華高萊斯：航天科技民用化——接地氣的航天科技（下篇）

作者丨管婷婷

前文回顧（點擊查看）

三、航天科技與商業

在商業領域，有太多的航天科技轉化的實例。本文將主要介紹航天科技在「運動健康和出行方式」方面的兩個有趣的貢獻。

1）復健設備：航天技術幫助運動員快速復健

NASA為幫助太空人在太空中模擬重力來保持其強度和骨密度而研發的加壓氣室，被逆向設計用來製作幫助運動員快速復健的設備。

頂級運動員需要頂級科技來保駕護航。作為頂級科技的一種，航天科技向運動科技轉化由來已久，如現在已經很流行的氣墊運動鞋的鞋底製作工藝，使用的就是從航天技術轉化過來的「中空吹塑成型」技術。

隨著這類層級技術的普及，更尖端的行業技術被用在了更頂尖的運動員身上，如頂級籃球運動員科比·布萊恩特曾經左腳肌腱嚴重撕裂，在他復健的時候就用到了一種儀器——Alter-G的反重力跑步機。2013年，科比曾在INS上放出自己使用反重力跑步機的視頻，那是他遭遇左腳踝跟腱撕裂重傷後復出前的一個月，在反重力跑步機上跑步，不用擔心會影響剛癒合的傷處，又能鍛鍊跟腱縮短重返賽場的時間。

Alter-G反重力跑步機，圖片來源：wikipedia @Ajglincher

反重力跑步機的專利——差壓氣壓（DAP）技術，源自NASA研發的最新技術。隨著太空人在零重力環境中停留時間的增長，體重和骨密度會減少。NASA的工程師找到了一種解決方案，通過使用加壓氣室模擬重力，來幫助太空人在太空中保持其強度和骨密度。

反重力跑步機的設計者意識到，相應減少重力對人們有著顯著的好處，因此將NASA的解決方案進行逆向設計，在反重力跑步機中使用的差壓氣壓系統。Alter-G的原理是採用氣壓平穩的舉起跑步者，跑步者下半身被固定在一個密閉氣室內，給人一種類似飄著的感覺，膝蓋和腳踝也幾乎感覺不到壓力。一旦有人在上面開始跑，Alter-G會及時校準氣壓，這樣即使有傷在身的人，也可以通過奔跑達到鍛鍊恢復的目的；肥胖的人也不必擔心大體重對膝蓋的壓迫，甚至應力性骨折的發生；馬拉松選手則可訓練速度和耐力，並且不用擔心高強度長距離帶來漫長的恢復過程。

反重力跑步機可提供高達80%的重力支持，能讓使用者的下肢在較小的負荷下進行鍛鍊，對於間接治療患者的腳踝、膝蓋、臀部受傷也有幫助。想像下你在這樣一臺跑步機上，體重仿佛憑空少了20、40斤甚至更多，懸空時與地面的高度最多30cm(含跑步機至地面的高度)。同時相比原理類似的水中奔跑，Alter-G跑步機功能和可實現效果更多，速度/坡度皆可調節，也不會像水池佔用太大面積。NBA的運動員們向來是新訓練裝備的最早一批嘗試者，許多運動員都曾藉助反重力跑步機在傷病期間用來訓練恢復。

Alter-G反重力跑步機，圖片來源：wikipedia @Antigravitytreadmill

目前，全世界已有多家機構擁有反重力跑步機，包括專業運動隊、大學體育項目、康復治療機構以及運動員個人，如西雅圖海鷹隊，邁阿密熱火隊以及美國奧林匹克訓練中心等，反重力跑步機也受到了運動員們的大力追捧，眾多職業運動員使用反重力跑步機進行物理治療和訓練。

2）出行方式：航天技術正在改變未來出行方式

火星探測器的底層算法被應用在無人駕駛技術中

航天技術在人們日常出行中也起到了非常重要的作用。說到出行領域的航天技術，也許你會想到衛星的定位與導航技術。是的，衛星導航已經極大地改變了人們開車出行的方式，讓自駕變得更加容易和輕鬆，省去了認路記路的煩惱。

