把机器人安进FAST？最初我很惊讶，但幸好忍住了| 姚蕊
我们不相信望远镜的建成就是它的巅峰之时，
我们相信我们还有能力
可以让它走向更远的未来。
大家好，我是中科院国家天文台的姚蕊。今天我和大家聊一聊中国天眼，以及中国天眼里的机器人技术。
中国天眼，就是500米口径球面射电望远镜FAST。它位于我国的贵州，是在1994年提出、2016年建成的。2020年1月，它通过了国家验收。2021年3月，它正式向全世界的科学家开放。迄今为止，它已经发现了500余颗新脉冲星，还有最近特别火的快速射电暴。不过今天，我想让大家跟着我的目光，从一个工科生的角度重新认识一下FAST。
把时间调回到2005年，那是我刚认识FAST的时候，也是我刚进入清华大学攻读研究生的时候。那一年年底，老师提议聊一聊我的研究选题，问我要不要试试将实验室的机器人技术用在500米口径的球面射电望远镜里面。我的脑海里浮现了疑问：望远镜怎么会需要机器人技术呢？但幸好我当时没有问出来，因为老师马上给我看了下面这张图，我才知道，原来我想岔了。
我确实是个天文小白，因为我的专业一直都是工科方向，对天文方面的了解甚少。但是当老师给我看这张图的时候，我还是没有忍住，问了一个很怯场的问题。我说：这不就像是小时候的电视天线吗？就像那个天线大锅，不就是用来反射和汇聚信号的吗？
老师说：它们的原理其实还真的有点像。不过在天文里面，它有一些不一样的专有名词。那个叫反射面。我又问,那个接收的东西不就是一个接收器吗？老师说，那叫馈源接收机，天文学家可以用它接收到的信号开展研究。但我还是不太明白我们要建一个什么样的望远镜。
▲ 位于波多黎各的阿雷西博望远镜
后来，我们的天文学家回答了我的问题。他给我看了上方这张不太一样的图片，这是美国的阿雷西博（Arecibo）望远镜。我说，我一直以为我们要建老师给我讲的那种望远镜呢。他说，不行，因为结构上的要求，那样的望远镜最多也就是百米尺度。要是建500米的可能会做不到。我们未来的望远镜，样子可能会有点像美国阿雷西博望远镜。可是，我还是不明白我们为什么要建射电望远镜，又为什么要建500米这么大的呢？
这时候，老师回答了我这个问题。他说：射电望远镜跟我们平时了解的那种望远镜不太一样，它接收毫米波到米波范围内的信号。如果要问它的成就，那在过去的七八十年间，射电天文才算是刚刚开始发展，但是发展是非常神速的。它得到了宇宙辐射、脉冲星、宇宙演变、恒星演变的一些重要研究成果，还获得了不少次诺贝尔奖。
这么一说，我觉得这个东西确实是高大上。可是我还是不理解，为什么要建500米这么大的呢？他告诉我：因为射电望远镜有一个非常重要的性能指标，就是灵敏度，这其实和这口锅的大小直接相关。想要接收从天体而来的这些信号，锅越大，能汇聚的能量就越多。接收的能量越多，就有可能看到别人看不到的暗弱信号。而500米就是指这个大锅开口处的直径尺寸，一般用这个尺寸来代表望远镜的规模。
那为什么要建500米的呢？老师说，在上世纪60年代的时候，美国就建成了305米的阿雷西博望远镜。在70年代的时候，德国建成了100米波恩望远镜。而刚刚提到的那么多重要成果，都是依靠着国外这些先进设备而得到的。我们中国要想做射电天文，怎么能没有观星利器呢？
确实如此。在2005年我刚刚得知要建FAST的时候，中国最大的射电望远镜是25米口径的，所以大家可以想象这中间的差距。对于天文学家来讲，这种感觉就像国外的人都用着智能手机，在接收着最新的信号，而你却偏偏用着老年机，根本得不到那些最新的信息，而且还得借别人的手机来用。
所以，我们也想拥有自主可控的设备，这就是为什么我们要建FAST，而且要建这么大口径的FAST。但是，这可不是一件容易的事情。
我说：我们是不是要建成阿雷西博望远镜这样的呢？老师说：好像不太行。阿雷西博的反射面是球面的，在球面反射的情况下，信号只能在小范围之内汇聚出一些，肯定会损失很多其他的信号。这就意味着，虽然有了300米口径的大锅，可是还是会损失很多接收到的能量，很多暗弱的星体是看不到的。
