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张涛,，徐坤，姚智晓，丁希仑*，赵曾3，侯绪研4，庞勇3，赖小明3，张文明5，刘舒婷6，邓剑锋7

北京航空航天大学机械工程与自动化学院

广东工业大学机电工程学院

3中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司

4哈尔滨工业大学机电工程学院

5中国空间技术研究院北京航天器系统工程研究所

6中国运载火箭技术研究院北京长征运载火箭研究所

7中国科学院微卫星创新研究院

*通讯作者：丁希仑，Email：xlding

buaa.edu.cn

太空探索极大地丰富了人类对我们地球所在的空间环境以及太阳系演化的理解。通过对星壤样品的全面分析可以大大加强我们对于一个天体的了解。星球采样机器人有利于获取土壤样品，用于深空探索中的返回或原位分析。首先，本文系统地总结了星壤采样机器人的研究现状，包括基本概念、历史背景和演变过程。然后，对采样地外天体的挑战和约束进行了探索。然后，对保证地外采样机器人系统的可靠性及安全性的关键地面测试技术进行了深入的分析。然后，给出了新型星球采样机器人研发中主要技术趋势的综合前瞻。最后，提供了未来中国太空探索任务的技术路线图。过去，星球采样机器人取得了巨大成就并改变了我们对宇宙的理解。同时，将继续以更基本的方式创新星壤探测方法，并取得更大成就。引言太空探索通过空间技术来发现地外天体[]。分析星壤样品不仅是了解天体地质结构最有效的方法，而且对获取科学信息是极其重要的[]。此外，星壤采样对于探索地外星壤中存在水及生命的证据、建立永久星际生存基地或中转站以及为星际迁移做准备具有重要意义[3]。此外，若地外星壤中的矿物资源能被开发，将有效解决人类的能源问题[4]。

揭示地质历史并合理评估其对人类的宜居性，需要评估目标天体的星壤及岩石的物理和化学特性。为寻找天体上的有机物和生命迹象，必须探索表层以下的星壤，在这里生物标记免受有害辐射[5]。此外，为寻找现存或过去的微生物生命和水源的证据，并确定地外行星和小行星的地质组成，必须采集数十米至数百米深度的次表层星壤样品[6]。因此，天体星壤采样是地外探索中最重要的任务之一。

在太空探索中利用机器人有利于风险最小化并拓展宇航员能力。机器人能在极其恶劣的太空环境中执行极复杂和危险的任务[,7]。星球采样机器人是能获取用于返回或原位分析/利用的星壤样品的无人车。由于其他行星极端空间环境引起的苛刻条件，对地外天体进行机器人采样必须克服地球上不常遇到的大量困难[7]。

年，苏联机器人Luna6着陆器成功实施了首次自动星壤采样任务。随后人类对采样其他天体做了更多努力，提高了科学家调查太阳系历史并更好地理解地球的能力[8]。这些机器人已经取得巨大成就，甚至将取得更大成就[9,0]。因此，下文对现有的星球采样机器人及其相关关键技术和重要趋势进行综合论述。

星球采样机器人综述

年，Sputnik号标志着太空探索的开始。迄今为止，在外太空探索历史上已进行89次软着陆/触陆的任务（图）。其中，有36个任务利用机器人系统来获取星壤样本或穿透星壤，以收集信息或将科学仪器固定在太阳系中的月球、火星、金星和小天体上。

图进行软着陆/触陆的深空探索任务中的星球采样机器人。a，96年至09年间的太空机器人，根据有无采样器划分。不管任务结果如何，统计数据都是基于任务的探测方式。包括6次载有宇航员的Apollo任务。b，使用星壤采样器的任务在太阳系中月球、火星、金星和小天体的探索次数。c，由美国、苏联、欧洲和日本开发的星球采样机器人数量。

由于不同天体之间存在明显的环境差异，因此很难设计一种能够满足所有行星采样要求的通用机器人。为了应对不同材料采样需求的挑战，全世界的科学家和工程师已经开发了多款星球采样机器人。根据采样方式和操作模式，已有的星球采样机器人可被分为8类（图）。

