喷气推进实验室的迈克·迪西科 美国宇航局自20世纪60年代以来一直在探索火星，推动创新的前沿，以到达红色星球并发现其秘密
这项新技术也经常在地球上找到其他用途
信用:NASA 即使当“毅力”号探测器接近火星时，船上的技术也在地球上获得了回报
一种能够识别伤口中细菌的激光传感器听起来可能有些牵强，但它已经成为现实，这在一定程度上要归功于美国宇航局的火星探索计划
这项技术将在本月登陆红色星球的“毅力”上首次登陆火星，但它已经在制药、废水处理和地球上其他重要操作中检测到微量污染物
这并不是唯一一项已经在地面上获得回报的前往火星的技术
在地球上，这些创新也改善了电路板制造，甚至为地质学家带来了特殊的钻头设计
给地质学家一个机会 自20世纪90年代以来，蜜蜂机器人公司一直致力于火星和其他行星的机器人任务，包括由美国宇航局南加州喷气推进实验室的小企业创新研究(SBIR)合同资助的一些项目
这项工作的主要贡献之一是样本收集技术，包括一个用于提取岩心的钻头
六个取芯钻头是从20多年前开始的研究中开发出来的，现在第一次进入太空，准备用于火星车机械臂末端的炮塔或“手”
在地球上，在用空心钻头钻取芯体后，地质学家通常使用螺丝刀或其他工具将样品折断并拔出
这可能导致样本碎片甚至被污染
机器人需要不同的东西
总部设在纽约的蜜蜂公司发明了一种嵌套在取芯钻头内的折断管
钻取岩心后，折断管相对于钻头旋转，移动其中心轴并折断岩心
与其他折断方法不同，如夹住芯的底部，折断管沿样品的长度方向施加压力，从而降低碎裂的风险
蜜蜂提供了研磨机、铲子和其他在之前火星任务中飞行的取样系统
这是该公司的取芯钻头技术首次进入火星，因为这是美国宇航局首次计划未来将火星表面的样本带回地球的任务
毅力会收集并包装那些样品
“这是样品返回任务的关键部分，”基思·罗塞特说，他为JPL管理探测器的取样和缓存系统
“如果你没有一个钻头可以回收样本，你真的无法在火星上收集样本
" 蜜蜂机器人公司设计了它的旋转式撞击取芯钻来收集火星上的岩石样本
在“坚韧”号探测器上飞行的版本有着重要的区别，但是他们分享了一种分离核心样本的新技术，蜜蜂现在已经向地球上的地质学家提供了这种技术
功劳:蜜蜂机器人 罗塞特说，虽然从火星上获得返回舱样品会带来一系列挑战，但它将让研究人员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到火星上，不如将样本带回来更具挑战性，甚至更有价值
" 与此同时，蜜蜂公司已经为地球上的地质学家商业化了其取芯工具包中的专利折断钻头
蜜蜂公司副总裁兼勘探技术总监克里斯·扎尼说，钻头可以和标准钻头一起使用，使这项技术变得简单和经济
扎克尼说，蜜蜂也一直在与有兴趣将比特用于核灾难补救的公司进行谈判，因为在核灾难补救中派遣人类调查人员太危险了
“例如，如果有混凝土罐在泄漏，那么机器人可以进去取样，检查辐射水平
" 这项技术是由蜜蜂已故的总工程师汤姆·迈里克发明的
“汤姆会非常自豪他的发明对行星任务产生了影响，”扎克尼说
来自火星的家庭视频 收集样本返回地球并不是工程师们为“坚持不懈”计划的第一步
美国国家航空航天局首次建立了一个系统，可以发回漫游车戏剧性的进入和着陆过程的高质量视频
虽然好奇号火星车发回了一系列显示火星表面下降过程的压缩图像，但毅力号的进入、下降和着陆包包括六个高清摄像头和一个麦克风，旨在捕捉撞击外层大气和着陆之间“七分钟恐怖”的所有场景
除了观察行星表面之外，摄像机的位置还可以观察降落伞的展开，还可以在下降阶段向后看，并在两者分离时向下看漫游者
相机组件是现成的型号，但管理其接口和电源的电路板是由JPL设计的
它是由旧金山的Tempo自动化公司建造的
成立于2013年，就在美国国家航空航天局宣布火星2020任务后，Tempo利用这项工作来改进其制造过程
顾名思义，Tempo Automation的重点是印刷电路板的快速自动化生产，即使是小批量生产
该公司为此提供的一套工具是使每个组件“可追溯”的过程，以跟踪谁触摸了它，在板生产过程的每个点对它做了什么，以及该部件来自哪个组件批次
Tempo的联合创始人沙莎克·萨马拉说:“这些信息让我们更容易找到问题的原因，并了解其他哪些董事会可能受到了影响。”
即使美国国家航空航天局的“毅力”探测器接近火星，船上的技术在地球上也有回报
信用:美国国家航空航天局的副产品 为了满足JPL严格的文件要求，Tempo增加了x光图像、离子清洁度数据和每个部件的自动光学检测数据，所有这些现在都是公司标准程序的一部分
Tempo独有的一种工具是它所谓的制造模拟——将计算机辅助设计(CAD)模型转换成最终电路板外观的真实感表示的软件
萨马拉说，2018年初JPL的工作开始时，一个团队正在制作该工具的原型，这项工作帮助他们完成了它
第二年它首次亮相
他说，模拟可以让客户在生产开始前检查他们的设计是否有任何问题或缺陷
“一个简单的错误会耗费大量的金钱和时间
" 虽然它是为了帮助客户最终确定他们的设计，但公司发现它在内部也很有用
萨马拉解释说，制造过程可能会导致原始计算机辅助设计模型和最终产品之间的差异
模拟“作为工厂里真实的来源，传达设计者的意图
我们首先看的是模拟
" 他说，交付符合美国国家航空航天局标准的产品帮助该公司进入了其他几个空间系统，包括卫星和火箭