而为了尽可能地减小这种损失，阿雷西博用了一个非常复杂的馈源支撑机构，就是上图中悬在高空的白色架子。它是一个非常大的桁架结构，上边有个导轨，用来装一个小馈源舱，馈源接收设备就放在馈源舱里面，来进行小范围的运动。它只能依靠地球的自转和自身的小范围运动，来实现大概20度的观测天区。
而我们想观测得更大，得到的信号更多，也想观测到更暗弱的信号。而且像阿雷西博这样的望远镜，我们真的也建不成。因为尺度更大了之后，重量是呈指数上升的，所以中间的这个馈源支撑系统可能要有上万吨重，这在结构安全的层面上是不可行的。那该怎么办呢？
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中国科学家对这种设备的渴望和需求，带来了卓越的创新能力。南仁东老师和当时那一代的科学家，发现了一个很有意思的情况：有焦点的抛物面天线好、原来的小口径射电望远镜都是抛物面……那么，我们还能不能让球面变抛物面呢？后来他们发现，在300米口径的这个尺度上，如果将球面变成抛物面，面板之间的距离好像要调整半米左右。他们有了一个大胆的想法：如果让这个面板可以上下移动半米，我们是不是就拥有了一个瞬时的抛物面天线了呢？
但是也有人问，说要建比阿雷西博还大的望远镜，还要比它的灵敏度更高，那它的口径都305米了，你这怎么就倒退到300米了呢？这是因为我们用的是抛物面天线，能更好地去汇聚这些信号，所以即使我们的尺寸跟它相当，灵敏度却是它的3倍。这也是为什么FAST在建成之后，可以那么快得到那么多的重要成果。
那怎么把它建成呢？即使你在现场看着这个大锅，好像也很难用肉眼看出它是怎么从球面变成抛物面的。连我的很多机械背景的同学都会问我说：这底下是有什么灵巧的小东西，在推动这个面板上下移动吗？我回答：你们只看到了它的“肉体”，而没有看到它的“灵魂”。它的灵魂是里面的大索网，是用6000多根长约11米的绳索编织成的巨大索网。
▲ 全可动的反射面变形技术
请大家看着上方动画想象一下，一个大大的网兜被吊在了500米口径的圈梁上，这是一个钢结构，把网兜外面的那一圈给固定住了。网兜中每一个三角形的顶点处都是一个结点，一共有2225个结点。图中散发出的短短的蓝线，就是朝向地面的下拉索。如果每一个下拉索下面都有一个驱动装置的话，我们就有2225个驱动装置去驱动这些蓝色的小索，让整个索网产生变形。
在实际变形中，同时有1000多根的绳索，正在偷偷地拉动面板进行变形。我们再在索网上面搭上金属面板，就能实现望远镜的面形变化。上方的动画中就是切切实实的面板在上下移动，在变形。所以你就能想象，我们在这500米的大锅里能实时得到300米口径的抛物面天线，而且是无数面。
▲ 如何实现馈源的大空间定位？
那我们怎么观测呢？请看上图。假设我们现在正在观测S1方向来的信号，那么我们就在图中灰色的地方，把那部分的面板变成抛物面天线，这样就能把信号汇聚到图中红色的点上。如果这时候把馈源接收机放到红点上，我们就能接收到信号了。当需要观测的信号移动到了S2方向的时候，我们就调整面板，就是图中左边S2所对应的那个范围，将那部分面板变成抛物面天线之后，它会重新将信号汇聚到蓝点处。
但是这就带来了一个问题：在观测大天区的时候，意味着馈源接收机需要在红蓝点间来回移动，它的移动距离最大要达到207米。这么大的范围，到底怎么能让接收机自如移动呢？而且还是在距离面板140多米的高空上，那可是有30多层楼高啊。
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有人说，我们用绳子来驱动它吧。这好像是一个很好的办法，但我给大家看一张更直观的图片。
用几个大吊车控制绳子来驱动，把重物放在目标处。这看似没有问题，但是还需要关注几个问题：第一，绳子到底该如何布局；第二，要驱动绳子时，哪根伸长，哪根缩短，伸长多少，缩短多少，这都要考量；第三，索的受力必须很给力，要是哪根绳索突然不受力了，设备说不定就会晃一下，这可是很重很珍贵的设备。
而且，在207米的这个范围之内，在运动的同时还要定位精度。因为反射面板已经那么辛苦地把信号都汇聚起来了，要是定位精度不行的话，那还是一样会损失灵敏度的。定位精度是多少呢？200多米的运动范围，它的定位精度是10毫米，大概也就是一个比乒乓球还要小的精度。