图不同星壤采样技术。a，带钻头和螺旋钻的钻探采样器[4]。有三种方法来保存样品：通过外部螺旋钻屑槽（左），通过空心螺旋钻管（中）和通过软袋（右）。b，基于机械臂平台的挖掘采样器[7]。c，带有高速弹丸和收集腔的投射采样器[73]。d，高频振动致动的超声波/声波采样器[63]。e，依靠气压差传送星壤颗粒的气动采样器[74]。f，带闭合机制的抓取采样器。g，带岩石研磨/抛光机制的岩石研磨工具，可观察岩石的原始内部结构[75]。h，生物启发的采样器，受到挖洞动物的启发[76]。左边：通过挤压星壤进行穿透的似鼹鼠采样器[77]。右边：通过移动两个切削瓣进行穿透的似木蜂采样器[78]。.星球采样机器人研究进展

在上述采样技术中，地外采样任务通常采用单一技术或组合技术来执行多个采样任务。表列出了已有的太空采样任务中使用的典型方法。

表不同太空探索任务中的星球采样机器人发射年份任务名称国家/机构目标采样类型平台采样结果参考文献/Surveyor3/7美国月球挖掘着陆器成功84/97/Luna6/0/4苏联月球钻探着陆器成功4，-97Apollo5–7美国月球钻探（人为）宇航员成功Viking/美国火星挖掘着陆器成功Venera/苏联金星钻探/气动着陆器失败Venera3/4苏联金星钻探/气动着陆器成功Vega/苏联金星钻探/气动着陆器失败/成功MarsPolarLander美国火星挖掘着陆器失败MERs美国火星岩石研磨工具火星车成功MarsExpressESA火星鼹鼠着陆器失败Hayabusa日本Itokawa投射轨道器成功RosettaESA彗星67P钻探着陆器失败Phoenix美国火星挖掘/钻探火星车成功90Curiosity美国火星钻探火星车成功93，Hayabusa日本Ryugu投射轨道器进行中OSIRIS-REx美国Bennu抓取轨道器进行中Insight美国火星鼹鼠着陆器进行中9Chang’e5中国月球钻探/抓取着陆器即将发射46，ExoMarsESA火星钻探火星车即将发射Mars00美国火星钻探火星车即将发射00注：MERs,MarsExplorationRovers;OSIRIS-REx,Origins,SpectralInterpretation,ResourceIdentification,andSecurity-RegolithExplorer.

此外，提出和开发了许多杰出的星球采样机器人原型，用于科学研究或未来太空任务，如Icebreaker,Lunar-Prospecting,RotaryPercussiveCoring(RANCOR),Venus,Planetary-Deep，由HoneybeeRobotics公司开发的NanoandLifeInTheAtacama(LITA)钻进装置[-4]，由日本航空探索局研发的Contra-rotorScrew钻进装置[5]，由赫尔辛基工业大学开发的MArsSampleAcquisitor(MASA)钻进装置[6]，由东北大学开发的RoboticPlanetaryDrill[7]，由北京航天航空大学开发的Drilling,Sampling,andSample-HandlingSystem(DSSHS)[8]以及由NORthernCentreforAdvancedTechnology(NORCAT)开发的SampleAcquisition,ProcessingandHandling(SAPH)钻进装置[9]。

当前星壤采样探索仅限于表层和次表层。深层采样有助于了解地外天体的历史，并可能发现（古代）生命存在的证据。考虑到这一点，HoneybeeRobotics公司和NASA喷气推进实验室的研究人员开发了Auto-Gopher-钻进采样器，其穿透深度为7.5米[0,]。目前，用于北部冰盖次表层观测的WirelineAnalysisTool被运送到格陵兰，可钻至冰下0米[]。正在制造的SearchforLifeUsingSubmersibleHeated(SLUSH)钻进装置能穿透木卫二5千米深[3]。多杆连接是获取深层星壤样品最广泛研究的技术。基于螺旋钻直径，这种方法有两种典型类别。第一类钻杆的直径沿长度方向上相同，这些螺旋钻杆通过钻杆存储和转换机构实现连接，如北京航空航天大学开发的Multi-RodDeepDriller[4]。第二类螺旋钻的直径是不同的，可以从较大的钻杆中提取出较小的钻杆，比如NASA提出的概念钻探系统，其可以穿透00米深，并从火星次表层中采样[5]。.采样方法对比

不同的采样技术具有固有的优缺点。钻探是最有效的方法，以前所有类型天体的星壤采样任务都使用钻探采样器[6,7]。挖掘采样器在获取大体积方面具有优势，而气体提升法在传输星壤颗粒方面有很高效率[8]。选择最适合的技术取决于很多因素，如科学目标或目标天体。表给出了不同采样技术的深入对比。