但你知道嗎？曾應用於航天領域的一項技術如今正在加速地發展，並有極大可能在不久的將來，對人們的出行方式造成翻天覆地的變化。是的，那就是無人駕駛技術，確切的說，是無人駕駛的底層算法——motion planning and decision making（運動規劃和決策）——「無人車的大腦」，即在不確定的、動態的環境下，如何讓無人車做出正確的判斷和計劃。比如從A點到B點，全程100公裡，如何確定遠程、中程和近程計劃？

無人車在過去十多年的應用，主要在軍方和航天上，比如火星探測器。NASA的火星探測器用的是motion planning（運動規劃）的算法中D* Lite算法的優化變種。最早研究無人車「運動規劃和決策」的史丹福大學教授塞巴斯蒂安·特倫，在2007年加入Google擔任副總裁，並創建了Google X（谷歌研究院），領導無人車項目。無人車領域的探索進入了谷歌時代。2015年，谷歌無人車已經在加州城市街道測試中，實現30萬英裡無重大事故，完全超越保險公司所定義的最安全的駕駛員人群的駕駛平均紀錄。

對於火星探測器來說，motion planning（運動規劃）的算法面臨著兩個大問題：

第一：要節能。節能主要是因為火星探測器的太陽能板功能比較弱，只有在陽光垂直照射，偏差不超過十幾度的情況下，火星探測器有足夠的功率前進。所以，不可能把所有功率放在CPU上去運算路徑，這個算法必須非常節能。

NASA火星探測器，圖片來源：commons.wikimedia@NASA/JPL-Calech/University of Arizona, Corby Waste

第二：運算要快。火星地面不比城市路面，如果每次遇到什麼情況的時候，如路面有坑、石頭時，火星車都要停下來，運算完了再走，那這個火星車運行效率就太低了。為了解決這兩個問題，運動規劃的算法也有了長足的進步。

對於無人車來說，運動規劃和決策的難點主要在兩點：

第一，運算量非常大，search space（搜索空間）呈指數型增長。

第二，不確定的因素很多，整個運動規劃和搜索出來的結果，要不斷隨著信息的變化而變化。比如，在高速上，無人車沿著一個車道行駛，突然發現有一頭鹿橫穿馬路。這時候，如何在毫秒級別的時間裡，把之前規劃的路線和速度，進行最安全的調整，這將是一個非常艱巨的也是非常關鍵的技術。

這裡用到的主要技術有：Incremental Search-Based algorithm（基於增量搜索的算法），sampling based planning algorithm（基於抽樣規劃的算法）等。基於增量搜索的算法在運動規劃領域，主要指的就是如A*，D*，D* Lite， MT-D* Lite等算法，這一算法就是解決在未知、不確定、動態的環境下，如何從A點到達B點。在從實現上，就是通過新的信息，更新搜索空間，在更短的時間裡，維持那些不需要更改的信息和計劃，只是局部的把那些危害到生命健康的計劃進行修改。基於抽樣規劃的算法：簡單來講，通過抽樣把比較複雜的運算進行簡化，加快搜索和運算的速度。但是這個算法的問題是會犧牲最優性，兩種算法都在不同的系統有應用。

無人車經歷了多年的發展歷程，從2004年DARPA（美國的國防科工委）舉辦第一屆無人車拉力賽，來促進無人車的發展（沒有一支隊伍完成挑戰），到2015年左右，Google無人車30萬英裡道路測試沒有重大事故，無人駕駛技術的底層算法，在其中起到了至關重要的作用。

谷歌自駕車，圖片來源：commons.wikimedia@Steve Jurvetson

四、娛樂方式：航天技術也可以很浪漫

用於探測與科研的立方體衛星被用來運送人造流星雨的原料

對於航天科技的娛樂性，我們都停留在很初級的、科技館裡的一種展示，並沒有一些深入航天科技的體驗。但現在航天科技已經可以實現這些了，一個有趣的例子便是人造流星雨。日本初創公司Ale開發了一項人造流星技術。根據顧客的需求發射數量、顏色不同的流星，每顆定價100萬日元（大約59,000元），預計整個項目耗資約為3億美元。