与此同时，在JPL设计电路板的克里斯·巴塞特，期待着在“毅力”2月15日着陆后，从火星发回镜头的那一刻
18, 2021
“这和我们通常做的事情相去甚远，所以非常令人兴奋，”他说
“我迫不及待地想看到那些图像
" 紫外激光扫描寻找化学线索 另一项技术的起源可以追溯到美国宇航局的火星探索计划，它也是第一次在毅力号上飞行，在地球上有许多潜在的应用
当两位长期的同事在1997年创建光子系统时，研究显示分光计——利用光来确定样品成分的设备——在深紫外波长下工作有着不可思议的前景
这些有可能识别一种细菌或检测哪怕是最轻微的化学痕迹
但是220-250纳米范围内的光源太大、太重、对环境干扰太敏感，还有许多其他问题
美国国家航空航天局20多年的资助已经帮助光子系统公司降低了深紫外光谱的成本，并将其缩小到手持尺寸
该公司的一个深紫外激光器将首次搭载“坚忍号”飞往火星
信用:光子系统 威廉·胡格和雷·里德着手开发一种微型、轻质、坚固的深紫外激光源，用于该领域的光谱学
1998年，他们的第一笔外部投资来自与JPL的一对SBIR合同，该合同对一种能够检测核酸和氨基酸的分光计感兴趣，这些物质是所有已知生命的基础
从那以后，这家总部位于加州科维纳的公司收到了美国国家航空航天局的一些小型研究项目，主要是与JPL合作，以及美国国家航空航天局旨在为行星和天体生物学科学开发仪器的项目的资助
现在，航天局将从其在该技术上的长期投资中获得第一笔巨大回报:毅力号配备了扫描可居住环境的拉曼和有机和化学发光仪器，该仪器使用光子系统激光器来发现以前看不见的线索，以寻找火星上过去生命的迹象
虽然该小组预计不会在火星上发现细菌，但存在于近地表的有机物可以用SHERLOC来识别
在地球上，同样的技术可以被用于识别有机物的各种其他目的
深紫外光子与许多物质强烈相互作用，尤其是那些含有有机分子的物质
与红外甚至可见光激光源相比，这导致更高的检测灵敏度和更高的准确度
深紫外光谱学已经在研究实验室中完成，但是Hug和Reid想出了一种结构，它比现有的任何替代物都小得多，更简单，制造成本也更低
“深紫外激光起价10万美元
这就是为什么它们没有在工业中使用，”胡克斯说，他指出使用这项技术的实验室仪器可能需要三张实验桌，并且需要一个月的时间来安装
一个主要的挑战是技术要求的完美程度
同样的灵敏度使得微小的高能波长甚至可以检测到病毒，这使得它们很容易受到最微小缺陷的攻击
镜头或其他表面的微小缺陷会破坏或分散它们，Hug说，它已经在多个行业取得了进展，以满足必要的标准
光子系统侧重于两种类型的光谱学，其中深紫外激光源提供了超越长期光谱仪技术的主要优势，舍洛克将使用这两种技术
荧光光谱学观察大多数有机和许多无机材料被某些紫外线波长激发时发出的光，就像洗涤剂在黑光下发光一样
每个都发出不同的光谱“指纹”
" 另一方面，拉曼光谱观察分子散射的光，由于与样品中分子键振动的相互作用，其中一些光会转移到不同的波长
这些波长的偏移可以用来鉴别样品中的物质
紫外光的高能光子比低频光从有机分子中激发出更强的拉曼散射信号
由于天然荧光或阳光中不存在深紫外光，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成产品，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
他们现在最大的市场是制药、食品加工和废水处理行业
无论是测量药物中的活性成分，还是确保机器和设备的清洁度，深紫外都能以比其他方法低得多的浓度识别和测量某些化合物，从而在质量控制方面提供前所未有的精度
看起来像印刷电路板照片的东西实际上是基于计算机辅助设计文件的计算机生成的模拟
Tempo Automation开发了这种“制造模拟”能力，同时为相机系统和麦克风系统制作电路板，设计用于记录“毅力”号火星车的火星大气进入、下降和着陆
功劳:速度自动化 在废水处理中，该技术可以识别和测量污染物，让操作员定制处理过程，并节省臭氧注入和曝气的电力
“对于一个小型污水处理厂来说，整个系统在不到一个月的时间内就能收回成本，”胡奇说
军方投资的一项应用是识别细菌和病毒
例如，找出伤口中存在的细菌，将有助于确定治疗伤口的正确抗生素，而不是使用可能导致耐药性的广谱抗生素
快速、廉价的深紫外光谱技术为医学研究带来了希望，从诊断到识别蛋白质、肽和其他生物材料
“到目前为止，美国国家航空航天局一直是我们旅程中的忠实伙伴，激光只是故事的一部分，”休说
“这也是我们多年来为美国国家航空航天局和国防部建造的深紫外拉曼和荧光仪器，现在为制药、废水和一般水质提供突破性进展，现在为病毒提供临床测试
" “在火星上，谢洛克将寻找有机物质，并分析任何可能的生命迹象周围的矿物质，以便研究人员能够理解它们的背景，”JPL谢洛克首席研究员路德·比格尔说
这将提供更多关于火星历史的细节，也有助于确定返回地球的样本
该仪器还包括一台能够进行显微成像的照相机，将能够绘制岩石矿物和有机成分的高细节图，提供大量重要数据
“我们将在火星上进行一次全新的测量，”比格尔说
“这是以前从未尝试过的事情
我们认为我们真的要在火星科学上移动指针，找到一些好的样本带回来
"
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