表不同采样技术间的对比采样方法优点缺点采样范围钻探甚至可以穿透最坚硬的岩石高能效比，尤其是带冲击机制有利于保持样品的层理信息深层采样的高拓展性低重力环境下易达到高反作用力无润滑或真空条件下钻头易达到高温不适合大采样量切削时易发生堵塞表层/次表层挖掘有利于收集松散星壤大体积采样l带机械臂可实现大范围采样无冲击运动时难以采样坚硬的岩石或高度压实的星壤不能保持样品的层理信息表层抓取带机械臂可实现大范围采样灵活拾取表面岩石和星壤穿透深度小采样量无法自控制表层挖洞（鼹鼠）穿透深度深低功耗低穿透力可获取水平方向上的样品难以破碎硬质物质采样体积小由于低穿透率，采样时间长次表层投射航天器无需铆定易控制弹射由于地质不确定性导致样本量不可预测由于投射的穿透能力有限导致采样深度浅表层超声波/声波无需锋利的钻头低/高温条件下有很强的适应性平均功耗低需要额外的样品收集机构低穿透速率导致采样时间长表层/次表层岩石研磨低功耗高效磨削坚硬物质难以收集样品穿透深度有限表层气动高效传输大体积样品处理大直径分布样品的鲁棒性好只能对浅层星壤进行采样星壤传输过程中易发生堵塞表层/次表层3挑战与约束

星球采样机器人必须能够应对各种极端苛刻的挑战和约束（图3），主要包括受限的功率、能量和质量，低或零重力加速度，温度波动大或极端温度，低压或真空条件，地质不确定性和通讯延迟[9]。

这些挑战和约束根据其来源可分为四类：

（）多种地面资源约束：太空探索花费极其昂贵——仅发射一颗卫星至地球轨道就需要花费数百万美元。星球车/着陆器的质量通常受到几个关键因素的限制，包括发射成本，运载火箭的尺寸和着陆技术。星球采样机器人的质量必须优化，比如使用高刚度的轻质量材料。星球车/着陆器通常由太阳能电池板供电，分配的采样消耗量极为有限；因此，必须考虑低功率技术。此外，由于受限于运载火箭的尺寸，星球采样机器人通常飞行中为折叠状态，到达后展开。因此，需要复杂的机制来完成压紧状态和释放状态之间的配置转换。

（）极具挑战的苛刻环境约束：严峻的地外环境条件对星球采样机器人具有重大影响。在小型小行星上钻探的情况下，火星车/着陆器的低质量极大地限制了可实际应用于星球采样机器人上的最大钻头重量[30]。因此，需要特殊机构锚定着陆器，或设计通过“一触即走”的方式采样。低温要求材料不经历韧性到脆性转变，而大的热波动要求接触的材料具有相似的热膨胀系数[3]。低温限制了热量的散发，并且在真空条件下进行钻探很容易到达高温。因此，必须考虑对苛刻温度和低/超低气压的适应性。

（3）地质多样性/不确定性：到现在为止，人类进行的所有星壤采样任务都旨在更好地了解目标星球[3,33]。地质多样性/不确定性的产生主要是因为每个采样位置都不同，因此很难预测这些条件。地点间的星壤特征不同或者甚至同一位置不同深度不同[34]。星球采样机器人的性能受星壤的机械和热物理性质、化学和矿物组成和其他特性的影响很大[35]。因此，星球采样机器人必须能够处理各种极端状况。

（4）通讯延时约束：长时间的通讯延迟进一步挑战了采样操作，这使实时操作变得不可能，并且将人移出控制环。通讯延迟可能是决定星球采样机器人自主控制级别的最重要因素[36]。尽管地球与其他行星之间的距离并不影响采样操作本身，但它们会影响任务持续时间。例如，火星与地球之间的最小通讯延迟为3分钟，但是当火星位于太阳的另一侧时，最大通讯延迟可能达到0分钟。这完全消除了从地球实时远程操作星球采样机器人的可能性；因此，星球采样机器人必须具有高度自主性，并具有可靠的故障检测和恢复协议。

图3太阳系中典型天体的环境条件。a，平均表面温度，从最热到最冷。b，重力加速度：大多数天体存在极低重力环境。c，大气压：气态行星的大气压未给出。d，平均密度：星壤密度极大的影响星球采样机器人的操作力。e，在距离地球最近点和最远点处地球和其他天体间的通讯延迟。

4地面测试

星壤采样几乎是盲进行的，因为它不涉及基材的任何提前地震成像，或故障产生时不涉及人类的任何协助[37]。验证操作行为的地面测试为开发星球采样机器人提供了根本帮助，并极大地提高了最终产品的质量[38]。有两种典型的测试环境：人为控制或模拟的实验室环境和地球上高度相似的地外环境。在地面测试中，最关键的如下（图4）。

