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介绍

我们不认为望远镜的建成就是它的巅峰；我们相信我们仍然有能力将它带向更远的未来。

我们并不认为望远镜的完成就是其发展的巅峰。

我们相信我们有能力。

它可以将其带向更远的未来。

姚睿 中国科学院国家天文台青年研究员

格致论道第78期| 2022年3月26日，北京

大家好，我是中国科学院国家天文台的姚睿，今天给大家讲一下中国的天眼和其中的机器人技术。

中国的天眼是500米口径球面射电望远镜FAST，它位于我国贵州，1994年提出，2016年建成，2020年1月通过国家验收，2021年3月正式向全球科学家开放。到目前为止，它已经发现了500多颗新的脉冲星，以及最近特别火的快速射电暴。但今天，我想让大家顺着我的目光，以一个工科学生的视角，重新认识一下FAST。

我们想要什么样的“天眼”？

让我们把时间拨回到2005年，那是我第一次接触FAST，也是我刚考入清华大学读研究生的时候。那一年年底，我的老师提出我们讨论一下我的研究课题，问我是否想在500米口径的球面射电望远镜上尝试一下实验室里的机器人技术。一个问题突然在我脑海里浮现出来：望远镜怎么会需要机器人技术呢？不过还好，我当时没有问出来，因为老师马上给我看了下面这张图，我才意识到我的想法错了。

我真的是一个彻头彻尾的天文学小白，因为我的专业一直是工程学，对天文学确实了解得很少。但当老师给我看这幅图的时候，我忍不住问了一个很胆怯的问题。我说：这不就像我们小时候的电视天线吗？就像那个大天线盘一样，不是用来反射和聚焦信号的吗？

老师说：其实他们的原理有些类似。不过在天文学上，它有一些不同的专业术语。那个叫反射器。我又问，接收的东西不就是接收器吗？老师说叫馈源接收器，天文学家可以利用它接收到的信号进行研究。不过我还是不太明白我们要造什么望远镜。

▲波多黎各阿雷西博望远镜

后来我们天文学家回答了我的问题，他给我看了上面这张略有不同的图，就是美国的阿雷西博望远镜。我说，我一直以为我们要建老师讲的那种望远镜呢。他说，不是的，因为结构要求，这样的望远镜最多也就一百米，如果建个五百米的，可能就不行了。我们未来的望远镜可能有点像美国的阿雷西博望远镜。不过，我还是不明白，为什么要建射电望远镜，为什么要建五百米的？

这时，老师回答了我的问题。他说：射电望远镜和我们通常认识的望远镜不一样哔站手机下拉，它接收毫米波到米波范围内的信号。如果要问它的成就，那么在过去的七八十年里，射电天文学才刚刚开始发展，但发展非常迅速，在宇宙辐射、脉冲星、宇宙演化、恒星演化等方面取得了一些重要的研究成果，并获得了很多诺贝尔奖。

说了这么多，我觉得这东西确实高端。不过我还是不明白，为什么要建500米那么大？他告诉我：因为射电望远镜有一个很重要的性能指标，就是灵敏度，其实灵敏度跟碟形天线的大小有直接关系。为了接收这些天体发出的信号，碟形天线越大，能聚集的能量就越多。接收到的能量越多，就越有可能看到别人看不到的微弱信号。而500米指的是大锅盖口的直径，一般用来表示望远镜的尺度。

为什么要建500米口径的望远镜？老师说，20世纪60年代，美国建造了305米口径的阿雷西博望远镜，70年代，德国建造了100米口径的波恩望远镜，上面提到的很多重要成果都是在这些国外先进设备的帮助下取得的。我们中国如果要做射电天文学，怎么能没有一个观星工具呢？

确实，2005年，我第一次知道FAST要建的时候，国内最大的射电望远镜口径也就25米，差距可想而知。对于天文学家来说，感觉就像国外的人都在用智能手机接收最新的信号，而你用的是老款手机，根本无法获取最新的信息，还得借别人的手机才能用。

所以我们也希望有自主可控的设备，这也是我们要建FAST，而且要建这么大口径的FAST哔站手机下拉，但是这并不是一件容易的事情。

我问：要不要建一个类似阿雷西博望远镜的东西？老师说：好像不可能，阿雷西博的反射面是球面的，在球面反射的情况下，信号只能聚集在很小的范围内，很多其他信号肯定会丢失。这就意味着，即使有直径300米的巨锅，很多接收到的能量还是会损失，很多暗淡的星体就看不见了。