所以，这么高的精度要用几根绳索来实现，听起来很难吧？这背后用到的就是机器人技术。这也就是当时我的老师找我来做这项研究的一个原因：做索并联机器人。
电路里面也有串联和并联，在机器人机构学里面，确实也分成串联和并联的构型。请大家看上方动画，这就是一个串联机器人。它很像我们的胳膊，还有一节一节的关节。我们通过驱动关节来实现它的大范围运动。
但是有时候，这种运动的精度好像还不太够，就像用手拿起重物走远路时手会抖一样。那怎么办呢？还有一种方式就是并联。用两个手合在一起，通过两个或两个以上的支链连接。虽然运动范围小了，但是精度确实会提高，感觉更扎实了。这就是并联机器人。我当时所在的实验室就在进行并联机器人的研究。
但是，我们以前做的都是像上方动画这样刚性的并联机器人，用的是硬梆梆的金属，从来没有做过柔索的。这也是一个值得试试的全新的挑战。但是索并联机器人存在很多问题需要解决，也需要我们仔细考虑它该如何运用在FAST上面。
上方这个索并联机器人是不是很酷？在索并联机器人的研究中，如果需要大的工作空间，需要受力好，还要控制好精度的时候，最好是要同时有向上拉和向下拉的绳索。这能够让它既有大的工作空间，又能把它绷得更直一些，有好的精度。
这是我们做研究时的直观感觉，但是天文学家却说：不行，我们满足不了你的要求。第一，绳索要少，因为不能让辛辛苦苦变形的反射面板被绳索遮住了，那样的话会损失灵敏度。第二，不能有向下拉的绳索，因为那有可能会碰到反射面板，整个反射面的要求就完全达不到了。
所以，我们最后只能用几根绳索提着馈源接收机来进行运动，就是上方动画的样子。
▲ 各类尝试
在进行调研的时候我发现，其实这些年，有很多的研究所和高校都做了相应的研究，也有很多尝试：4索、6索、8索……我们发现，这样确实会有大的工作空间，也能满足俯仰角部分的要求，但还是达不到毫米级的精度。这就是在2006年我们面临的问题。
后来，我们研究了一个“外柔内刚”的方案：用外面的6根绳索来实现大的运动空间，并把设备送到差不多的位置；然后在里面加一个刚性的机构，来实现它的俯仰角度和定位精度。大家请看下面的图片，是不是有点像我刚刚展示的并联机器人图片？它就是一个6杆并联机器人，只不过它反了过来。
所以在2006年时，我们就大致有了一个方案：外面用尽可能少的绳索，用6根绳索牵着馈源舱进行运动；馈源舱里面再加一个6杆并联机器人，来实现它的精确定位。这样就实现了大的工作空间、大的俯仰角度和高精度的要求。
看起来已经很完美了，但在应用之前，我们还是得先试一试，总不能一下子就建到500米的望远镜里面去。所以在2008年的时候，我们所在的清华大学团队和国家天文台进行了合作，想一起建个模型试一试。
上图就是在北京密云的1∶15相似模型。在最初的设计中，我们发现FAST在用6索进行馈源定位时，6索分布的圆的直径是600米。所以我们建了一个1∶15的40米的模型。建成之后，我们发现它的精度确实不错，几乎跟测量需要的定位精度达到了同一水平，达到了毫米级。
从2009年夏天建成，到2010年数据出来时，一切都非常完美。我也在那一年进入了国家天文台，开始了从40米到600米的新征程。
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2011年，FAST正式开建了。在2012年时，我被定为了馈源舱负责人。
上图是2012年底时，我第一次到了开挖后现场的照片，我站的地方就是之后要建馈源舱的地方。图中红色圆圈标注的尺寸大概就是40米，所以当我真正站到这个地方的时候，我突然觉得40米和600米比起来，简直就是小巫见大巫了。
我第一次真正地感受到了这个工程的巨大和艰难，而这仅仅是开始。在600米的范围之内，我们用6根索来驱动馈源舱进行精确的定位，这个过程中最应该担心的是什么呢？一定是安全。万一哪根索断了呢？
如果有对天文感兴趣的朋友，在2020年年底时一定关注到了一则新闻：因为年久失修，美国阿雷西博望远镜的绳索断了，整个坍塌了。在天文界，这确实是一个非常大的遗憾。