（）常规测试：在大气压下最常见的测试，并且大多数性能参数都是以此方式测试的。主要目标是在不同的实验条件下验证星球采样机器人，包括它们可能遇到的最极端条件，并估计相应的性能和可靠性[39]。通过执行此类测试，可以监视一系列连续参数，并可以识别其潜在缺陷[40]。最关键的因素之一是工具与星壤的相互作用力，因为它在结构设计、功耗优化、性能评估，动态控制和自主星球采样机器人仿真中起着重要作用[4]。在之前的地外星壤探索任务中，进行了大量实验，并提出了无数设计改进方案[4-44]。

（）热真空测试：旨在在模拟太空环境中验证星球采样机器人的性能。这更难实施，因为环境模拟器对于建立地外环境条件（例如低/超低真空度，低/高温和无水星壤）是必不可少的[45,46]。在模拟环境中，可以使用不同的操作参数和环境条件进行采样实验，甚至可以涵盖星球采样机器人可能遇到的最严酷条件。最关键的因素之一是产热和耐热性。尤其对于钻探采样器，产热是局部的，且机土相互作用时间长。这会引起钻头温度急剧上升或甚至威胁到钻机[47-49]。采样时生热的另一个不良结果是星壤成分的改变及样品科学有效性的丧失[50,5]。

（3）自主性能测试：旨在验证当人被移出控制环后的长时间、可靠和智能化采样操作。由于质量，功率和能量的物理约束，星球采样机器人很容易失速和卡住，因此，很难对所有类型的材料进行采样。考虑到通讯延迟，必须建立可以识别故障或潜在故障情况并采取适当的措施来纠正的高度自主的策略。因此，必须为鲁棒的星球采样机器人开发自主结构健康监测系统并测试。作为火星探测的前沿机构，NASA已经完成了大量测试以提高星球采样机器人的自主性，比如全自主的原型MARTE（火星天体生物学研究与技术实验）和DAME（火星探测钻探自动化）[5,53]和旋转冲击的原型钻机CRUX（建筑与资源利用探测器），Icebreaker和LITA[54,55]。

图4星球采样机器人关键地面测试。a，常规测试。左：NASA在Atacama沙漠寻找生命的火星技术[79]。中：在南极洲模拟火星站点的Icebreaker火星钻机[80]。右：在实验室模拟环境中的月球钻机[4]。b，热真空测试。左：在热/真空环境模拟器中的中国月球深钻[45]。中：在热/真空腔中的月球钻[8]。右：真空测试设备中的原位资源利用星壤钻[8]。c，自主性能测试。左：德文岛模拟地点的DAME钻机[53]。中：霍顿陨石坑模拟地点的CRUX钻机。右：RíoTinto模拟地点的MARTE钻机[83]。图片来源：a，左，NASA/CampoAlto/V.Robles；a，中和b，中，KrisZacny，HoneybeeRobotics；b，右，JulieKleinhenz；c，左和中，BrianGlass/NASA/Ames；c，右，CarolStoker5发展趋势

随着探测任务变得更小、更轻和更便宜，深空探测的模式正在发生改变，然而仍取得了巨大成就[56,57]。星球采样机器人对于苛刻环境的适应性和高工作可靠性仍然是关键挑战。系统创新和智能控制将成为未来的主题，而纳入多学科要素是不可避免的。来自月球的最新数据表明，两极附近永久阴影的陨石坑的星壤内部冻结了大量水冰和其他挥发物。如果这些挥发物能够得到验证和利用，那么太空飞行将发生革命性的变化，因为它们可以作为地球引力井之外随时可用且廉价的推进剂来源，并且可能在星际航行和永久居住中发挥重要作用[58]。

5.未来发展的三大阶段

随着空间技术的发展，正在开发许多新颖的星球采样机器人。下文将星球采样机器人的技术趋势分为三个阶段。

（）近期：在相当长的一段时间内，原位资源勘探仍是主要主题，并且将开发出可以穿透几米到几百米深度的低功率、低质量、可部署行星车的星球采样机器人。这些星球采样机器人必须能够进行自主采样，拥有向下钻进的科学仪器，能诊断故障并进行自我恢复。将实施越来越深层的采样，以寻找生命的存在，探索地质结构并彻底了解所研究的星壤。当前。对开发更智能、自主、可靠和高效的机器人钻探采样器的

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