以穿透很长一段距离进入裂缝，并施加很大的压力，以物理方式破坏岩石，有些甚至生长在岩石内部。事实上，有证据表明真菌在地球早期土壤形成中起着关键作用。

16.反光镜

查尔斯·泰勒，美国宇航局兰利研究中心

光反射器是在“阿耳忒弥斯”任务以及随后的“人类在月球表面长期生存”的未来背景下实现的在月球表面发电和分配能量的新概念。这个创新的概念是基于定日镜，它使用卡塞格林光学望远镜作为主要手段来捕捉，集中和聚焦太阳光线。第二个关键环节是使用菲涅尔透镜对光线进行校准，并将其分配给1公里或更远的多个最终用户。将太阳能重定向并集中，然后分配给最终用户，并使用小型光伏阵列(直径2-4米)将其转换为电能。该设备可以安装在太空栖息地，将太阳能转化为电能。