我们设计之初就明确安全绝对是第一位的。为此我们经过了非常非常多的研究和计算，计算馈源放在任何一个位置下的索力变化、索长变化、控制精度、使用寿命、安全系数等等，我们似乎已经做到万无一失了，可是这中间还是有一个隐患。
我们在之前的实验中发现，移动到馈源定位点的时候，索力、位置精度一切看起来都很好。但是偶尔再移动到那个地方的时候，我们发现索力会突然有变化，有时变化还不小，最大索力的限值还会“哔哔哔”地报警。这就是一个非常大的隐患：在实际使用中，如果某个索力突然变化较大，这对系统的稳定性和安全性来说都是致命的。
这个现象的专业用语叫虚牵，就是指当索并联机器人的其中某一根索出现了巨大的变化时，它有可能会造成稳定性和精度巨大的下降。虚牵的问题不解决，就绝对会存在隐患。如果经常出现这种情况，就意味着我们辛辛苦苦计算、选取的安全系数，可能也没办法保证它的使用寿命。
怎么办呢？这也是我当时主要研究的一个问题。我翻阅了很多之前的实验数据，进行了数据分析，发现它其实就是索力和控制精度的敏感度的问题。这说明什么呢？说明在某些位置时，控制精度稍微有了一点变化，索力就会出现巨大的变化。在那个时候，索力对于控制精度的敏感性是极高的。但是这个敏感性高到了什么程度，又为什么会高呢？这些必须要揭示清楚。
▲ 重要安全隐患——虚牵
通过数值分析，我发现它们之间存在数值的对应关系。我把这个对应关系分析、建立出来之后，这个问题就变成了非常简单的系数关系了。在运用这个系数关系进行尺寸设计、结构的设计和分析之后，我们就相当于在设计阶段避免了虚牵的问题。
上方动画展示了6根绳索牵引着馈源舱在高空运动的画面。它能根据我们的要求灵活移动，拥有的是高于10毫米的精度。动画中的圆圈移动轨迹看起来很小，但它其实可是直径207米的一个圆。在天眼边上，这个馈源舱似乎用望远镜都几乎看不到。但它足足直径13米，重30吨，就是由我负责设计的。
2012年刚刚开始馈源舱详细设计的时候，领导告诉我说：馈源舱初步设计在25吨左右，在后面的设计中绝对不能超过30吨，否则绳索可能就不安全了。我回答说：应该没问题。但是很快就被打脸了。因为设计中在不断输入新的变化，加入了各种新的设计和技术要求，设计重量一路飙到了35吨。那时候这个问题是非常紧急的，因为它直接影响到整个装置的安全。
▲ 30吨，重量要省着点用
30吨的限值不能变，我们该怎么办呢？馈源舱里非常重要的一个结构就是6杆并联机器人（上图中的Stewart平台），它是用来实现最终的精度的。也就是说，馈源舱精度是最高的一个性能要求。我就根据这个精度进行了分解，来了解到底哪些结构的变形对于精度影响最高，哪些影响微乎其微。这样在设计的时候，影响高的地方，我就给它加一些结构来让它更结实，它的结构变形就会小一些，对终端的控制影响也会小一些；在影响并不大的地方，只要满足安全，就放一放它。就这样，我们最终用29.6吨完成了这个任务。
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终于在2016年7月，馈源舱第一次升到了空中。
现在FAST在运行时，馈源舱一个月差不多才能下来一次。它很忙碌，要24小时不停地进行观测。而在FAST建成之后，我们也一样很忙活。
▲ 还有遗憾：向银河系中心进军
FAST工程陪伴我们长大，让我们学到了很多东西。但是作为FAST的工程人，其实心里还是会有一点小遗憾，就是我们还没能观测到银河系的中心。我们现在的观测天顶角是40度，离银河系的中心还差十几度，看似差距不大，但其实这中间的技术难度是巨大的。
以前，由于材料、技术等各方面的限制，我们未能达到这个目标，但是我们还想朝着那里走一走。因为银河系的中心有更多的恒星演变，能观测到更多重要的发现，也许那也会给我们带来一个重大的突破。
我们不相信一个望远镜的建成就是它的巅峰之时，我们相信我们还有能力可以让它走向更远的未来。这也是我们的理想。我们现在守护着这个望远镜，也希望用我们的技术带着望远镜再往前走一走，这也是我们作为工程人的坚守和等待。
非常感谢一直关注和支持中国天眼的大家，也希望我们能带着中国天眼给大家带来更多灿烂的发现。
谢谢大家！
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