为了将这种损失降到最低，阿雷西博采用了非常复杂的馈源支撑机构，就是上图那个高悬在天空的白色框架，是一个非常大的桁架结构，上面有导轨，用来安装一个小小的馈源舱。馈源接收设备就放在馈源舱内，活动范围很小，只能依靠地球自转和自身很小的活动范围，实现20度左右的观测面积。

我们想要观测更大的物体，获得更多的信号，观测更微弱的信号。而我们确实没法建造像阿雷西博那样的望远镜。因为尺度越大，重量就会成倍增加，所以中间的馈源支撑系统可能重达数万吨，从结构安全角度来说，这是不可行的。那么我们该怎么办呢？

中国天眼是一只“智能之眼”

已完成：30%//////////

中国科学家对这类设备的渴望和需求，带来了卓越的创新能力。南仁东教授和那一代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的……那么，能不能把球面改成抛物面呢？后来他们发现，在300米的尺度上，如果把球面改成抛物面，面板之间的距离好像需要调整半米左右。他们有了大胆的想法：如果面板能上下移动半米，是不是就瞬间有了抛物面天线？

▲中国天眼之父南仁东

但也有一些人问，如果我们要建一个比阿雷西博更大、灵敏度更高的望远镜，那么它的口径是305米，为什么又回到300米呢？这是因为我们用的是抛物面天线，可以更好地聚焦这些信号，所以尽管我们的尺寸与它相当，但灵敏度却是它的三倍。这也是为什么FAST建成后能这么快就获得这么多重要成果的原因。

它是怎么建成的？即使你亲眼看这个大锅，似乎也很难用肉眼看出它是如何从球面变成抛物线的。就连我很多机械专业的同学都会问我：是不是下面有个巧妙的小东西，推动着面板上下移动？我回答：你只看到了它的“躯壳”，却看不到它的“灵魂”。它的灵魂是里面的那张大索网，这是一张用6000多根绳索编织而成的巨型索网，长约11米。

▲全可动反射面变形技术

请看上面的动画，想象一下一个大网袋挂在一根直径500米的圈梁上，这是固定网袋外圈的钢结构。网袋内三角形的每个顶点都是一个节点，一共有2225个节点。图中那条短蓝线就是朝地面方向拉下来的索，如果每条拉下来的索下面都有一个驱动装置，我们就有2225个驱动器来驱动这些蓝色的小索，让整个索网变形。

在实际的变形中，有1000多根绳索在暗中拉动面板变形。我们可以将金属面板放在索网上，实现望远镜表面形状的变化。上面的动画展示了实际面板的上下移动和变形。所以你可以想象一下，我们可以在这个500米的大锅里实时得到一个300米口径的抛物面天线，有无数的面。

▲如何实现饲料源的大空间定位？

那么我们该如何观测呢？请看上图，假设我们在S1方向观测信号，我们可以把图中灰色区域面板变成抛物面天线，这样信号就能聚集到图中红点处。如果此时我们把馈源接收机放在红点上，就可以接收到信号了。当需要观测的信号移动到S2方向时，我们调整面板，也就是图中左边对应S2的范围，把那部分面板变成抛物面天线之后，它就会再次把信号汇聚到蓝点上。

但这又带来一个问题：在观测大面积天空时，馈源接收器需要在红点和蓝点之间来回移动，其最大移动距离为 207 米。如此大范围内，接收器如何能自由移动？而且它距离面板 140 多米的高空，相当于 30 多层楼的高度。

使用机器人来驱动天眼的瞳孔

完成：50%//////////

有人说，那我们用绳子来带动它吧。这个主意看上去不错，但我给大家看一张更直观的图。

用几台大型起重机控制绳索驱动，将重物放置到目标处。这似乎没有问题，但需要注意几个问题：第一，绳索应该如何布置；第二，驱动绳索时，哪根绳索应该延长，哪根绳索应该缩短，延长和缩短的程度是多少？第三，绳索上的力必须非常大。如果任何一根绳索突然不受力，设备可能会摇晃。这是非常沉重和珍贵的设备。

而且在207米的范围内，还要求移动中也能保证定位的精度，因为反射板费了好大劲才把信号全部收集起来，如果定位精度不好，灵敏度还是会下降的，这是什么定位精度？200多米的范围内，它的定位精度是10毫米，可能比一个乒乓球还小。