人造流星雨發射示意圖，圖片來源：star-ale.com

這個人造流星的項目名叫「天幕」Sky Canvas，由創始人兼CEO岡島禮奈（Lena Okajima）負責。該公司將用一顆23英寸左右的立方體衛星來攜帶大約300-400個豌豆大小的金屬球抵達距離澳洲500公裡左右的上空，然後在合適的時間向地球發射。這些金屬球將經過15分鐘左右抵達日本廣島上空，進入大氣層時通過跟空氣摩擦而燃燒，發出流星一樣的光亮。

人造流星 圖片來源：star-ale.com

在這種技術原理下，一個高度極高的軌道被設置在一個高度和角度上，使得衛星每天恰好在同一時間飛越地球上的一個點。這原本是監測衛星使用的一種技術，以確保他們的目標在被拍照時一直處於全天候狀態，但對於Sky Canvas，則是確保流星到達固定軌道。

金屬球焰色反應示意圖，圖片來源：star-ale.com

據介紹，這些人造流星的 「原料」 是一些特殊的化學物質，流星的顏色可以通過改變原料的成分而不同。燃燒時，銅元素會發出綠色光；鋇元素髮出藍色光；而鉀、銣和銫元素會發出深淺不一的紫色光。人造流星的速度可達到每秒8公裡，可以持續10秒鐘，方圓100公裡都可以看到。

沒想到，航天科技也可以如此浪漫。

總結

本文從農牧業生產、公眾安全、商業和娛樂這四個方面，展示了航天科技在我們日常生活當中的應用。其實，在航天尖端技術和民用技術的相關科技成果轉化中，可開發的空間非常大。現如今，我們認為的最高冷的航天科技都下凡了，還有什麼科技不能用在我們的生活當中呢？

事實上，航天技術的轉化是國家軍民融合戰略的一部分，也是如今的大趨勢。現在，不論多麼尖端的技術，也開始越來越重視融合及轉化，把軍用技術運用到民用，可以促進民用技術的發展，也將促進整個國家工業體系的發展。軍民融合，正是大勢所趨！

參考文獻

[1] 引領生活的旗幟——航天科技

http://www.xinhuanet.com/science/2015-12/14/c_134913683.htm

[2] 「北鬥」技術助中國西部草原實現「數字牧場」

http://m.sohu.com/n/405210654/

[3] 【衛星應用】中國遙感衛星在農業領域的應用現狀與未來發展

http://www.taikongmedia.com/Item/Show.asp?m=1&d=25410

[4] 200顆衛星24小時監控，遙感+AI正成為美國農民種地的標配

http://wemedia.ifeng.com/56015659/wemedia.shtml

[5] 從「氣象特警」到「隨身空調」 航天技術來到你身邊

http://scitech.people.com.cn/n1/2017/0524/c1007-29296759.html

[6] 飛彈消防車、再生呼吸器……這裡好多「黑科技」！

http://news.sina.com.cn/c/2017-05-24/doc-ifyfqvmh8752687.shtml

[7] 火災來了？別怕！這款航天神器助你逃出火場

http://wemedia.ifeng.com/66994960/wemedia.shtml

[8] 科比姚明們都用它——Alter-G反重力跑步機

http://iranshao.com/articles/1481-alter_g

[9] 無人車涉及的核心技術淺談_「智能無人駕駛技術」現在發展到什麼階段了？

http://www.elecfans.com/d/670604.html

[10] 個性化「人造流星雨」了解一下？請先準備好錢

http://tech.sina.com.cn/d/s/2018-03-29/doc-ifysqfni2136330.shtml

[11] 日本計劃2019年發布全球第一場人造流星雨 每顆賣6萬元

https://t.qianzhan.com/caijing/detail/171123-2dc01a01.html

華高萊斯版權所有，轉載請註明出處及作者姓名和作品名稱。不得擅自修改、歪曲或篡改，侵權必究。我們尊重原創，也注重分享。部分圖片來源於網絡，圖片影像版權歸原作者所有，如有侵權請及時聯繫，我們將第一時間刪除。