重达30吨的馈源舱怎么在中国天眼上随意运动？这些工科生们提出了解决办法：用绳子“提溜”着它！实践证明，这六根“灵魂”绳索不仅保证了安全性，还有着超高的精准度…
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院国家天文台青年研究员姚蕊演讲实录：
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，就是米口径球面射电望远镜FAST。它位于我国的贵州，是在年提出、年建成的。年1月，它通过了国家验收。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。
我们要一台怎样的“天眼”
把时间调回到年，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，确实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。
那为什么要建米的呢？老师说，在上世纪60年代的时候，美国就建成了米的阿雷西博望远镜。在70年代的时候，德国建成了米波恩望远镜。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？
中国天眼是一枚“灵动”之眼
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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？
▲南仁东，中国天眼之父
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，那它的口径都米了，你这怎么就倒退到米了呢？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0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，我们在这米的大锅里能实时得到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多米的高空上，那可是有30多层楼高啊。
用机器人驱动天眼的瞳孔
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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
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