那么，这么高的精度，需要用好几根绳索才能达到。听起来是不是很难？这背后用到的是机器人技术。这也是我老师让我做这项研究的原因之一：制作一个绳索并联机器人。

电路中也有串联和并联。在机器人技术中，确实存在串联和并联配置。请看上面的动画。这是一个串联机器人。它与我们的手臂非常相似，有关节。我们通过驱动关节来实现其广泛的运动范围。

但有时候，这种动作的精准度似乎不够，就像你用手拿起很重的物体走很长一段距离，手就会抖。那我们该怎么办呢？还有一种方法就是并联连接。把两只手放在一起，通过两个或多个分支连接起来。虽然动作幅度小了，但精准度会提高，手感也会更扎实。这就是并联机器人。我当时所在的实验室就是在做并联机器人的研究。

不过我们之前做过类似上面动画的刚性并联机器人，都是用硬金属制作的，从来没有做过柔性电缆。这也是一个值得尝试的新挑战。不过电缆并联机器人还有很多问题需要解决，我们还需要仔细考虑如何在FAST上使用。

上面的索系并联机器人是不是很酷啊？索系并联机器人研究中，如果要求工作空间大，受力大，精度好，最好有上下两个牵引绳，这样既能给它很大的工作空间，又能使它走得比较直，精度也好。

这是我们做研究时的直观感受，但天文学家说：不行，我们达不到你的要求。第一，绳子要少，因为费了好大劲才变形的反射板不能被绳子遮住，否则会失去灵敏度。第二，不能有绳子往下拉，因为那样可能会碰到反射板，整个反射面的要求就根本达不到要求了。

所以，最后我们只能用几根绳子把供料接收器吊起来移动，如上面的动画所示。

▲各种尝试

我在做研究的时候发现，其实这几年很多科研院所、高校都做了相关的研究，也有很多尝试：4根缆线、6根缆线、8根缆线……我们发现，这样确实有较大的工作空间，也能满足俯仰角的要求，但还是做不到毫米级的精度，这是我们在2006年面临的问题。

后来我们研究出一种“外软内硬”的方案：利用外面的6根绳索，实现较大的运动空间，将设备送到一定的位置；再在里面加一个刚体机构，实现它的俯仰角度和定位精度。大家看下面这张图，是不是有点像我刚才给大家看的并联机器人图？就是6杆并联机器人，只不过是反过来的。

于是在2006年，我们就有了一个粗略的方案：外侧用尽可能少的绳索，用6根绳索拉动供料舱移动；在供料舱内部增加一个6杆并联机器人，实现其精确定位。这样就达到了大工作空间、大俯仰角度、高精度的要求。

看上去很完美，但在应用之前，我们还要尝试一下。我们不能直接把它建成一个 500 米的望远镜。所以在 2008 年，我们清华大学的团队和国家天文台合作建造了一个模型来尝试。

上图是北京密云的1：15的类似模型，我们在最初设计的时候发现FAST用6根索做馈源定位的时候，6根索的圆直径就是600米，所以我们就建了一个1：15的40米模型，建好之后发现它的精度确实很好，几乎和测量需要的定位精度达到了一个水平，达到了毫米级。

从2009年夏天完工到2010年数据出来，一切都很完美，我也在那一年加入了国家天文台，开始了从40米到600米的新征程。

建设一座城市的旅程

完成度：70%//////////

2011年，FAST正式开工建设，2012年，我被任命为馈源模块负责人。

上图是我2012年底刚到发掘现场时拍的照片，我站着的地方是之后要建造饲料仓的地方，图中红圈标注的尺寸大概是40米，所以当我真正站在那里的时候，突然觉得40米和600米相比根本不算什么。

我第一次真切感受到了这个项目的庞大和难度，而这仅仅是一个开始。在600米的范围内，我们用6根钢索带动馈源舱进行精准定位。这个过程最担心的是什么？肯定是安全问题。如果其中一根钢索断了怎么办？

如果你对天文学感兴趣的话，你一定注意到了2020年末的一则新闻：由于长年失修，美国阿雷西博望远镜的绳索断裂，整架望远镜轰然倒塌。在天文学界，这的确是一大遗憾。

我们在设计之初就明确，安全绝对是第一要务。为此，我们进行了大量的研究和计算，计算了馈源置于任意位置时，索力、索长、控制精度、使用寿命、安全系数等的变化。我们看似取得了万无一失的效果，但还是存在隐患。

在之前的实验中，我们发现，当我们移动到进给源定位点时，索力和位置精度看起来都很好。但是，当我们偶尔再次移动到该处时，发现索力会突然变化，有时变化相当大，最大索力限位会“嘟嘟嘟”地报警。这是一个非常大的隐患：在实际使用中，如果某一索力突然发生大幅度变化，对系统的稳定性和安全性将是致命的。

这种现象的专业术语叫“虚拉”，就是说当缆绳并联机器人的其中一根缆绳发生巨大的变化时，可能会造成稳定性和精度的巨大下降。如果不解决虚拉问题，肯定会存在隐患。如果这种情况经常发生，就意味着我们费尽心思计算和选择的安全系数可能都无法保证它的使用寿命了。

怎么办呢？这也是我当时研究的主要问题之一。我查阅了很多以前的实验数据，对数据进行了分析，发现其实就是索力和控制精度的灵敏度问题。这个是什么意思呢？就是说在某个位置，控制精度稍微有一点变化，索力就会发生很大的变化。那时候索力对控制精度的灵敏度是极高的。但是这个灵敏度高到什么程度，为什么这么高？这些都要揭示清楚。

▲重大安全隐患——假牵引

通过数值分析，我发现它们之间存在着数值对应关系，分析建立这种对应关系之后，问题就变成了一个非常简单的系数关系，利用这种系数关系进行尺寸设计、结构设计分析之后，就可以在设计阶段避免虚拉的问题了。

上面的动画展示了6根绳索支撑的进给模块在高空移动，它可以根据我们的要求灵活移动，精度在10毫米以上。动画中圆圈的移动轨迹看起来很小，但其实是一个直径207米的圆圈。在天眼的边缘，这个进给模块用望远镜几乎看不见。但它直径13米，重30吨，是我负责设计的。

▲精密分析+基于控制与测量的解决方案

=结构关键点变形允许范围

2012年我们刚开始做馈源舱详细设计的时候，领导就跟我说，馈源舱初期设计大概是25吨左右，后续设计一定不能超过30吨下拉词工具【64xl.com下拉神器】，中国天眼：超越巅峰，走向更远未来的射电望远镜，不然绳子可能不安全。我回答说：应该没问题。但很快就被打脸了，因为设计不停更改，加入了各种新设计和技术要求，设计重量一下子飙升到35吨。当时这个问题很急迫，因为这直接影响到整个装置的安全性。

▲30吨，重量要谨慎使用

30吨这个极限是改不了的，那怎么办呢？供弹舱里一个很重要的结构就是6杆并联机器人（上图的平台），这个结构是用来把精度做到极致的。也就是说，供弹舱的精度是性能要求最高的。我根据这个精度来分解，明白哪些结构变形对精度影响最大，哪些影响最小。这样，在设计的时候，在冲击大的地方，我会增加一些结构让它更坚固，这样它的结构变形就会小一些，对终端控制的影响就会小一些；而冲击不大的地方，只要符合安全要求，就放在一边。就这样，我们最终以29.6吨的重量完成了这个任务。

已完工的FAST肩负新使命

完成度：90%//////////

最终，2016年7月，进给模块首次升空。

现在FAST运行的时候，馈源舱一个月只能下来一次，很忙，24小时观测，FAST建好之后，我们也很忙。

▲仍有遗憾：向银河系中心进军

FAST项目伴随我们成长，教会了我们很多东西。不过，作为FAST的工程师，我还是觉得有些遗憾，我们至今还没能观测到银河系中心。我们目前的观测天顶角是40度，距离银河系中心还有十几度的差距。看似差距不大，其实技术难度巨大。

过去我们因为材料、技术等方面的限制而未能实现这个目标，但我们还是想去那里，因为银河系中心还有更多的恒星在演化，可以观测到更多重要的发现，这也可能给我们带来重大突破。

我们并不认为望远镜的建成就是它发展的巅峰，我们相信我们还有能力把它带到更遥远的未来，这也是我们的理想。我们现在守护着这架望远镜，也希望用我们的技术把望远镜带得更远，这也是我们作为工程师的坚持和期许。

非常感谢大家一直以来对中国天眼的关注和支持，也希望能够借助中国天眼给大家带来更多精彩的发现。

谢谢大家！

- 结尾 -